數字切片在組織胚胎學實驗教學中的應用

莊寶祥王岱君張圣明馬曉君吳洪娟王金平

(1濰坊醫(yī)學院形態(tài)學實驗室;2濰坊醫(yī)學院人體解剖學教研室山東261053)

數字切片在組織胚胎學實驗教學中的應用

莊寶祥1王岱君1張圣明1馬曉君1吳洪娟1王金平2

(1濰坊醫(yī)學院形態(tài)學實驗室;2濰坊醫(yī)學院人體解剖學教研室山東261053)

傳統(tǒng)的組織胚胎學實驗課以觀察玻璃切片為主,玻璃切片在實驗教學使用中存在易褪色、不易永久保存和使用時受時間和空間限制等缺陷,利用全自動顯微鏡掃描系統(tǒng)將玻璃切片制作為數字切片,結合顯微數碼互動系統(tǒng)和校園網絡系統(tǒng)應用于組織胚胎學實驗教學,不僅能有效解決優(yōu)質典型玻璃切片片源不足帶來的教學問題,也有利于教師的備課講解、學生的復習與討論以及師生間的互動,推動了組織胚胎學實驗教學和考試模式的改革。該文主要介紹組織胚胎學數字切片的特點、應用及發(fā)展前景。

數字切片;組織胚胎學;實驗教學

組織胚胎學是醫(yī)學院校重要的基礎課程之一,是研究人體在顯微鏡下的結構及其功能關系和個體發(fā)生及其發(fā)育規(guī)律的學科,其內容具有平面和立體、靜態(tài)和動態(tài)、局部和整體相結合的特點,屬形態(tài)學課程。近年來,為了提高組織胚胎學實驗教學質量,集數碼顯微鏡、圖像處理系統(tǒng)、語音交流系統(tǒng)、應用軟件系統(tǒng)為一體的顯微數碼互動系統(tǒng)被應用于組織胚胎學實驗教學。在此基礎上,我們應用數字切片掃描與應用系統(tǒng),將傳統(tǒng)的玻璃切片轉換為數字切片,數字切片也稱虛擬切片,它是通過計算機控制自動顯微鏡移動,并對觀察到的傳統(tǒng)切片進行全自動聚焦掃描,逐幅自動采集數字化的顯微圖像,高精度、多視野、無縫隙自動拼圖,自動拼接成一幅定態(tài)切片的數字圖像。目前,有關醫(yī)用數字切片的制作及應用已經引起人們的關注[1-2]。開展數字切片研制以及結合顯微數碼互動系統(tǒng)應用于組織胚胎學實驗教學的研究,對改革組織胚胎學實驗課教學模式、教學方法具有重要意義。

1.玻璃切片與數字切片的比較

1.1 玻璃切片的局限性

目前,組織胚胎學實驗教學主要以細胞或組織標本的玻璃切片為觀察對象,在使用中存在較大的局限性:①學生對切片的觀察必須局限在實驗室,借助于顯微鏡才能使用,因此學生學習的時間和空間受到一定程度的限制;②玻璃切片在制作和使用過程中都易破損,而且標本容易褪色,不易永久保存;③為了滿足教學的需求,需要制備大量的切片,不僅成本高,而且也很難保證每張切片的制作質量,不利于典型結構的觀察和示教。傳統(tǒng)玻璃切片的這些局限性影響實驗教學的效率[1],也妨礙學生的自主學習。

1.2 數字切片的特點

數字切片來源于玻璃切片,數字切片庫的建立具有多種用途及意義:①高清晰度的數字切片系統(tǒng),全天候開放,有利于學生課前預習及課后復習;②包括整張切片全視野的信息,分辨率高,圖片清晰,色彩逼真;③數字切片的使用不依賴于顯微鏡,而是利用相應的圖像瀏覽軟件進行觀察,用鼠標操作可以選擇切片任意位置,進行定倍及任意倍率的放大或縮小,模擬顯微鏡觀察模式,不產生圖像信息失真,圖像瀏覽軟件可以安裝在實驗室電腦、學生的個人電腦或教學網站上,因此,學生在沒有顯微鏡和玻璃切片時也能自由觀察切片,不受時間和空間的限制,滿足學生個性化學習方式的需求,使得學習更加便利有效;④避免因組織切片資源緊缺、組織切片的破損與丟失(尤其是難以獲得的切片)而影響學生考試期間的復習,既節(jié)約了教學消耗,又提高教學資源的利用率,更有利于資源共享;⑤考試內容統(tǒng)一,不受切片質量影響,確保了考試的客觀性;⑥隨著數字切片庫的不斷更新,豐富了教學內容,使得課堂教學更加直觀,通俗易懂,提高學生的學習興趣。

2.數字切片的制作

數字切片制作系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要包括顯微鏡加裝步進電機、攝像機和控制鍵盤。軟件系統(tǒng)主要由圖像采集和控制以及圖像融合和拼接功能模塊組成。制作數字切片時,首先,利用全自動顯微鏡在低倍物鏡(4×)下對玻璃切片進行快速掃描,顯微掃描平臺自動將切片沿X/Y軸方向掃描移動和Z軸方向自動聚焦而得到圖像。在選定掃描區(qū)域后轉到高倍物鏡(40 ×)下進一步掃描,以獲得高分辨率的數字圖像。專業(yè)真彩色的大幅面CCD保證了較高的分辨率和保持標本的真實色彩。相應的掃描控制軟件和圖像壓縮與存儲軟件將掃描的切片自動進行無縫拼接和處理,存儲并建立數字切片庫。利用該系統(tǒng),我們將制作精美、結構典型的玻璃切片,建立為完整的數字切片庫存儲在計算機或存儲介質中,按不同章節(jié)或不同系統(tǒng)進行分庫保存[1]。

3.數字切片的應用

3.1 數字切片在組織胚胎學實驗課教學資源管理中的應用

數字切片的出現將組織胚胎學實驗教學的教學資源管理與應用提高到一個新的水平。將傳統(tǒng)切片制作成數字切片,并由此建立組織胚胎學數字切片庫,改變了傳統(tǒng)教學資源的存儲和管理方式。建立切片庫可以長期保存珍貴切片,不僅極大地方便了教學資源的查詢、調閱,也有效解決優(yōu)質典型玻璃切片片源不足帶來的教學問題,既節(jié)約了教學消耗,提高教學資源的利用率,又有利于資源共享。

3.2 數字切片與顯微數碼互動系統(tǒng)相結合在組織胚胎學實驗課教學中的應用

3.2.1 數字切片為組織胚胎學實驗教學和學術交流提供了有效教學工具,可完全脫離顯微鏡進行閱片交流?；跀底智衅瑤斓慕?利用顯微數碼互動系統(tǒng)中的圖像編輯軟件(我們學校目前使用易創(chuàng)顯微圖像處理軟件-MIE V4.0),教師可以將數字切片進行編輯、標注、旁白等處理。由于數字切片掃描整張切片,因此教師通過數字切片中一個縮略的導航圖就可以指導學生看到圖像的全貌和當前所在的位置。點擊典型結構區(qū)局部放大或縮小,方便講授,十分直觀又通俗易懂。學生可直接通過自己的電腦接收顯示課件內容,能近距離觀察切片,這樣也避免傳統(tǒng)教學應用大屏幕播放時,因距離屏幕較遠而導致對細微結構觀察不清楚的缺陷。在實驗課過程中,學生以往是參照圖譜來觀察玻璃切片,尋找典型結構。然而,圖譜只能再現典型結構,起示教作用,不能引導學生如何從整張切片中定位尋找這些結構。數字切片比圖譜具有更好的指導性,學生參照編輯標注好的數字切片觀察玻璃切片,能更快更好地理解和掌握切片的內容,提高學習效率。

3.2.2 應用數字切片和顯微數碼互動系統(tǒng)能組織生動活潑的實驗討論課,教師將重點難點的數字切片作為疑難標本,附加一些文字問題,作為學生討論的內容。討論可以通過互動系統(tǒng)的語言或文字交流軟件進行,組間討論互不干擾。每組學生由代表發(fā)言,用互動系統(tǒng)的“示范”功能向全體學生機展示圖片,集體參與討論并總結。學生之間以協(xié)作伙伴的關系相互交流和借鑒,實現合作學習模式,激發(fā)學習熱情,啟發(fā)思維,培養(yǎng)發(fā)現和解決問題的能力,充分發(fā)揮學生在教學中的主體作用,學生主動發(fā)現問題和解決問題的能力得到更多的培養(yǎng)。

3.3 數字切片在教師備課和學生自主學習中的應用

不斷更新、內容豐富的數字切片庫為教師編寫課件提供了很好的素材,節(jié)約大量的資料搜集時間,教師將更多的精力投入在講解方法和內容的準備上,使得備課更加有效。此外,利用圖像編輯軟件,將數字切片進行剪接、編輯、標注等處理,教師備課更加方便,而且課件制作更加靈活多樣,課件制作質量顯著提高。

傳統(tǒng)教學使用的玻璃切片限制了學生自由復習的時間和空間。有了數字切片,利用網絡進行遠程傳輸與資源共享,學生在課前和課后都能可利用校園網在個人電腦上學習,非常便捷。因此,數字切片庫的建立和應用在一定程度上能促進學生學習主動性的發(fā)揮和自學能力的培養(yǎng)。由于學生機都配置了數碼攝像系統(tǒng),學生可以將自己所觀察到的圖片隨時照相保存,存儲在計算機中有利于隨時調出瀏覽復習,而且也能用U盤拷貝,便于課后復習使用,使得學習方法靈活多樣。

3.4 數字切片在組織胚胎學實驗考試中的應用

傳統(tǒng)的組織胚胎學實驗考試題型呆板、內容單一,對學生的考核比較片面,主要是以組織切片結構辨認為主,這樣很容易因為玻璃切片的個體差異而導致答題難易程度不一致,采用數字切片與顯微數碼互動系統(tǒng)結合,可以避免這種情況的發(fā)生,為學生提供公平、公正的考試環(huán)境。對數字切片進行編輯、裁剪、標注等處理,可以設計出新穎活潑的題型,能全面、客觀地考核學生。每位學生都可利用自己的電腦答題,教師利用互動系統(tǒng)“監(jiān)控”學生答題過程,學生將答案以共享文件夾的方式發(fā)送到教師機中,整個考試過程都各自獨立完成,使得考試更加公正嚴謹,客觀真實地反映學生成績。新的考試模式既考察了學生對知識的了解程度,同時也考察了學生的動手能力和實踐技能,體現了實驗課的實踐性[1],又可使考試內容在深度廣度上得到擴展,可對學生的精細觀察辨別能力進行準確判斷[3]。

4.數字切片和顯微數碼互動系統(tǒng)相結合推動組織胚胎學教學改革

信息化時代,網絡技術的發(fā)展不斷影響和改變人們的思維與生活方式,同樣也為組織胚胎學及其他形態(tài)學科教學改革提供了機遇。數字切片結合顯微數碼互動系統(tǒng)應用于組織胚胎學實驗課堂教學、遠程教學以及學術交流等,經濟實用、操作方便,顯著提高教學質量,有力地推動組織胚胎學科教學改革,在教學、科研領域中顯示出無可比擬的優(yōu)越性和廣闊應用空間。然而,數字切片與顯微數碼互動系統(tǒng)應用于組織胚胎學實驗教學仍面臨許多問題,如:①編寫實驗教材適應數字切片和互動系統(tǒng)的應用;②培訓教師和學生使用數字切片瀏覽軟件和互動系統(tǒng)操作軟件,最大限度地利用它們的功能;③整合重組形態(tài)學相關學科的實驗內容[4],設置綜合性和設計性形態(tài)學實驗教學內容;④進一步開發(fā)和優(yōu)化數字切片與互動系統(tǒng)軟件的功能,以適應多學科交叉教學改革和多領域與多專業(yè)間的相互融合等。

總之,數字切片具有美好而廣闊的應用前景,可以為各種級別的教學、醫(yī)師培訓、學術交流中專家講學、病例會診、病理讀片會、病理科信息管理、科研結果的核實等提供有效的教學工具和交流平臺,在極大程度上推動形態(tài)學教學改革。

[1]葉翠芳,李和,楊世明.數字切片在形態(tài)學實驗教學中的應用.山西醫(yī)科大學學報,基礎醫(yī)學教育版,2008, 10(4):497-499

[2]蘇紅星,宋愛利,董小黎,等.數字網絡虛擬顯微互動系統(tǒng)在形態(tài)學實驗教學中的應用.中華醫(yī)學教育雜志, 2006,26(6):142-143

[3]劉莉,邢文英,金輝,等.顯微數碼互動系統(tǒng)在人體組織學實驗教學中的應用效果評價.解剖學雜志,2007, 30(6):823-825

[4]馮天元.醫(yī)學形態(tài)學實驗教學改革初探.山西醫(yī)科大學學報:基礎醫(yī)學教育版,2005,7(4):407-409

G642.0

A

10.3870/zgzzhx.2010.04.020

2009-12-13

2010-05-21

莊寶祥,男(1980年),漢族,助理實驗師。