新冠疫情下電鏡制樣技術(shù)線上教學(xué)模式的探討

林方興 李 天 胡 適 雷長海

（海軍軍醫(yī)大學(xué)生物物理學(xué)教研室，上海 200433）

2020年春，新冠疫情波及全國各地，各地高校的教學(xué)計(jì)劃都被打亂，線上教學(xué)成為主要授課模式。海軍軍醫(yī)大學(xué)也迅速制定線上課程計(jì)劃應(yīng)對(duì)突如其來的疫情，生物物理學(xué)教研室開展的透射電鏡制樣實(shí)驗(yàn)課程也需由現(xiàn)場授課改為線上教學(xué)。筆者研究了線上主流直播課平臺(tái)，如騰訊課堂、釘釘?shù)鹊慕虒W(xué)模式，發(fā)現(xiàn)這類平臺(tái)對(duì)于理論授課比較合適，但無法滿足實(shí)驗(yàn)課的理論講授與實(shí)踐操作緊密結(jié)合的教學(xué)需求。為適應(yīng)疫情防控常態(tài)化形勢下的實(shí)驗(yàn)課線上教學(xué)，筆者通過多源互動(dòng)教學(xué)設(shè)備的研制，結(jié)合了數(shù)碼顯微互動(dòng)、無線圖傳、可穿戴設(shè)備等成熟技術(shù)，通過顯微鏡電子目鏡將鏡下的視野轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像，通過多角度高清攝像頭等設(shè)備同步采集制樣手法視頻，實(shí)時(shí)上傳到自主研發(fā)的多源教學(xué)互動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的顯微鏡下圖像實(shí)時(shí)共享，鏡下圖像和操作方法的同屏顯示，同時(shí)支持文字彈幕提問和共享白板標(biāo)注等在線交互方式[1-2]，從而為開展實(shí)驗(yàn)課的線上教學(xué)奠定了平臺(tái)基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多源互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)首先要能支持多種類型的攝影攝像設(shè)備，包括顯微鏡電子目鏡、相機(jī)串行接口（Camera Serial Interface，CSI）標(biāo)準(zhǔn)的攝像單元、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）標(biāo)準(zhǔn)的攝像頭以及支持實(shí)時(shí)消息傳輸協(xié)議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）協(xié)議的視頻采集設(shè)備等（圖1）。其次，設(shè)備要體積小巧，不需對(duì)場地進(jìn)行改造就可以便捷部署，支持有線、無線方式接入網(wǎng)絡(luò)。第三是跨平臺(tái)應(yīng)用，學(xué)生可用各種智能終端接入網(wǎng)絡(luò)，不需安裝專用軟件或APP，直接通過瀏覽器就可以實(shí)時(shí)查看視頻，進(jìn)行師生互動(dòng)[1]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖。虛線：表示主機(jī)無線傳輸信號(hào)至終端；實(shí)線：其他設(shè)備與主機(jī)相連

1.2 系統(tǒng)主機(jī)

系統(tǒng)采用樹莓派（Raspberry Pi，RPi）作為主機(jī)，Raspberry Pi作為只有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux，具備2.4 GHz藍(lán)牙接收器，內(nèi)置802.11 bgn無線網(wǎng)卡，以64 G TF卡作為存儲(chǔ)，有4個(gè)USB2.0接口以及高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）接口，輸入電流為12 V/5 A。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作采集設(shè)備

多源互動(dòng)教學(xué)設(shè)備應(yīng)用于透射電鏡制樣實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，采用了兩路實(shí)驗(yàn)操作采集設(shè)備，分別為頭戴式攝像設(shè)備，用于攝錄使用者主觀視角的高清操作視頻，通過USB接口接入主機(jī)；另一路為支架式攝錄設(shè)備，用于觀察樣品塊不同角度的切面形態(tài)及手部精細(xì)操作，采用CSI接口接入樹莓派主機(jī)。

1.4 鏡下圖像采集設(shè)備

顯微鏡下圖像采集設(shè)備選用江南THDCE電子目鏡。該電子目鏡為生物顯微鏡、體視顯微鏡上的專用相機(jī)，配有多種型號(hào)顯微鏡套筒，免驅(qū)動(dòng)安裝，即插即用，支持多種分辨率，具有500萬像素，最大分辨率可達(dá)2 560×1 920，支持自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光等功能。

1.5 教學(xué)視頻采集設(shè)備

攝像頭選用羅技Logitech C525/B525 高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以USB接口連接迷你控制主機(jī)。該攝像頭自動(dòng)執(zhí)行對(duì)焦、曝光、取景，支持全高清1 080 p 30 fps直播，攝像頭自帶麥克風(fēng)便于教師講課。

2 實(shí)驗(yàn)理論與操作教學(xué)

2.1 教學(xué)示教準(zhǔn)備

授課前做好樣品塊修塊、半薄切片的示教工作。用丙酮將新的刀片上的油脂擦凈，將樣品塊置于體視鏡下修塊，手持刀片去掉過多的無用樹脂，僅保留少量樹脂，修好樣品塊形似金字塔型，使其具有穩(wěn)定的基部。制備好玻璃刀刀槽，用超薄切片機(jī)（Leica EM UC6）將樣品塊切成1 μm的薄片，用自制金屬環(huán)將薄片從水槽的水面中撈取[3]。將薄片置于盛有水滴的載玻片上，用烘片機(jī)將水滴烘干，滴上中性樹膠，用鑷子輕壓蓋玻片排除空氣，載玻片置于相差顯微鏡（Leica DM1000）下待觀察。

2.2 實(shí)驗(yàn)理論講解

理論教學(xué)中，將挑選出的切片用全自動(dòng)數(shù)字切片掃描儀進(jìn)行掃描，做好編號(hào)和名稱整理，形成數(shù)字切片數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)隨時(shí)可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫資源[4]。運(yùn)用系統(tǒng)共享白板的功能中展示數(shù)碼切片圖片，標(biāo)記并講解細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)及功能。

實(shí)時(shí)教學(xué)中，將切好的半薄切片放入載玻片在顯微鏡下觀察，將顯微鏡的鏡頭 （物鏡和目鏡）都調(diào)換成最低倍數(shù)，并打開顯微鏡的電光源，調(diào)節(jié)焦距，然后取下目鏡換上電子目鏡，通過實(shí)時(shí)采集的鏡下圖像指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)組織的特殊形態(tài)，經(jīng)過比對(duì)形態(tài)定位找準(zhǔn)目標(biāo)。

2.3 定位操作演示

現(xiàn)場電鏡制樣的定位操作教學(xué)中，在體視鏡下的操作手法往往因?yàn)橛^察角度窄小無法展示。在本教學(xué)系統(tǒng)中，教師使用固定支架式高清攝像頭完整展示定位操作的技術(shù)手法，并實(shí)時(shí)采集傳輸至主機(jī)，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)可同步觀看。在實(shí)際教學(xué)中，以腎組織塊精確定位腎小球?yàn)槔?，要求學(xué)生能夠結(jié)合理論學(xué)習(xí)掌握的實(shí)驗(yàn)操作技巧，通過在顯微鏡下觀察腎組織塊的半薄切片以及在體視鏡下觀察樣品塊的形態(tài)特征，正確判斷腎小球在樣品塊的具體位置并進(jìn)行精確定位。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示中，將樣品塊置在體視鏡下，體視鏡目鏡放大倍數(shù)調(diào)整至1.5～2.0倍，教師一手握持底座，一手持刀片進(jìn)行切塊定位，演示利用冷光源燈光對(duì)標(biāo)本切面的反光判斷其形態(tài)，同時(shí)觀察相差顯微鏡下的半薄切片形態(tài)[5]。根據(jù)半薄切片在顯微鏡中觀察到的所需部位，用準(zhǔn)備好的單面刀片將腎小球所在的組織塊修成梯形，所要觀察的部位應(yīng)盡量定位在梯形的中央。組織塊梯形的底邊一般修成長為 0.5 mm，高為0.2 mm。最后用雙面刀片將塊面切成等腰梯或直角梯形。整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)過程中，攝像頭采集操作者手法，電子目鏡采集鏡下圖像，以網(wǎng)頁形式同屏展示在學(xué)生的智能終端。

2.4 線上師生交互

采用超文本標(biāo)記語言5（Hyper Text Markup Language，HTML）的基于畫布（ Canvas）的網(wǎng)頁繪圖技術(shù)，使用JavaScript腳本通過函數(shù)處理關(guān)系完成鼠標(biāo)或觸摸在Canvas畫布的上繪圖、標(biāo)識(shí)等操作，實(shí)現(xiàn)Web頁面界面的實(shí)時(shí)繪圖標(biāo)注[6]。教師可以選擇以預(yù)先定義的視頻顯示矩形區(qū)域或整個(gè)屏幕作為交互白板，實(shí)現(xiàn)線上的師生圖形化交互以及實(shí)時(shí)彈幕問答。

3 小結(jié)

樹莓派作為一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，可以承擔(dān)數(shù)據(jù)處理、音頻視頻輸出及互聯(lián)網(wǎng)接入等任務(wù)[7]，利用通用顯微鏡電子目鏡采集顯微鏡鏡下高清數(shù)字圖像，利用多角度的攝像器材采集常規(guī)電鏡技術(shù)如修塊、定位等狹小的空間內(nèi)的手部精細(xì)入微的動(dòng)作和樣品塊表面形態(tài)，通過頭戴式攝錄設(shè)備采集操作者第一視角實(shí)時(shí)視頻，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器。學(xué)生利用各類智能終端連接互聯(lián)網(wǎng)，無需安裝專用軟件或APP，直接打開指定網(wǎng)址，訪問主機(jī)，就可以清晰地觀看到實(shí)時(shí)直播的多路實(shí)驗(yàn)視頻，相較線下實(shí)地教學(xué)，學(xué)生觀看更加直接，不會(huì)因角度問題錯(cuò)過細(xì)節(jié)。學(xué)生跟隨老師的講解，可以清楚地觀察病變組織結(jié)構(gòu)，按需放大細(xì)節(jié)圖像，針對(duì)性強(qiáng)，更容易集中注意力。另外在教學(xué)過程中如果發(fā)現(xiàn)典型案例，教師不僅可以實(shí)時(shí)保存，也可通過共享白板在視頻上進(jìn)行標(biāo)記，讓每名學(xué)生都能觀察到。教師與學(xué)生的線上互動(dòng)形式也不再是低效的單人提問，師生以線上彈幕形式問答，或以觸屏標(biāo)注的形式進(jìn)行交互，都極大地提升了學(xué)習(xí)效率，增加了實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)的現(xiàn)場感。

新冠疫情背景下開展線上教學(xué)，要求教師以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)新的教學(xué)理念和教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)技巧和能力。教師要把握“實(shí)用為原則”的教學(xué)組織，在疫情來臨時(shí)及時(shí)更新教學(xué)資源，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，把握未來學(xué)習(xí)發(fā)展方向。

本文所設(shè)計(jì)的教學(xué)模式使用了自主研發(fā)的多源直播教學(xué)互動(dòng)設(shè)備，將視頻圖像采集傳輸技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了多源視頻的實(shí)時(shí)采集與無線傳輸、多終端共享與互動(dòng)等功能，彌補(bǔ)了目前線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻來源單一、操作示教難以看清等不足，為不改造現(xiàn)有教學(xué)場地即可實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)，也為線上教學(xué)的師生互動(dòng)提供一種人性化可視性的解決途徑。