數字切片網絡系統在醫學形態學實驗教學中的運用探索

鄭黎明，成少利，車 金，張秉義

(西安交通大學醫學部基礎醫學院基礎醫學實驗中心，陜西 西安 710061)

醫學形態學涵蓋組織胚胎學、病理解剖學和細胞生物學等醫學基礎課。在其實驗教學過程中，學生需要借助顯微鏡觀察玻璃教學切片，學習識別組織細胞的微細結構，各種組織細胞的正常形態及病理變化，加深對理論知識及肉眼形態特征的理解和領悟，培養學生發現問題和解決問題的主動學習能力，為將來的醫學臨床課學習打好基礎，同時也掌握一定的形態學研究技術，為未來的醫學科學研究服務。隨著科學技術地不斷發展與提高，計算機網絡技術已經廣泛地應用于醫學形態學實驗教學中，尤其是近年來開展的數字切片網絡實驗教學系統的應用，對醫學形態學實驗教學模式的改革及實驗教學質量的提高具有重要意義。特別是在2020年初新冠疫情發生后，各高校采取網上教學。理論課網上教學易于完成，而實驗教學部分因受實驗環境，實驗器材的限制，影響了實驗教學的順利進行[1]。我們基礎醫學實驗教學中心建立的組織學與病理學數字切片實驗教學網絡系統克服了上述困難，發揮了積極作用，保證形態實驗教學順利完成。

1 數字切片網絡教學系統的建立

1.1 數字切片制作的原理

我校于2015年構建Motic VM數字切片掃描與應用系統[2]，通過全自動顯微鏡掃描平臺的掃描與控制軟件系統，對目標切片選定掃描區域進行高清晰度的掃描，掃描完成后，利用圖像融合和拼接軟件，進行無縫拼接，生成包括傳統玻璃切片內所有信息的一整張全視野的數字化切片。數字切片網絡系統通過數字切片局域網或校園網對數字切片進行流程化管理，通過網絡進行瀏覽觀察和交流(圖1)。

圖1 數字切片網絡系統網絡連接示意圖

1.2 數字切片制作過程

按照教學大綱要求，由經驗豐富的教師在我校現有的組織學和病理學實驗教學切片中選取工藝精良的，染色適度和具有典型結構特點的玻璃標本進行切片掃描，將玻璃切片的所有信息轉變成一整張全視野的數字化切片圖像文件。為方便教師和學生使用，對每張切片中的典型結構進行標注，按照章節將數字切片進行分類整理建立目錄樹。為了使數字切片達到光學放大與縮小的效果，通過采取在低倍鏡背景下采集整張切片視野作為切片地圖，然后在高倍物鏡下進行切片掃描，這樣高分辨率的數字切片可利用瀏覽軟件在一定的范圍內達到光學無極變倍，圖像不失真。在教學過程中隨時將較滿意的切片進行掃描，對數字化切片庫加以補充，同時不斷完善標識注冊等一系列工作。使切片庫的內容更加豐富，質量也進一步提高[3]。

1.3 數字切片的特點

數字切片來源于玻璃切片，但其與傳統的玻璃切片相比具有諸多的優點[4]。首先，數字切片制作完成后，可以永久性的保存和使用，從而彌補了傳統玻璃標本切片容易褪色、容易打碎和不容易永久性保存，需重新制作等缺陷，排除教學過程的損耗，節省大量人力物力成本，節約教學經費。其次，利用數字切片掃描系統使玻璃切片數字化，建立個性化完整的數字切片，可長期保存，同時不再需要玻璃切片的存儲空間。再次，切片掃描與應用系統是利用全自動顯微鏡掃描平臺，結合虛擬切片軟件系統，把傳統玻璃切片進行掃描，無縫拼接，生成全視野的數字化切片(也稱虛擬切片)。這樣在計算機上，如同在顯微鏡下，可進行不同倍率觀察(如2×，4×，10×，20×，40×等)，并在一定范圍實現連續變倍瀏覽切片，而且通過計算機與網絡系統，進行數字切片存儲，管理，觀察，分析和討論等。在形態學實驗教學中，數字切片具有傳統切片的所有展示內容，并且具有不受空間環境和時間限制的優點。相對傳統教學方式，利用數字切片網絡系統進行教學活動，從有限的課堂擴展到任何網絡都可及的范圍，實現跨時空的教學，打破了時間空間限制，延伸了實驗教學環境范圍，延長了實驗教學時間，使用更加方便，功能更強大，應用更廣泛。

2 新冠疫情期間數字切片系統在實驗教學過程中的作用

2.1 新冠疫情對實驗教學的影響

2020年春季受新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，我國高校延期開學。為充分保障正常教學秩序，教育部要求各高校做到“停課不停教，停課不停學”，充分利用先進的信息技術手段開展網絡教學活動，遠程線上教學既完成了教學任務，又能阻止疫情的傳播[5]。理論課線上教學易于完成，醫學形態學實驗課教學有大量的切片標本必須利用顯微鏡進行觀察，在網上教學無法實現。我們基礎醫學實驗中心建立的數字切片網絡系統包含所有教學切片圖庫，完全能夠滿足課余時間學習切片的實際需要。

2.2 新冠疫情期間網絡系統在實驗教學中的應用

2.2.1 新冠流行特殊時期教學方式的改變

新冠肺炎流行時，教學環境變化，師生面臨新挑戰，新形勢和新任務[6]。由以往面對面的實驗教學模式轉換為線上教學，教師和學生都需要一個適應過程，以往教學程序和經驗無法應對這種變化，對實驗課任課教師提出了更高的要求[7]。教師要在新模式下研究教學規律，做好備課工作，以學生為中心，設計適應新條件下的教學方法，充分利用網上數字切片圖庫優勢，克服不能面對面上課的弊端，完成實驗教學任務。教師使用數字切片進行示教時，首先在數字切片瀏覽頁面左上角的小圖上，可觀察到肉眼可見的標本全貌。利用此全貌小圖，講解標本的來源以及結構層次等，依據觀察的圖像闡述該標本的基本結構及所要觀察的重點結構，最后放大圖像，選取合適的位置，講解重點結構特點。學生根據教師的講解及要求對切片進行觀察和學習。在學習過程中出現的問題，教師可利用數字切片系統與學生交流，進行輔導。軟件中的標注，測量等功能可使學生觀察地更直觀，并檢驗學生的辨識正確性。

2.2.2 網上實驗課授課時網絡圖庫的優勢

教學切片觀察是形態學實驗課堂中必不可少的重要組成部分。在實驗課中，教師傳統教學只能通過繪圖和利用圖譜為學生進行施教和講解，這樣不僅會費時費力，學生也感覺到實驗課枯燥無味，缺乏學習熱情。運用數字切片庫給學生進行講解和實驗觀察，不僅畫面清晰、直觀和生動，而且學生通過觀察已編輯標注好的數字切片，能更好更快地理解和掌握組織結構特點和疾病的病變特點，這樣便可以充分調動學生的學習興趣。學生利用計算機的瀏覽器，根據自身的學習程度，隨時在網上瀏覽數字切片圖庫。自主地利用數字切片進行實驗課的課前預習和課后復習。學生不受時間，空間的限制，利用課余時間復習課堂內容，系統化細化知識體系，使學生輕松掌握知識。數字切片在實驗教學中的使用，極大地激發了學生的學習興趣，也使實驗教學效果得到提高。

2.2.3 新冠流行特殊時期形態實驗課考核模式的改變

充分利用數字切片網絡系統圖庫，建立線上實驗教學新的考核模式。以往實驗教學考試為傳統的切片考試，要求學生在顯微鏡下觀察玻璃切片，寫出所觀察切片的組織名稱及鏡下的病變特點等。由于切片標本褪色或制作差異等原因容易出現假象，影響學生發揮真實水平。利用數字切片編輯設計出多種題型進行實驗考核，考核的范圍更廣，目的更明確，能更全面客觀地反映學生掌握知識的真實程度，避免因傳統標本間的差異而導致考試的程度不一致等不公平的現象發生，同時，也有利于教師了解教學效果，改進教學方法和提升教學效果。

3 討論

我們在2020年3-6月份學生居家線上病理學實驗課教學中應用數字切片網絡教學系統，取得與實驗室教學同等的教學效果，在疫情發生，學生未能返校的特殊時期，保質保量地完成病理學教學計劃。師生對該教學方式滿意度很高，考核的結果也達到了實驗室教學的水平。通過本輪的線上數字切片網絡教學系統的應用，該系統極大地豐富了醫學形態學實驗教學的教學資源，構建了優良的教學環境，從有限的課堂擴展到任何網絡可及的范圍，實現跨時空的教學，打破了時間空間限制，并在一定程度上保持了實驗教學情景的真實性，激發了學生的學習興趣和熱情，使學生的課前預習和課后復習更加方便直觀。不受時空的限制，可隨時隨地的進行學習，能充分調動學生學習的積極性和主動性，培養學生的自主學習能力，養成學生良好的觀察習慣，提高理解能力以及形成良好的學習習慣，切實達到提高實驗課學習效果的目的，為學生打下堅實的醫學基礎，這些對提高實驗教學的質量起著重要的作用，給醫學形態學實驗教學帶來革命性的突破。特別是在新冠疫情期間，使用切片圖庫和顯微鏡鏡下觀察效果完全一致，實現醫學形態學實驗教學保質保量的順利完成。因此，該系統可以作為實驗室學習的一個有力補充，或者在師生獨立的線上完成形態學實驗課教學的手段。只要我們積極建立其他學科所要求的數字切片庫，該系統完全可以推廣到組織學、寄生蟲和微生物的實驗課教學。雖然該系統能夠完成實驗課教學任務，但是也存在一些值得商榷的問題，比如如何科學合理地安排實驗課內容，授課方式如何設計，如何示范講解切片，學生觀察切片時間，如何完成師生的線上互動，這些都需要精心的安排，科學合理的設計，使線上形態學實驗課教學效果達到最佳，如何更好發揮數字切片網絡系統的優勢，面對新挑戰、新任務和新要求，未來我們仍需不斷探索，豐富和整合數字切片資源庫、實驗課視頻和課件等資源，使之共享于網絡平臺。在數字化教學等方面也應進行積極的探索和完善。

但也要看到，新冠病毒還在世界各地流行，還遠遠沒有被消滅。以目前的形勢，新冠肺炎在我國大范圍爆發雖不可能，但局部、個體的感染是短時間內可能發生的，可能影響到一個學校、一個年級、一個班級或個別被隔離學生。在此情況下，線上教學甚至成為一個必需的教學儲備，以隨時應對特殊情況的發生。因而數字切片教學系統具有十分有意義的應用前景。保證“停課不停學”[8]，未雨綢繆，積極做好應對準備，充分利用數字切片網絡系統做好線上醫學形態實驗課的教學準備工作，做到線上線下一個標準。確保學生居家特殊情況下醫學形態實驗課教學的效果。