基于數(shù)字切片的虛實一體化模式在組織學實驗教學中的應用

李曉英，郭 海，李寧寧

(河南醫(yī)學高等?？茖W校 a.基礎醫(yī)學部組胚教研室;b.科研外事處，鄭州 451191)

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信息化時代的到來，給教育改革帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。將傳統(tǒng)的實驗課和先進的數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，探索新的教學模式，可以優(yōu)化教學過程，提高學生學習的積極性和教學效果[1]。

組織學屬于微觀形態(tài)學課程，其與人體解剖學、生理學、病理學及臨床學科之間聯(lián)系密切，開設于本校大學一年級第一學期，是一門重要的醫(yī)學基礎課。組織學實驗課直觀性較強，不僅是驗證組織學理論知識的重要手段，也是培養(yǎng)學生觀察分析能力和動手操作能力的有效途徑。

數(shù)字切片是把整張組織切片通過掃描轉(zhuǎn)化為高分辨率的數(shù)字化全景圖像，呈現(xiàn)于電腦或手機終端，能任意移動視野和放大縮小，仿真模擬了普通光學顯微鏡的觀察。將數(shù)字切片加入組織學實驗教學，數(shù)字切片為“虛”，光學顯微鏡為“實”，虛實結(jié)合，優(yōu)勢互補，實現(xiàn)虛實一體化教學。

1 傳統(tǒng)教學方法的局限性

組織學實驗以驗證性實驗為主，實驗教學基于顯微鏡觀察組織切片，教師示教、講解實驗內(nèi)容，學生觀察完成實驗繪圖報告。近些年雖然啟用了顯微數(shù)碼互動實驗室，對激發(fā)學生興趣、提升組織學的實驗教學效果等方面發(fā)揮了巨大的推動作用，不過，目前該系統(tǒng)還是受到實驗場地、組織切片、學生數(shù)量等各種問題的限制，加上缺乏數(shù)字化資源的網(wǎng)絡支持，制約了教學質(zhì)量的提高，不利于調(diào)動學生的積極主動性，更不利于培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。隨著高校招生規(guī)模的擴大，教學資源相對緊缺，很多典型結(jié)構(gòu)組織切片數(shù)量有限，難以滿足教學需求，而且稀缺珍貴標本有一定的使用壽命，可遇而不可求，常年的損耗使之數(shù)量更少，不能保證學生使用的公正性[2]。

2 基于數(shù)字切片的虛實一體化實驗教學的設計與實施

馬里蘭大學和約翰霍普金斯醫(yī)院首次描述了虛擬顯微鏡可以掃描、存儲和閱覽數(shù)字切片[3]。經(jīng)過近年來的發(fā)展，虛擬顯微鏡技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)學教學、科學研究等領域[4]。

2.1 虛實一體化實驗教學資源庫構(gòu)建 構(gòu)建教學資源庫是實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡教學重要的基礎性工作，優(yōu)質(zhì)的教學資源庫是教學實施和教學質(zhì)量的重要保證[5]。

以組織學實驗課程為核心，遵循實驗教學資源庫設計原則，建立完整、完善的組織學數(shù)字切片庫。收集和整理優(yōu)質(zhì)的組織學切片，采用顯微攝像系統(tǒng)進行全自動數(shù)字掃描，獲得高分辨率的數(shù)字化全景圖像，分章節(jié)系統(tǒng)歸類建立目錄樹，便于查找使用。對數(shù)字切片的重點結(jié)構(gòu)進行文本標注，便于學生隨時查看。為了避免學生首次使用系統(tǒng)帶來的一些誤操作，虛實一體化系統(tǒng)安裝了系統(tǒng)還原保護卡，并在教師端和學生端進行了加密處理，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

隨著教材的更新、研究的進展，教學資源庫需要進行不斷的動態(tài)維護和管理，以保證更有效地使用[6]。

2.2 線上教學內(nèi)容的建設和完善 在建立虛實一體化實驗教學資源庫的同時，在學習通平臺建立了配合實驗教學的線上教學資源。組胚教研室在2021年錄制完成并上傳了組織學全部章節(jié)的微課視頻到學習通平臺，提供授課視頻以及各種文字形式的教學資源，能夠開展在線學習、作業(yè)、考試、答疑和討論等，還有不斷更新和完善的實驗技能專項、考核系統(tǒng)、參考書目、參考文獻等。教研室指派專人負責學習通平臺網(wǎng)站資料的維護和更新。

2.3 虛實一體化教學的設計與實施 有效預習是學習的重要組成部分，實驗課預習材料僅僅是文字，學生的預習往往流于形式，達不到應有的效果，因此圖片、視頻等相應的視覺資源是必要的。教師在課前根據(jù)該章節(jié)教學需要，通過超星學習通平臺，發(fā)布微課、PPT等多媒體資源，開展課前預習工作，學生完成學習資源配套任務并反饋給教師，教師根據(jù)反饋調(diào)整教學任務。

課中通過虛實一體化教學系統(tǒng)進行教學。教師使用教師端電腦和示教顯微鏡，學生每人一臺雙目顯微鏡和學生端電腦，師生電腦通過局域網(wǎng)連接。教師示教的切片內(nèi)容可以通過智慧屏幕、學生端屏幕以及互動模式供學生學習，激發(fā)學生的學習熱情，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，師生隨時溝通，對重點、難點知識進行交流與討論，完成所有實驗課教學內(nèi)容，提交實驗報告。

課后教師根據(jù)教學目標和學生的疑問，總結(jié)任務難點，采集分析數(shù)據(jù)，分析和量化學生學習情況，并通過學習通發(fā)布相關(guān)話題，組織學生探討，培養(yǎng)學生探究能力，同時對學過的知識進行交流鞏固。與傳統(tǒng)的組織學實驗課后復習不同，學生通過個人賬號隨時可以登錄系統(tǒng)復習數(shù)字切片和拓展知識，突破了時間和空間的限制。

2.4 評價方式的改革 建立多元化、全過程的評價體系可以促進教師對學生的引導和督導，提高學生學習效果，培養(yǎng)良好的學習習慣和思考解決問題能力[7-8]。改變過去單一的結(jié)果性評價方式，借助后臺的圖文數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析學生的線上學習情況和交流信息，對學生當前的學習狀況、學習態(tài)度、完成任務的情況進行考核；同時對平時布置的作業(yè)進行分值的設定，考核學生平時作業(yè)的完成情況?？傊捎锰搶嵔Y(jié)合，線下線上結(jié)合，課上課下結(jié)合，以及課堂討論、小組自主探究等多種方式結(jié)合，形成多維度的立體評價體系。評價方式具體構(gòu)成比是：預習任務完成情況10%、考勤10%、課堂提問10%、繪圖作業(yè)30%、標本考試40%。

利用互聯(lián)網(wǎng)給予學生引導和交流，采用任務驅(qū)動方法，可以使學生能夠個性化更高效地完成學習任務，掌握組織學基本知識[9]。

2.5 效果評價 問卷調(diào)查：設計問卷調(diào)查表，評價虛實一體化教學模式在提高學生興趣、拓展知識面、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高自主學習能力和獲取網(wǎng)絡信息方面的作用。共下發(fā)調(diào)查問卷305份，回收有效問卷293份。從問卷結(jié)果可以看出，學生對虛實一體化教學模式滿意度和基本滿意度占90%以上。見表1。

表1 問卷調(diào)查結(jié)果(n)

3 虛實一體化教學模式的優(yōu)勢

近年來組織學實驗教學比較常用的是顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)，教師的示教切片和學生顯微鏡下觀察到的切片圖像可以同步到電腦屏幕上，相比于傳統(tǒng)的組織學實驗教學，教學效果和效率已有所提高。但是實驗教學依然受到時間、空間和切片質(zhì)量的限制，而數(shù)字切片庫的建立和完善以及線上線下虛實一體化教學的實施賦予了實驗教學全新的模式。

3.1 使用數(shù)字切片，優(yōu)質(zhì)資源共享 全視野的數(shù)字切片圖像更加清晰，顏色更加保真，完整地保存了切片的信息。觀察數(shù)字切片時可用鼠標拖動、選取切片上的任意位置，隨意縮放，屏幕左上角還顯示切片全景導航，能把高倍鏡下的圖像和低倍鏡下的位置準確地對應，增強對整體結(jié)構(gòu)的把握。數(shù)字切片豐富了實驗課教學資源，特別對于一些罕見的組織切片和典型的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)永久保存和資源共享。比如血涂片，血涂片中的嗜酸性粒細胞和嗜堿性粒細胞數(shù)量很少，下發(fā)到學生的玻璃切片不易找到這兩種細胞，而數(shù)字切片的使用就很好地解決了這個問題。

傳統(tǒng)的組織學實驗課是理論知識的簡單驗證，標本的差異性往往給學生造成了理論知識和實驗切片內(nèi)容的對應困難，而虛實一體化使典型的數(shù)字切片成為理論知識和玻璃切片的橋梁，學生通過分析比較，輕松地掌握學習內(nèi)容。

3.2 打破時空限制，學習更加便捷 虛實一體化實驗教學模式通過課前下發(fā)教學任務，課中操作，課后鞏固練習，使學生的學習不再局限于實驗課堂，打破時間和空間的限制，可以隨時隨地通過網(wǎng)絡平臺反復學習訓練鞏固所學知識，提高學習效果。對教師來講，數(shù)字切片的使用極大地豐富了教學資源，虛實一體化教學增加了線上線下師生間的互動，方便了教學過程的實施和學生學習效果的及時反饋。

3.3 啟發(fā)主動學習，注重能力培養(yǎng) 傳統(tǒng)組織學實驗教學，學生在有限的課堂時間內(nèi)聽講、觀察、繪圖，缺乏創(chuàng)新性和主動性?，F(xiàn)在，醫(yī)學教育改革已經(jīng)從教師授課模式向以學生為主體的主動學習模式轉(zhuǎn)變，從傳授知識到能力培養(yǎng)為核心轉(zhuǎn)變[10-11]。虛實一體化實驗教學將線上線下、數(shù)字切片和實體顯微鏡教學有機結(jié)合，豐富實驗教學內(nèi)容，學生可以在該章節(jié)資源中根據(jù)需要實現(xiàn)自主選擇，并且自己提出問題、自助解決或協(xié)作互助解決問題，在這個過程中，激發(fā)學生的學習熱情、啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生的觀察能力和動手能力。

3.4 構(gòu)建知識體系，學科融會貫通 知識體系的連貫性和系統(tǒng)性是醫(yī)學的顯著特點，虛實一體化教學系統(tǒng)中同時還有其他形態(tài)學科的教學資源，比如病理學等。隨著網(wǎng)絡教學平臺在更多學科的應用，醫(yī)學實驗課程體系逐漸由分散平行向?qū)哟畏置鞯臉錉罱Y(jié)構(gòu)發(fā)展，各學科之間通過共享網(wǎng)絡平臺有機地聯(lián)系在一起[12]。學生可以通過平臺，把相關(guān)的各個學科融會貫通，實現(xiàn)在學習上從正常結(jié)構(gòu)到異常結(jié)構(gòu)，從宏觀層面到微觀層面，從基礎知識到臨床病例的有機融合。

4 目前存在的問題和展望

虛實一體化教學模式改善了傳統(tǒng)實驗教學的局限和不足，但在應用過程中也存在一些問題：

數(shù)字切片在提高了學習便捷性的同時，使某些學生過度依賴數(shù)字切片，懶于操作顯微鏡觀察玻璃切片。學會正確使用顯微鏡是醫(yī)學生的基本功之一，也是組織學實驗教學的目的。在實驗教學過程中要合理把握和督促學生科學地分配學習時間，鞏固理論知識的同時要兼顧動手能力和科學探索能力、協(xié)作能力等各方面的協(xié)調(diào)發(fā)展。

數(shù)字切片和玻璃切片并非取自同一蠟塊標本而存在或多或少的差異，給學生學習造成了一定的困惑。鑒于此，教師要向?qū)W生解釋標本取材的差異性，使數(shù)字切片與玻璃切片互為補充，實驗課內(nèi)以顯微鏡觀察玻璃切片為主，數(shù)字切片為輔，課外利用數(shù)字切片隨時隨地進行鞏固復習。

虛實一體化實驗教學模式對教和學的便利性和效果有目共睹，但是組織學的大部分數(shù)字切片依然停留在平面圖像，無法直觀顯示立體層次和毗鄰關(guān)系。信息技術(shù)日新月異，將來是否可以把平面的數(shù)字切片開發(fā)成更逼真的3D圖像，讓學生更形象地探索人體的微觀世界，相信VR等相關(guān)技術(shù)一定會在組織學上獲得開拓和發(fā)展。

綜上所述，虛擬數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，徹底革新了組織學實驗教學手段。組織學虛實一體化教學模式把數(shù)字切片和顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)有機結(jié)合，優(yōu)勢互補，在組織學實驗教學中發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Γ岣吡私處煹慕虒W效率和學生的學習效果。事實上，在虛實一體化教學模式的基礎上，可以探索融合其他教學方法，如“數(shù)字切片、雨課堂和QQ群課堂功能”[13]、“虛擬仿真+CBL+TBL+多元化形成性評價”[14]、基于虛擬仿真形態(tài)學數(shù)字化平臺“翻轉(zhuǎn)課堂”的混合式教學方法[15-16]，實現(xiàn)更多教學方式的優(yōu)化整合，獲得更好的教學效果和滿意度。

我們將在今后的工作中，本著虛實互補、線上線下結(jié)合、資源共享的原則，結(jié)合學科專業(yè)特點，整合信息化教學資源，不斷完善和發(fā)展虛實一體化組織學實驗課教學模式，構(gòu)建符合高職高專醫(yī)學生特點的實驗課教學新模式，發(fā)揮學生的主觀能動性和探索精神，培養(yǎng)出具有良好形態(tài)學知識基礎的高素質(zhì)、高水平的醫(yī)學創(chuàng)新技術(shù)人才。