数字切片网络系统在形态实验教学中的应用

张秉义，成少利

(西安交通大学医学部基础医学院，陕西 西安 710061)

培养高素质创新型人才是现代高等教育发展的总体目标，随着全球互联网技术飞跃式发展，医学实验教学手段已经提升到前所未有的高度，实验教学资源信息化水平的程度已成为建设“双一流”大学的考量指标及综合实力的体现，实验过程是将理论知识转化为实践技能，进行能力训练的一个重要环节，有利于知识的巩固与吸收，也是产、学、研相结合的基地。我们在实验教学的不断深化改革与探索中发现，只有不断更新实验教学内容，方法和手段，提高质量，使学生能够接受先进的科学技术，掌握先进的实验操作规程，才能适应社会经济建设发展对人才的需求。

1 数字切片网络教学系统的构建

数字切片网络教学系统[1]由全自动数字切片自动扫描系统和形态教学局域网构成。数字切片库的图像均来自我校多年使用的教学切片，由相关学科教师精心挑选最佳的切片,经过全自动数字切片自动扫描系统采集并上传形态学网络服务器。四个形态学教学实验室(主要用于组织学和病理学实验教学)均由路由器将教师计算机与每台学生计算机连接到区域网服务器(图1)。该数字切片网络系统由安装在教学切片服务器内的DSE系统和数字切片库构成，利用数字切片教学网络系统，通过IE浏览器阅览数字切片。实验教学中心采用典型的百兆位以太网星型拓扑结构的网络先进技术，获得实验室之间的数据交换，并可主控实验室教师及学生的计算机和显微镜。作为形态学教学中心与外界交流的一个窗口以及成为教师和学生提供网络空间，并经服务器与外网相连获取网络资源。建立形态学教学网站(Http://xingtai.xjtu.edu.cn)和形态学网络教学平台(http://202.117.227.18/DSE)。建立文件及视频点播服务器，实行用户密码登录，为师生随时随地免费开放式使用。

2 数字切片网络教学系统的功能

2.1 数字切片生物化成像变倍处理

根据高等学校制定的教学大纲选择切片种类，按照教学进度以及学科各章节内容要求，设置总体目录接口(图2)。就像电子书翻页的方式一样，容易操作和观察。数字切片库背景图像处理功能，可对数字切片颜色增强、清晰度调节、伽马值校正等，该系统提供拍照功能，制成数字切片文件。一张数字切片可生成JPG或BMP格式的任意数量图像。在教师或学生计算机的终端上，通过IE浏览器可用两种模式观察数字切片，直接通过鼠标的滚轮上下滑动，任意调节连续变倍范围可达到0.4倍至80倍，犹如模拟显微镜固定放大率进行无极变倍观察。

2.2 系统信息融合浏览

由自动显微镜系统获得的高质量数字切片图像[3]，能够保证该切片图像信息的完整性与真实性，包括整体结构信息，图片光密度、色度相关信息等，完全满足读片的要求，随意观察不同倍率下切片真实图像。可以将各层面聚焦清晰的图像进行融合处理，把切片中特定点标记存储下来，方便查阅使用，只需单击屏幕快捷键将该点移动到屏幕上，且可以被多用户同时查阅与讨论。对于病理切片，能够建立起病例快速准确的进行对照，实现在线远程及时会诊。

2.3 图像注解和标识功能

该系统具备多种图像处理功能，对图像进行文字标注与简单测量分析，也可以进行图像的标准化分析与统计等处理。如果缺乏必要的数字切片的注解和标识，对于网络教学应用于学生自主学习必然造成一定困难。因此，组织相关学科教师对每张切片进行重要的注解和标识，既方便学生自主学习，也提高了学生的学习兴趣[4]。

2.4 数字切片安全保障性

数字切片标本是通过讲课教师经过多年积累的教学经验，全面而细致地从数百张示教组织标本切片中精心挑选多视野典型性中而形成的，如果安全性差，必然导致非常严重的后果，为了提高数字切片的安全性，我们选择加密狗、口令密码等方式对切片进行浏览阅读扫描，从而确保新的教学体系顺利进展和教学改革的深入发展，提升实践教学的效率和效果。总而言之，数字切片网络自学自测为一体的资源服务系统，有效地实现个性化及高效益教学[5]新模式，同时为继续教育和在岗培训的远程教学，提供了优秀的门户网站。

3 数字切片网络系统在形态学实验教学中的应用

3.1 开放式在疫情期网上实验教学中发挥重要作用

高清晰度的数字切片系统全天24小时全面开放，师生可以跨时空，无论在实验室、宿舍、教室及自习室，特别是在当前这次新型冠状病毒发作期间，学生不能到学校上实验课，就能在自家里用电脑或手机移动终端共享，可在任何地点通过校园网络，观察编辑标注好的数字切片，指导性强，能更快更好地理解和掌握切片内容，学习时间灵活安排，方便于学生课前预习及课后复习，远程学习提高了学习效率，教师在网上解答学生提出的问题，促进了学习主动性和自学能力的培养。诱导学生潜能，发挥其聪明才智，利于学生个性化的发展，培养创新意识，充分发挥学生的想象力和创造力。

图2 数字切片网络教学系统主界面

图3 数字切片网络教学系统浏览界面

3.2 形成协作创新学习模式

由于人体组织结构标本取材的伦理性限制、疾病发病趋势及诊断治疗手段的不断提高更新，一些典型病例已经很难找到，玻璃切片又容易破损、且易褪色(组织学特殊染色及免疫组化染色)，珍贵示教片直接扫描保存为教学使用，随时选择演示，便捷且质量有一定保证。教师将重点、难点进行标注，附加一些文字说明或提出相关教学问题，作为学生思考讨论的内容，促进了学生之间交流和协作，实现合作学习的新模式，激发学习热情，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，形成创新学习的良好风围。

3.3 获取实践教学成果

教学资料分类保存均可通过阅读日期、切片特征、疾病症状、解剖部位与图像类型等关键词进行快速检索、调阅，有效解决了教学切片资源不足的问题，特别是对于一些少见疾病或病原微生物制成的玻片标本，可以解决大量的教学切片自然损耗问题，省时省力省经费。依靠网络系统可全面地提高了教学资源利用率，统管共用。通过参与培养锻炼自主科研能力，结合自己对所学课程兴趣和科研实际，深入了解基础医学研究的基本思维方法，构建一个有宽度(实验内容丰实)，厚度(基础和综合实验)，尖峰(有余力学生创新高度)的金字塔结构的新教研体系，使学生具有初步设计，分析问题解决问题能力，部分学生具有科研能力和创新基础。近几年来，我们的本科毕业学生有一定数量创新实践能力强，已在国内外重大比赛中多次获奖，有的研究实践成果获省部级奖励。

3.4 实验平台远程交流共享

数字切片图像资源库有利于教学内容纵、横向对比。例如，病因学与正常形态学和异常的病理解剖学的大体显微镜下微细结构变化，在与临床病症表现比较等教学方法革新，数字切片图像资源库经过不断更新，使其内容更加丰富。剪接和编辑标注处理，使教师制作课件更加灵活多样，实现资料共享。通过这种宽面纵深式的学习模式，促进多学科知识有机融合，大力发展高校科研院所跨地域的同医疗机构对于典型病例或罕见病症的远程教学会诊及病案讨论手段，培养自主学习兴趣，激发探究医学奥秘的热情，实现教育方式多样性，加快我国医学教育技术水平国际化与现代化的发展进程。特别是在这次疫情中得到了充分的体现。

3.5 利于实验课程考试模式新转变

过去传统的切片考核，在考前必须组织装配大量的教学切片，由于受切片种类、数量及质量等各方面的影响，导致考试内容及难易程度不一。而多媒体截图用于考试的缺点在于高倍图像观察区域局限，不利于学生观察切片全貌或低倍镜图像下的微细结构。数字切片网络教学系统应用于形态学实验考试，变得简单易行，趋向于知识的标准化。教学人员对数字切片进行编辑、裁剪与标注等处理，制作成实验考试的数字切片库，考试时学生无须在显微镜下寻找，可直接在电脑上进行全面及局部重点观察，增加了浏览组织信息量，以便按照考试要求做全面而准确的详细解答，这样就能更好地克服传统考试的弊端，确保考试的公平与公正性。

4 讨论

数码互动教学网络系统，是数字切片理想的应用平台，对传统玻璃切片教学存在的不足[6]得到了有效地补充，也带动了数字切片教学系统的实际应用，同时，可把互动教学模式，延伸到校园网络平台，以及 Internet网上，建立其完整的数字切片教学网络系统，充分整合教学资源，提升教学水平。

数字切片网络教学系统为形态学科的组织与胚胎学、病理解剖学、微生物学、动植物学、寄生虫学以及细胞生物学和遗传学实验教学带来了突破，为形态学实验教学和学术交流提供了有效工具。

形态学数字切片网络实验教学，将传统病理组织学切片实现数字化，以进行存储与管理，防止玻璃切片人为破碎、自然褪色等，减轻了切片重复制作与保存，同时，建立数字切片图像库，方便了切片资源的检索及进一步开放利用研究的价值。 完整的数字切片信息，教师充分利用数字切片资源，制作多媒体教学课件，建立精品课程。通过 Internet网进行远程教学，提供飞越时空的交流与研讨。数字切片库及时更新增强了学习实效性。通过构建形态教学局域网，建立形态学数字切片实验教学平台，开创了教师授课与学生自主学习的良好氛围，使教师可以有更多的时间投入到教学改革及医学课题研究之中，避免教师在教室与课程管理上精力与时间的无形浪费。通过传统显微镜与数字切片相互补充教与学，既注重了学生使用显微镜的操作，也激发了学生学习兴趣[7]，提升了实验课程教学的效果。

通过我校基础医学形态实验教学中心自从2017～2019年五个学期的教学使用，教学效果得到显著提高，受到师生们及兄弟院校的一致好评。主要体现在两个方面：由于数字切片选择来自多年教学过程中质量优良的教学切片，无论是结构的典型性还是切片的制作工艺完美均为最佳。而且数字切片是通过切片扫描系统的精心制作，因而数字切片相对传统教学的玻璃切片，计算机展示效果明显优于通过显微镜的观察效果。一方面，学生的辨识能力和精确度都得到极大的提升；另一方面，数字切片通过计算机在IE浏览器直接操作，教师进行示范讲解时，可以通过显示在屏幕左上方的整个切片地图画面，对切片任意的定位，极大地方便了对切片示教的过程。既可以直接找到欲展示的切片内容，也可以在需要对展示内容和已经讲解的内容进行对比时，方便找回欲观察的部分。对于学生而言，对欲观察的内容免除了显微镜繁琐调节高低倍镜间的转换过程，特别是高倍镜下，节约了学生有限的阅片时间，从而增加观察切片的数量，也可以充分利用这些时间更好地展开随堂讨论，深化对教学内容的理解，解决疑难问题，更加拓展了学生的知识视野及学习兴趣，全面提高了医学形态实验教学的效果。

数字切片库是从玻璃切片扫描而得到生物数字化图像，其图像质量完全取决于玻璃切片组织的结构质量和典型性，所以数字切片仍不能从根本上取代传统玻璃切片，依然必须拥有种类齐全、制作精美且典型性强的玻璃切片库，才能制备成同样完美的数字切片库。这就完全取决于一支专业知识扎实，技能完备的实验技术团队，只有不断提高制作切片技术，随时采集积累各种典型标本，逐渐完善丰富数字切片库。同时加强对网络平台、网页制作的补充与日常维护管理工作，以保证开放式教学适应现代化教学环境。因此，只有重视实验教学环节，让实验教学发挥其应有的作用，才能培养出更多具有创新精神和实践能力的高素质实用性医学优秀人才，为医学高等教育开辟更广阔前景，服务于整个人类社会，极大地减轻突发疫情流行等疾病对广大人民群众生命财产造成的严重损害。