基于國家寄生蟲資源庫對(duì)寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)考試的改革探索

鄒節(jié)新， 張李鄢洋， 沈海默， 朱春潮， 石林波， 張 萌， 高 典， 張小燕

(1. 南昌大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院， 南昌 330006； 2. 中國疾病預(yù)防控制中心寄生蟲病預(yù)防控制所 國家熱帶病研究中心， 上海 200025 )

寄生蟲學(xué)主要研究寄生蟲的形態(tài)、生活史、致病、診斷、流行和防治等，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)中非常重要的環(huán)節(jié)。近年來，隨著醫(yī)學(xué)教育改革深化，出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂、慕課、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等新的教學(xué)模式[1-2]，改變了傳統(tǒng)的單一授課教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新意識(shí)[3]。

雖然實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)方式和內(nèi)容上不斷更新[4-5]，但是實(shí)驗(yàn)課程考試還是一直沿用傳統(tǒng)的方法，已經(jīng)無法適應(yīng)新的多樣化發(fā)展形勢。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考試主要考查學(xué)生使用顯微鏡觀察玻片標(biāo)本及大體標(biāo)本，存在一定局限性，如需要對(duì)標(biāo)本進(jìn)行長期的維護(hù)和保養(yǎng)；少見罕見寄生蟲的標(biāo)本短缺；擺放的大體標(biāo)本和玻片標(biāo)本的數(shù)量受實(shí)驗(yàn)室面積限制；多次分組考試后，容易猜測考試內(nèi)容，出現(xiàn)考試時(shí)間越晚的學(xué)生成績?cè)胶玫那闆r，實(shí)驗(yàn)考試公平性不均一，不能真實(shí)地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。2019年10月，教育部發(fā)布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》,圍繞觀念理念轉(zhuǎn)變、課程目標(biāo)導(dǎo)向、提升教師能力、改革教學(xué)方法、科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)等8個(gè)方面提出了改革要求。為適應(yīng)國家一流課程建設(shè)的要求，寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考試改革勢在必行。

本研究依托中國科技部基礎(chǔ)平臺(tái)項(xiàng)目“國家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)”的“國家寄生蟲資源庫”大數(shù)據(jù)平臺(tái)[6](www.tdrc.org.cn)，在互聯(lián)網(wǎng)上建立一種在線考試系統(tǒng)并實(shí)踐應(yīng)用于寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 考試系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

一套完整的形態(tài)學(xué)考試系統(tǒng)需具備用戶管理、圖片錄入、試題編輯、組卷、在線考試和閱卷成績查詢等基本功能。本研究在“國家寄生蟲資源庫”大數(shù)據(jù)圖片庫基礎(chǔ)上獲取原圖，經(jīng)人工篩選后，加入題庫，另外建立一個(gè)用于考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，并確保兩個(gè)數(shù)據(jù)庫之間不會(huì)互相干擾。題目以讀圖填空題為主，而且系統(tǒng)內(nèi)建立了機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制，在積累一定量數(shù)據(jù)后可實(shí)現(xiàn)對(duì)主觀答題的自動(dòng)批改。

“寄生蟲形態(tài)學(xué)在線考試系統(tǒng)”是以B/S架構(gòu)搭建[7]，Ruoyi作為基礎(chǔ)框架進(jìn)行開發(fā)的“表示層”“業(yè)務(wù)層”和“持久層”三層結(jié)構(gòu)模式的web項(xiàng)目。前端“表示層”是通過HTML標(biāo)簽、VUE框架和Element工具構(gòu)建用戶可視化的瀏覽器頁面，以Ajax異步進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。后端“業(yè)務(wù)層”是以Apache Shiro安全框架為用戶提供信息安全保護(hù)，以JAVA語言和SpringBoot框架進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯功能的開發(fā)。數(shù)據(jù)層面的“持久層”是使用MyBatis框架與SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。分層明確的架構(gòu)模式可以更高效的處理問題，在瀏覽器上即可快速完成課程的學(xué)習(xí)和練習(xí)，試卷的出題與批閱，學(xué)生的考試以及提交試卷，一定程度上節(jié)約了教師與學(xué)生的時(shí)間成本。

2 系統(tǒng)模塊及配置環(huán)境

系統(tǒng)具有管理員功能模塊、教師功能模塊、學(xué)生功能模塊共3個(gè)模塊(圖1)。

圖1 在線考試系統(tǒng)模塊構(gòu)成示意圖Figure 1 Schematic diagram of module composition of online examination system

2.1 管理員功能模塊

擁有最高權(quán)限，具有系統(tǒng)維護(hù)更新，管理用戶信息，設(shè)置用戶權(quán)限等功能。

2.2 學(xué)生功能模塊

可完成學(xué)生個(gè)人信息及賬號(hào)密碼設(shè)置、在線課程學(xué)習(xí)、參加在線以及考試成績查詢等功能。學(xué)生在學(xué)生用戶端在線登錄，選擇考試后，需要在每題規(guī)定時(shí)間內(nèi)閱讀題干、觀察題目圖片，并將答案填寫在相應(yīng)位置上。系統(tǒng)可倒計(jì)時(shí)同步顯示考試總剩余時(shí)間及當(dāng)前題目剩余時(shí)間，剩余時(shí)間結(jié)束，考試系統(tǒng)將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至下一題。

2.3 教師功能模塊

具有學(xué)生管理、班級(jí)管理、課程管理、圖片導(dǎo)入、試題編輯、編寫題目、設(shè)置考試、試卷評(píng)析與成績查詢等管理功能。系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定答案以及積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)閱卷，并可以分析學(xué)生答題情況如錯(cuò)誤題目知識(shí)點(diǎn)分布等。

3 考試系統(tǒng)試題庫的構(gòu)建

為與寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)匹配，試題類型包括寄生蟲蟲種辨識(shí)題、蟲期辨識(shí)題、特殊結(jié)構(gòu)辨識(shí)題3類。寄生蟲辨識(shí)題主要考核考生整體辨識(shí)寄生蟲類別能力，要求考生能夠通過寄生蟲的形態(tài)特點(diǎn)，辨認(rèn)并正確寫出寄生蟲的名稱。蟲期辨識(shí)題則是在寄生蟲辨識(shí)題的基礎(chǔ)上，針對(duì)寄生蟲在生活史的不同階段形態(tài)變化較大的特點(diǎn)，考核學(xué)生對(duì)寄生蟲蟲期的理解與辨別，熟記各種寄生蟲生活史各階段的形態(tài)。寄生蟲特殊結(jié)構(gòu)辨識(shí)題是針對(duì)寄生蟲某一特殊結(jié)構(gòu)設(shè)問，要求考生能夠正確分辨這些特殊結(jié)構(gòu)，并能以此為依據(jù)判斷寄生蟲種類與蟲期，例如帶絳蟲的頭節(jié)結(jié)構(gòu)。試題主要為讀圖填空題，每題至少設(shè)置2個(gè)得分點(diǎn)，即寄生蟲蟲種+蟲期，或寄生蟲蟲種+寄生蟲特殊結(jié)構(gòu)，可提高考試的效度和區(qū)分度，也有利于后期實(shí)現(xiàn)人工智能自動(dòng)批改。

3.1 圖片來源

本系統(tǒng)已獲得中國疾病預(yù)防控制中心寄生蟲病預(yù)防控制所授權(quán)，可以使用國家寄生蟲資源庫大數(shù)據(jù)平臺(tái)收錄的標(biāo)本。國家寄生蟲資源庫是國家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)的一級(jí)子平臺(tái)，參與單位包括中國疾病預(yù)防控制中心寄生蟲病預(yù)防控制所、復(fù)旦大學(xué)、中山大學(xué)、廈門大學(xué)、南昌大學(xué)等14家國內(nèi)重要寄生蟲學(xué)教學(xué)和科研院所，已經(jīng)完成收錄1 200種/125 000件寄生蟲資源及數(shù)據(jù)，目前該數(shù)據(jù)庫資源仍在持續(xù)更新中(圖2)。

圖2 國家寄生蟲資源庫大數(shù)據(jù)平臺(tái)Figure 2 The big data platform of national parasitic resource center

選取大數(shù)據(jù)平臺(tái)中適合本科生教學(xué)的寄生蟲圖片資源制作試題，構(gòu)建考試系統(tǒng)。教師或管理員都可以通過本考試系統(tǒng)遠(yuǎn)程鏈接到國家寄生蟲資源庫的數(shù)據(jù)庫，以關(guān)鍵詞檢索的方式獲取原圖，篩選符合要求的寄生蟲圖片導(dǎo)入本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)將自動(dòng)生成一道已經(jīng)包含圖片的預(yù)設(shè)題目，便于后續(xù)進(jìn)一步編輯。

3.2 圖片編輯

該功能為本系統(tǒng)的獨(dú)有技術(shù)創(chuàng)新，系統(tǒng)具備在線圖片編輯功能(圖3)，基于瀏覽器在線應(yīng)用，可以在原圖基礎(chǔ)上進(jìn)行放大、縮小、剪切、加指示標(biāo)識(shí)等。在保證寄生蟲原始比例的情況下，統(tǒng)一寄生蟲圖片大小，同時(shí)在圖片上插入箭頭等標(biāo)識(shí)符號(hào)，幫助考生在考試過程中快速定位，經(jīng)編輯后的圖片保存后生成題目，進(jìn)入試題庫，對(duì)數(shù)據(jù)的云編輯功能，簡化了教師處理圖片數(shù)據(jù)的流程。

圖3 圖片編輯示意圖Figure 3 Schematic diagram of picture editing

3.3 圖片、試題、試卷等數(shù)據(jù)庫管理

圖片導(dǎo)入后，會(huì)在考試系統(tǒng)的圖片數(shù)據(jù)庫中形成備份，生成一個(gè)圖片數(shù)據(jù)庫(圖4)，導(dǎo)入的同時(shí)按照“寄生蟲蟲種+蟲期”或“寄生蟲蟲種+結(jié)構(gòu)”的格式進(jìn)行統(tǒng)一命名，圖片默認(rèn)按導(dǎo)入時(shí)間排列，但可以按照寄生蟲蟲種種名進(jìn)行檢索。導(dǎo)入的圖片經(jīng)過編輯后，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置難易度和標(biāo)準(zhǔn)答案可生成試題，每個(gè)試題均需要設(shè)定對(duì)應(yīng)寄生蟲蟲種的關(guān)鍵詞，所有的試題在完成編輯后儲(chǔ)存于試題庫中，并根據(jù)蟲種關(guān)鍵詞與對(duì)應(yīng)章節(jié)進(jìn)行綁定，從而形成系統(tǒng)內(nèi)不同章節(jié)的試題庫，可實(shí)現(xiàn)每一章節(jié)課后訓(xùn)練可以自動(dòng)更新題目。所有試題默認(rèn)按照編輯時(shí)間進(jìn)行排列，但可以根據(jù)關(guān)鍵詞、難度、章節(jié)等進(jìn)行快速檢索，同時(shí)，每一道題目都具有唯一編號(hào)，方便對(duì)題目進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

圖4 寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)考試系統(tǒng)圖片數(shù)據(jù)庫Figure 4 Picture database of parasitology experimental examinationsystem

在完成編輯試題庫的基礎(chǔ)上，進(jìn)行組卷，生成試卷。教師可通過自主檢索試題庫，根據(jù)每次考試的目的及要求，挑選題目后手動(dòng)生成試卷，所有生成的試卷都會(huì)自動(dòng)保存，多套試卷形成試卷庫。也可以通過設(shè)定難度、知識(shí)點(diǎn)范圍等進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)組卷，或?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)已存在的試卷進(jìn)行修改生成一套新的試卷，所有已經(jīng)使用過后的試卷均不會(huì)銷毀，可留存作為以后組卷的參考或?qū)W習(xí)練習(xí)題使用。在系統(tǒng)被應(yīng)用后，試卷庫將逐步積累一定數(shù)量的試卷，教師可在每一次考試前自主組卷，也可從試卷庫中挑選一套試卷，通過發(fā)布試卷的方式組織學(xué)生進(jìn)行考試。

3.4 智能閱卷

學(xué)生答題采用主觀方式在指定的答題區(qū)內(nèi)寫下答案。有學(xué)者認(rèn)為深度學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別方面的應(yīng)用方面技術(shù)優(yōu)勢明顯[8],因此我們擬在積累了大量數(shù)據(jù)之后開發(fā)圖像識(shí)別功能作為批改閱卷輔助，考慮到試題全部是簡單填空題，目前本系統(tǒng)使用的智能閱讀卷模式的策略是對(duì)每一道試題給出一個(gè)正確答案的集合，系統(tǒng)自動(dòng)比對(duì)學(xué)生答案與該集合內(nèi)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)答案，如學(xué)生作答結(jié)果與其中的答案完全一致，則自動(dòng)判得分，如不一致，則系統(tǒng)讓教師進(jìn)行主觀評(píng)閱，如判為得分，則系統(tǒng)將該答案記入正確答案集合，當(dāng)試題被學(xué)生多次做過且達(dá)到一定數(shù)量后，系統(tǒng)可積累教師批改的正確答案數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行AI定義學(xué)習(xí)功能，如再次遇到同樣作答情況，則系統(tǒng)會(huì)對(duì)學(xué)生的作答自動(dòng)完成評(píng)分。

4 考試系統(tǒng)的應(yīng)用

學(xué)生使用系統(tǒng)進(jìn)行考試需要登錄，進(jìn)入首頁后點(diǎn)擊“我要考試”選項(xiàng)(圖5)，可以直接開始已發(fā)布的考試。在考試中，學(xué)生在答題時(shí)應(yīng)將答案填寫在下方答題區(qū)內(nèi)，考試期間題目有自動(dòng)播放功能，考試中每道題目的右上角倒計(jì)時(shí)，時(shí)間結(jié)束后會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一題。該過程一般每題25秒的倒計(jì)時(shí)時(shí)間，時(shí)間的長短教師端可以自行設(shè)置。在全部題目播放完一輪后，學(xué)生可通過右端題號(hào)區(qū)選擇自由切換題目，檢查確認(rèn)并修改答案，這一階段每題約有5秒鐘的時(shí)間。在總考試時(shí)間結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提交試卷，同時(shí)考生也可以點(diǎn)擊“我要交卷”按鈕提前交卷。

圖5 學(xué)生考試界面Figure 5 Student examination interface

該考試系統(tǒng)分別于2020年、2021年在南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院230名預(yù)防專業(yè)本科生寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中上線試運(yùn)行。卷面設(shè)置總分100分，20道填空題，6分鐘時(shí)間完成。試題按照蠕蟲∶原蟲∶節(jié)肢動(dòng)物=12∶6∶2的比例設(shè)置。蠕蟲包括線蟲、吸蟲、絳蟲，吸蟲中的日本血吸蟲所占比例較大。原蟲主要考核鞭毛綱、葉足綱、孢子綱，著重考察瘧原蟲各個(gè)時(shí)期。節(jié)肢動(dòng)物主要考核蚊、蠅、蚤、虱、蜱、螨。此外，本考試系統(tǒng)還在2021年實(shí)際應(yīng)用于2名因疫情隔離不能返校的學(xué)生寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)考試。

為了解本考試系統(tǒng)的效果及學(xué)生接受程度，對(duì)參與試用的全部230位學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果表明(表1)：95.3%的學(xué)生認(rèn)為將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)運(yùn)用于考試，考試形式新穎。99.2%的學(xué)生認(rèn)為試題的圖片標(biāo)本非常清晰，染色逼真，克服了傳統(tǒng)考試中由于玻片的制作、保存等原因造成的標(biāo)本模糊，出現(xiàn)色差等現(xiàn)象。由于這些因素也部分地影響了學(xué)生考試的發(fā)揮，因而在線考試比起傳統(tǒng)考試更公平(100%)。

表1 基于國家寄生蟲資源庫大數(shù)據(jù)平臺(tái)在線實(shí)驗(yàn)考試效果的問卷調(diào)查Table 1 Questionnaire survey on the effect of online experimentalexamination based on the big data platform of national parasiticresource center

5 討論

寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以形態(tài)學(xué)為主要考核目標(biāo)的學(xué)科，同時(shí)隨著各種寄生蟲實(shí)物標(biāo)本逐漸稀缺，會(huì)出現(xiàn)考核標(biāo)本不足的問題。特別是近幾年出現(xiàn)的新冠疫情，使得線下考試難以進(jìn)行[9]。本系統(tǒng)以B/S架構(gòu)建立一種在線考試系統(tǒng)并應(yīng)用于寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)(https://www.tdrc.org.cn/DbwenMooc/)。該系統(tǒng)已獲得軟件著作權(quán)(登記號(hào)：2021SR1508901)，共收錄2 727份不同人體寄生蟲標(biāo)本照片，1 511個(gè)涵蓋本專業(yè)的寄生蟲形態(tài)學(xué)試題。目前，標(biāo)本和試題還在持續(xù)更新中。創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了寄生蟲學(xué)的在線實(shí)驗(yàn)考試。

雖然一些高校和平臺(tái)如超星學(xué)習(xí)通、中國大學(xué)慕課等也在探索在線教學(xué)考試系統(tǒng)，但是大多是針對(duì)理論考試，而關(guān)于實(shí)驗(yàn)考試的研究卻很少，尤其未見基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器應(yīng)用的寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)考試系統(tǒng)，究其原因主要是缺乏可用于制作題庫且具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大量寄生蟲實(shí)物標(biāo)本圖片。本教學(xué)研究與科研工作相結(jié)合，將科研成果轉(zhuǎn)化為促進(jìn)教學(xué)工作的原動(dòng)力，充分利用國家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)的一級(jí)子平臺(tái)國家寄生蟲資源庫大數(shù)據(jù)資源，并對(duì)原有的大數(shù)據(jù)資源實(shí)現(xiàn)再開發(fā)、再利用，既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的共享，也解決了高校寄生蟲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的痛點(diǎn)。項(xiàng)目成熟后，可向其他院校推廣應(yīng)用。

本研究篩選大數(shù)據(jù)平臺(tái)中適合本科生教學(xué)的寄生蟲圖片資源，編輯制作成試題，成功構(gòu)建了寄生蟲學(xué)在線考試系統(tǒng)。目前，系統(tǒng)已經(jīng)能夠順利地完成整個(gè)流程。通過對(duì)考試形式的改革，將傳統(tǒng)的實(shí)物標(biāo)本制作成數(shù)字化標(biāo)本后，便于標(biāo)本長期保存和反復(fù)使用，圖片清晰，不占室內(nèi)空間。但是，數(shù)字化標(biāo)本的持續(xù)更新還需要線下不斷制作新的實(shí)物標(biāo)本，而且在線考試存在一些不可預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn)，如服務(wù)器、計(jì)算機(jī)軟件或硬件故障、停電等，導(dǎo)致整個(gè)考試中斷或極少數(shù)學(xué)生無有效成績等問題。因此，需要將線下考試和線上考試有機(jī)結(jié)合，取長補(bǔ)短，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)考試形式。本系統(tǒng)在后續(xù)版本中將會(huì)聚焦在用戶體驗(yàn)上，進(jìn)一步優(yōu)化交互界面，增添遠(yuǎn)程在線監(jiān)考、直播講題功能，建立一個(gè)教師和學(xué)生之間的課外溝通渠道。并且以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建適配移動(dòng)終端的應(yīng)用，方便學(xué)生利用碎片化時(shí)間完成學(xué)習(xí)及考試[10]。這將為傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)考試模式注入新的活力，并對(duì)高素質(zhì)醫(yī)學(xué)專業(yè)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[11]。