庄宝祥王岱君张圣明马晓君吴洪娟王金平

(1潍坊医学院形态学实验室;2潍坊医学院人体解剖学教研室山东261053)

数字切片在组织胚胎学实验教学中的应用

庄宝祥1王岱君1张圣明1马晓君1吴洪娟1王金平2

(1潍坊医学院形态学实验室;2潍坊医学院人体解剖学教研室山东261053)

传统的组织胚胎学实验课以观察玻璃切片为主,玻璃切片在实验教学使用中存在易褪色、不易永久保存和使用时受时间和空间限制等缺陷,利用全自动显微镜扫描系统将玻璃切片制作为数字切片,结合显微数码互动系统和校园网络系统应用于组织胚胎学实验教学,不仅能有效解决优质典型玻璃切片片源不足带来的教学问题,也有利于教师的备课讲解、学生的复习与讨论以及师生间的互动,推动了组织胚胎学实验教学和考试模式的改革。该文主要介绍组织胚胎学数字切片的特点、应用及发展前景。

数字切片;组织胚胎学;实验教学

组织胚胎学是医学院校重要的基础课程之一,是研究人体在显微镜下的结构及其功能关系和个体发生及其发育规律的学科,其内容具有平面和立体、静态和动态、局部和整体相结合的特点,属形态学课程。近年来,为了提高组织胚胎学实验教学质量,集数码显微镜、图像处理系统、语音交流系统、应用软件系统为一体的显微数码互动系统被应用于组织胚胎学实验教学。在此基础上,我们应用数字切片扫描与应用系统,将传统的玻璃切片转换为数字切片,数字切片也称虚拟切片,它是通过计算机控制自动显微镜移动,并对观察到的传统切片进行全自动聚焦扫描,逐幅自动采集数字化的显微图像,高精度、多视野、无缝隙自动拼图,自动拼接成一幅定态切片的数字图像。目前,有关医用数字切片的制作及应用已经引起人们的关注[1-2]。开展数字切片研制以及结合显微数码互动系统应用于组织胚胎学实验教学的研究,对改革组织胚胎学实验课教学模式、教学方法具有重要意义。

1.玻璃切片与数字切片的比较

1.1 玻璃切片的局限性

目前,组织胚胎学实验教学主要以细胞或组织标本的玻璃切片为观察对象,在使用中存在较大的局限性:①学生对切片的观察必须局限在实验室,借助于显微镜才能使用,因此学生学习的时间和空间受到一定程度的限制;②玻璃切片在制作和使用过程中都易破损,而且标本容易褪色,不易永久保存;③为了满足教学的需求,需要制备大量的切片,不仅成本高,而且也很难保证每张切片的制作质量,不利于典型结构的观察和示教。传统玻璃切片的这些局限性影响实验教学的效率[1],也妨碍学生的自主学习。

1.2 数字切片的特点

数字切片来源于玻璃切片,数字切片库的建立具有多种用途及意义:①高清晰度的数字切片系统,全天候开放,有利于学生课前预习及课后复习;②包括整张切片全视野的信息,分辨率高,图片清晰,色彩逼真;③数字切片的使用不依赖于显微镜,而是利用相应的图像浏览软件进行观察,用鼠标操作可以选择切片任意位置,进行定倍及任意倍率的放大或缩小,模拟显微镜观察模式,不产生图像信息失真,图像浏览软件可以安装在实验室电脑、学生的个人电脑或教学网站上,因此,学生在没有显微镜和玻璃切片时也能自由观察切片,不受时间和空间的限制,满足学生个性化学习方式的需求,使得学习更加便利有效;④避免因组织切片资源紧缺、组织切片的破损与丢失(尤其是难以获得的切片)而影响学生考试期间的复习,既节约了教学消耗,又提高教学资源的利用率,更有利于资源共享;⑤考试内容统一,不受切片质量影响,确保了考试的客观性;⑥随着数字切片库的不断更新,丰富了教学内容,使得课堂教学更加直观,通俗易懂,提高学生的学习兴趣。

2.数字切片的制作

数字切片制作系统主要由硬件系统和软件系统组成。硬件系统主要包括显微镜加装步进电机、摄像机和控制键盘。软件系统主要由图像采集和控制以及图像融合和拼接功能模块组成。制作数字切片时,首先,利用全自动显微镜在低倍物镜(4×)下对玻璃切片进行快速扫描,显微扫描平台自动将切片沿X/Y轴方向扫描移动和Z轴方向自动聚焦而得到图像。在选定扫描区域后转到高倍物镜(40 ×)下进一步扫描,以获得高分辨率的数字图像。专业真彩色的大幅面CCD保证了较高的分辨率和保持标本的真实色彩。相应的扫描控制软件和图像压缩与存储软件将扫描的切片自动进行无缝拼接和处理,存储并建立数字切片库。利用该系统,我们将制作精美、结构典型的玻璃切片,建立为完整的数字切片库存储在计算机或存储介质中,按不同章节或不同系统进行分库保存[1]。

3.数字切片的应用

3.1 数字切片在组织胚胎学实验课教学资源管理中的应用

数字切片的出现将组织胚胎学实验教学的教学资源管理与应用提高到一个新的水平。将传统切片制作成数字切片,并由此建立组织胚胎学数字切片库,改变了传统教学资源的存储和管理方式。建立切片库可以长期保存珍贵切片,不仅极大地方便了教学资源的查询、调阅,也有效解决优质典型玻璃切片片源不足带来的教学问题,既节约了教学消耗,提高教学资源的利用率,又有利于资源共享。

3.2 数字切片与显微数码互动系统相结合在组织胚胎学实验课教学中的应用

3.2.1 数字切片为组织胚胎学实验教学和学术交流提供了有效教学工具,可完全脱离显微镜进行阅片交流。基于数字切片库的建立,利用显微数码互动系统中的图像编辑软件(我们学校目前使用易创显微图像处理软件-MIE V4.0),教师可以将数字切片进行编辑、标注、旁白等处理。由于数字切片扫描整张切片,因此教师通过数字切片中一个缩略的导航图就可以指导学生看到图像的全貌和当前所在的位置。点击典型结构区局部放大或缩小,方便讲授,十分直观又通俗易懂。学生可直接通过自己的电脑接收显示课件内容,能近距离观察切片,这样也避免传统教学应用大屏幕播放时,因距离屏幕较远而导致对细微结构观察不清楚的缺陷。在实验课过程中,学生以往是参照图谱来观察玻璃切片,寻找典型结构。然而,图谱只能再现典型结构,起示教作用,不能引导学生如何从整张切片中定位寻找这些结构。数字切片比图谱具有更好的指导性,学生参照编辑标注好的数字切片观察玻璃切片,能更快更好地理解和掌握切片的内容,提高学习效率。

3.2.2 应用数字切片和显微数码互动系统能组织生动活泼的实验讨论课,教师将重点难点的数字切片作为疑难标本,附加一些文字问题,作为学生讨论的内容。讨论可以通过互动系统的语言或文字交流软件进行,组间讨论互不干扰。每组学生由代表发言,用互动系统的“示范”功能向全体学生机展示图片,集体参与讨论并总结。学生之间以协作伙伴的关系相互交流和借鉴,实现合作学习模式,激发学习热情,启发思维,培养发现和解决问题的能力,充分发挥学生在教学中的主体作用,学生主动发现问题和解决问题的能力得到更多的培养。

3.3 数字切片在教师备课和学生自主学习中的应用

不断更新、内容丰富的数字切片库为教师编写课件提供了很好的素材,节约大量的资料搜集时间,教师将更多的精力投入在讲解方法和内容的准备上,使得备课更加有效。此外,利用图像编辑软件,将数字切片进行剪接、编辑、标注等处理,教师备课更加方便,而且课件制作更加灵活多样,课件制作质量显著提高。

传统教学使用的玻璃切片限制了学生自由复习的时间和空间。有了数字切片,利用网络进行远程传输与资源共享,学生在课前和课后都能可利用校园网在个人电脑上学习,非常便捷。因此,数字切片库的建立和应用在一定程度上能促进学生学习主动性的发挥和自学能力的培养。由于学生机都配置了数码摄像系统,学生可以将自己所观察到的图片随时照相保存,存储在计算机中有利于随时调出浏览复习,而且也能用U盘拷贝,便于课后复习使用,使得学习方法灵活多样。

3.4 数字切片在组织胚胎学实验考试中的应用

传统的组织胚胎学实验考试题型呆板、内容单一,对学生的考核比较片面,主要是以组织切片结构辨认为主,这样很容易因为玻璃切片的个体差异而导致答题难易程度不一致,采用数字切片与显微数码互动系统结合,可以避免这种情况的发生,为学生提供公平、公正的考试环境。对数字切片进行编辑、裁剪、标注等处理,可以设计出新颖活泼的题型,能全面、客观地考核学生。每位学生都可利用自己的电脑答题,教师利用互动系统“监控”学生答题过程,学生将答案以共享文件夹的方式发送到教师机中,整个考试过程都各自独立完成,使得考试更加公正严谨,客观真实地反映学生成绩。新的考试模式既考察了学生对知识的了解程度,同时也考察了学生的动手能力和实践技能,体现了实验课的实践性[1],又可使考试内容在深度广度上得到扩展,可对学生的精细观察辨别能力进行准确判断[3]。

4.数字切片和显微数码互动系统相结合推动组织胚胎学教学改革

信息化时代,网络技术的发展不断影响和改变人们的思维与生活方式,同样也为组织胚胎学及其他形态学科教学改革提供了机遇。数字切片结合显微数码互动系统应用于组织胚胎学实验课堂教学、远程教学以及学术交流等,经济实用、操作方便,显著提高教学质量,有力地推动组织胚胎学科教学改革,在教学、科研领域中显示出无可比拟的优越性和广阔应用空间。然而,数字切片与显微数码互动系统应用于组织胚胎学实验教学仍面临许多问题,如:①编写实验教材适应数字切片和互动系统的应用;②培训教师和学生使用数字切片浏览软件和互动系统操作软件,最大限度地利用它们的功能;③整合重组形态学相关学科的实验内容[4],设置综合性和设计性形态学实验教学内容;④进一步开发和优化数字切片与互动系统软件的功能,以适应多学科交叉教学改革和多领域与多专业间的相互融合等。

总之,数字切片具有美好而广阔的应用前景,可以为各种级别的教学、医师培训、学术交流中专家讲学、病例会诊、病理读片会、病理科信息管理、科研结果的核实等提供有效的教学工具和交流平台,在极大程度上推动形态学教学改革。

[1]叶翠芳,李和,杨世明.数字切片在形态学实验教学中的应用.山西医科大学学报,基础医学教育版,2008, 10(4):497-499

[2]苏红星,宋爱利,董小黎,等.数字网络虚拟显微互动系统在形态学实验教学中的应用.中华医学教育杂志, 2006,26(6):142-143

[3]刘莉,邢文英,金辉,等.显微数码互动系统在人体组织学实验教学中的应用效果评价.解剖学杂志,2007, 30(6):823-825

[4]冯天元.医学形态学实验教学改革初探.山西医科大学学报:基础医学教育版,2005,7(4):407-409

G642.0

A

10.3870/zgzzhx.2010.04.020

2009-12-13

2010-05-21

庄宝祥,男(1980年),汉族,助理实验师。