手機版無線體視成像互動教學系統

李玉明，麻彩萍，王菁蘭，李 鵬，鄭 馳，張貴友

（1. 清華大學 生命科學學院，北京 100084；2. 寧波永新光學股份有限公司，浙江 寧波 315100）

近年來，隨著新材料、新技術的不斷發展，顯微成像技術在生命科學領域得到了廣泛的應用[1-4]。通過提供微觀成像、圖像采集、傳輸和數據分析等功能，顯微成像技術以客觀真實和軟件分析功能強大等優點率先在科研工作中得到應用并快速發展[5-8]，其中不乏徠卡、奧林巴斯、蔡司等國際高端產品。從提升教學水平和學與研相結合的角度來看，傳統實驗教學中的手繪制圖方式已不適合現代教學，必將隨著成像技術的發展與應用逐漸被數字顯微成像方式所取代。因此，將數字顯微成像技術引入實驗教學將為提高教學水平提供更好的支撐和保障。

科研級體視成像系統能很好地配合實驗教學，采集圖像，進行教學演示，但因為價格昂貴、占用空間大而限制了設備的數量，上課時學生往往需要排隊等候較長時間。顯微互動教學系統[9-12]一定程度上解決了上述問題；但需要對每臺顯微鏡進行聯網布線，配置電腦或平板及安裝與更新軟件，增大了設備管理投入；為了避免計算機染毒，只能由助教統一上傳實驗結果，學生下載后才能使用圖片完成實驗報告，經費、空間要求高，且浪費了學生不少課上、課下時間。如能設計一套性能符合教學要求的無線成像互動教學系統，既能擺脫添置設備，占用實驗室空間的困擾，又能保證每位學生人手一臺，進行實時采集圖像和下載實驗結果，將能很好地解決目前的問題。

隨著無線網絡技術廣泛應用及近年來手機等移動客戶端不斷普及，人們的生活、學習方式都在不斷地發生改變。這些變化也為進一步提升教學水平、滿足師生需求、推進實驗技術改革與創新提供了契機。2017 年作者單位正式啟動“手機版無線體視成像互動教學系統” 研制項目。研制目標是：達到教學要求的單機體視成像效果；全無線連接方式，便于移動設備的使用；使學生手機或其他移動終端進入課堂成為實驗儀器；保證一定數量的學生同時使用時數據采集、傳輸的速度及穩定性；節省實驗室空間、降低成本、減輕實驗室管理工作。

1 系統工作原理

本系統可實現單機體視顯微圖像的采集和多臺單機與教學終端的交互功能。系統由學生移動終端、學生用體視成像系統、無線路由器系統、教學終端、相關軟件等組成，如圖1 所示。

圖1 手機版無線體視成像互動教學系統的組成及工作原理

1.1 學生移動終端

移動終端包括手機、平板電腦等，用于接收由體視成像系統傳到無線路由器的實時動態圖像，以及與教學終端互傳文件。

1.2 學生用體視成像系統

該系統包括體視顯微鏡、電荷耦合器件（CCD）、控制器、無線接入點，利用原有體視顯微鏡改造而成（見圖2），可實現光學成像及其數字轉換、連接無線路由器等功能。

1.3 無線路由器系統

該系統可實現以下功能：

圖2 體視成像系統的結構改造

（1）圖像采集功能。將體視鏡下的光學成像通過數字傳感器處理成數字信號，經固定IP 地址的無線接入點發送到無線路由器系統，學生移動終端連接到無線路由器系統，通過軟件中的登錄功能實現與某個指定IP 的連接，即可得到對應的體視鏡下的實時動態圖像（見圖1 中右側黑色實線所示）。

（2）圖像傳輸功能。所有體視鏡下圖像經無線路由器系統，實時傳輸到教學終端的圖像傳輸模塊（見圖1 中右側紅色虛線所示）。

（3）課堂互動功能。通過無線路由器系統，學生手機終端與教學終端的課堂互動模塊無線連接，實現文件的傳輸（見圖1 中左側綠色虛線所示）。

1.4 教學終端

教學終端包括圖像傳輸模塊和課堂互動模塊。兩模塊通過無線路由器分別與體視成像系統和學生移動終端無線連接，以瀏覽所有學生鏡下圖像和進行文件互傳。

2 主要技術指標

（1）JSZ6 體視顯微鏡連續變倍比為6.1∶1，物鏡變倍范圍0.8～5.0。

（2）數據傳感器采用靜態500 萬像素CCD，動態分辨率最高達2k 像素（支持1 080 P 和2k 像素切換）。

（3）無線路由器系統由POE 交換機、無線接入控制器、無線路由器、多個無線接入點四部分組成。無線路由器支持5G 和2.4G Wi-Fi，通過信道隔離技術，以保證信號之間互不干擾。2.4G Wi-Fi 作為備用，服務于不支持5G Wi-Fi 的學生移動終端。

（4）教學終端Nowlab 2.0 軟件用于控制圖像傳輸模塊和課堂互動模塊。

（5）教學終端的圖像傳輸模塊可訪問并實時監控學生鏡下動態圖像。

（6）教學終端的課堂互動模塊與每一臺學生移動終端連接，實現屏幕廣播、接收作業及下發報告。

（7）學生移動終端用于鏡下圖像的觀察、拍照，與教師終端交互圖像或文件。

（8）通過掃碼連接應用市場下載、安裝和更新操作軟件Touchscope Pro。

（9）使用操作軟件實時顯示體視顯微鏡下的成像結果，并與教學終端進行教學互動。

（10）操作軟件支持IOS、Android、Windows 等操作系統。

（11）操作軟件包括相機、文件、拍照、微觀圖像、查看圖片、上課、宏觀圖像、截屏、中英文切換等功能模塊。

（12）微觀圖像模塊用于拍照，測量，保存和上傳圖片，調節曝光值、增益、亮度、對比度、銳度、白平衡、HDR、紅增益、綠增益、藍增益。

（13）宏觀圖像模塊用于拍攝當前標本圖像，上傳至教學終端。

（14）拍照模塊用于點擊學生移動終端屏幕自動拍照保存至相冊。

（15）截屏模塊用于一鍵實時記錄課堂重要內容。

（16）實驗步驟圖像可傳送到教學終端，實時記錄整個上課過程。

3 系統操作

3.1 學生移動終端使用

課前通過學生微信群和網絡學堂公布軟件下載二維碼和軟件使用說明書；學生提前下載安裝軟件。到實驗室后，按照圖3 的流程，無線連接體視鏡與手機，進行微觀、宏觀圖像的采集，圖片的保存與查看等操作（見圖4）。

圖3 圖像采集流程（以IOS 系統為例）

圖4 Touchscope Pro 軟件登錄界面與功能模塊（學生移動終端）

3.2 教學終端使用

安裝運行Nowlab2.0 軟件；打開軟件后需要綁定固定IP 地址；根據現場應用情況修改安裝路徑下的“IPList.ini” 文件，設置學生移動終端的IP 地址；打開軟件之后新建實驗以啟動軟件其他功能，或加載已建立的實驗；進入軟件的主功能區（見圖5）。

圖5 Nowlab2.0 軟件中微觀圖像界面（教學終端）

4 實驗教學中的應用

該系統已在清華大學生命科學學院開設的 “普通生物學實驗” 課程正式使用，用于現有實驗項目 “花的解剖結構觀察”（見圖6、7）。針對這套系統的功能特點，將該實驗項目改進為互動教學模式，每學年服務于300 名來自生命科學學院、醫學院、藥學院、化學系等院系的學生。并且該系統引起了其他課程教師的興趣，部分開設全校選修課程的老師已有計劃將這套系統納入課程的相應實驗教學計劃。相關人員使用后反饋如下。

圖6 學生使用手機采集圖像

圖7 學生實驗報告截圖

（1）任課教師認為：成像效果能夠達到目前教學要求，互動教學平臺的使用對教學方式的改進有促進作用。通過教學終端軟件的 “微觀圖像” 可以使用任何一臺學生用體視成像系統進行示教，鏡下的操作演示可以通過軟件的 “強制廣播” 實時發送到學生手機上或通過投影儀進行全班演示。某位學生的實驗結果也可以通過同樣的方式分享給全班同學。能夠動態掌握全班同學的實驗進行情況，發現并匯總常見問題，進行集中講解或提示學生操作，補充實驗要點。針對個別問題，能夠及時發現進而主動指導學生。該系統保證了每位學生單獨使用一臺儀器，提高了學生的課堂學習效率，激發了學生的學習興趣。

（2）學生認為：手機掃碼下載軟件方便，軟件操作簡單、采集圖像清晰、快速。課堂上可以隨時采集圖片并保存在手機上。只需要將拍好的圖片適當地標注即可在實驗報告中展示實驗結果，省時省力。

（3）實驗室管理人員認為：本套系統將硬件整合到原有體視鏡內部，既節約了成本又達到了采集圖像的目的。無線連接保證了多臺體視成像系統能同時穩定工作，并避免了實驗室大量布線。成像系統不用單獨配備電腦等顯示、控制設備，由學生的手機取代，占地空間小，便于移動收放，減少了儀器設備管理工作。軟件安裝到學生手機便于升級、不存在設備染毒問題。

5 結語

手機版無線體視成像互動教學系統的最大亮點是將手機、平板電腦等引入課堂，成為采集實驗結果的教學儀器，并借助全無線連接方式進行互動教學。這套系統性能優良、構造簡單、使用方便、價格低廉，更重要的是適合人數較多的教學實驗，切實為實驗教學水平的提高起到了保障與支撐的作用。