基于虛擬仿真實驗平臺線上線下虛實結合在組織學實驗教學中的應用*

程 云，彭景賢,岳淑芬，宋 芳，陳 晶，趙紫薇，楊美霞，韓曉敏

(1.內蒙古科技大學包頭醫學院組織學與胚胎學教研室，內蒙古包頭 014040；2.包頭市疾病預防控制中心微生物檢驗科)

隨著互聯網技術的快速發展，虛擬仿真實驗教學平臺在醫學院校中得到了廣泛應用，此平臺是基于虛擬顯微鏡(數字切片)系統建立的教學平臺，彌補了傳統實驗教學觀察切片必須依賴顯微鏡和玻璃切片的局限性[1]。同時隨著“互聯網+”的繁榮，大規模在線開放課程(massive open online courses，MOOC)、翻轉課堂、小規模限制性在線課程(small private online course，SPOC)等多種教學方式的出現，并且結合各類在線平臺和課堂教學優勢的線上線下混合教學也越來越多地應用于教學實踐中[2]。本校虛擬仿真實驗教學平臺的引進，有助于更新實驗教學理念，特別是形態學實驗教學方面，突破傳統的教學模式，極大地助力線上教學。本文主要論述了傳統顯微數碼互動實驗教學存在的問題和虛擬仿真實驗教學平臺結合混合式教學的探索實踐。

1 組織學實驗課教學現狀

為了提高教學質量，學校先后引進了數碼互動實驗室和虛擬仿真實驗教學平臺。目前組織學實驗線下教學主要是在數碼互動實驗室以觀察玻璃切片的形式為主，教師在上課前需要做好課前準備，找到較為典型的玻璃教學切片，使用數碼顯微鏡將要觀察的重點、典型部位拍成圖片，制作成幻燈片以便在實驗課使用。課上，教師先以幻燈片形式講解重點切片結構，再結合數碼互動系統教師端或學生端電腦演示玻璃切片結構，最后學生結合形態學實驗指導，利用數碼互動系統光學顯微鏡自己觀察玻璃切片，并找到重點結構，在此期間教師對學生進行個別輔導[3]。目前，由于虛擬仿真實驗教學平臺未與數碼互動系統教師端和學生端電腦聯網，因此學生無法在課上直接觀察數字切片，只能通過手機端登錄虛擬仿真平臺。因此，組織學實驗課線上教學主要以課前預習、課后切片復習的方式進行；另外課中如果遇到玻璃切片質量問題或結構不典型的情況，學生可用手機登錄虛擬仿真平臺觀察數字切片，以彌補玻璃切片的不足。虛擬平臺還可以用于第二課堂開放實驗室，拓展學生閱片量，特別是在切片考試前用于線上復習非常方便。通過線上線下虛實結合的形式開展組織學實驗課收效頗豐，很受學生歡迎。

以臨床醫學專業本科實驗一為例，授課內容包括7張切片，即單層立方上皮、單層柱狀上皮、變移上皮、假復層纖毛柱狀上皮、復層扁平上皮、疏松結締組織鋪片和示教切片(漿細胞)。在講切片之前，首先講顯微鏡的使用和注意事項，其次告知學生本門課的課程要求及考核方式，考核方式即理論考試、切片考試、單元測試或平時成績(優慕課或雨課堂)等，各部分所占期末成績比例。然后再以幻燈片形式講解重點切片，所謂重點切片包括畫圖的切片，一般每次實驗課要求畫2個圖，比如實驗一中的單層柱狀上皮和復層扁平上皮要求畫圖，另外還有1張重點切片是填圖的切片，比如實驗一中的疏松結締組織鋪片。剩余其他3張切片以學生自己觀察為主，教師以個別指導為輔，對于示教片(漿細胞)，教師以大屏幕投屏的形式進行集中講解。學生在觀察切片過程中，如遇問題可隨時提問，教師給予個別輔導，如果遇有普遍性存在的問題，教師提醒學生暫停觀察切片，以大屏幕投屏形式集中詳細講解問題切片。由于課堂時間有限，原則上以觀察切片為主，實驗報告當堂完不成，特別是繪圖畫不完的學生，可以課下完成。在未引進虛擬仿真實驗教學平臺之前，學生用手機將鏡下圖像以拍照形式帶走，課下完成實驗報告。如今，學生課后通過虛擬仿真平臺線上觀察數字切片就可以完成繪圖任務。因此，本研究著眼于充分利用學校現有教學資源，即利用虛擬仿真平臺和數碼互動顯微實驗室來進行線上線下混合式實驗教學改革，從而提升教學質量，提高學生實驗成績，同時也希望能為同行在實施實驗教學改革時提供一定的參考價值。

2 目前實驗室存在的問題和局限性

我校于2008年先后建立了6個數碼顯微互動實驗室供組織學與胚胎學、病理學和寄生蟲學的實驗教學使用。不管是傳統的光學顯微鏡還是目前醫學院校通行的顯微數碼互動顯微鏡，都離不開玻璃切片。但玻璃切片在實驗教學中存在諸多局限性：(1)使用時間局限性。組織學實驗課一般每周只安排1次，一次只有4學時，課上盡管學生充分利用時間觀察切片，但總有意猶未盡的感覺，個別學生對顯微鏡的使用不熟練，鏡下尋找切片重點結構較困難，因此費時較長，造成課上時間不夠用。(2)使用空間局限性。由于觀察玻璃切片離不開顯微鏡，而顯微鏡又局限在實驗室，因此學生在課后如果想繼續觀察切片，就必須與實驗教師在課余時間預約使用，造成一定的不便。(3)玻璃切片易損，不易永久保存。無論是制作過程，還是使用過程，玻璃切片均易破損，更新較難，另外切片存放越久，越易褪色，不易儲存。(4)切片的同質性難以保證。我校有4個數碼互動實驗室可供組織學實驗課使用，每個實驗室可容納45人，每種相同的切片至少要準備180張，才能保證學生人手一張同時上課，再加上每年切片的損耗，平時雖然有備用切片可以更換，但很難保證切片的同質性。因此，為了滿足教學需求，不得不重新制作或購買切片來補充和完善玻璃切片庫。這樣切片的質量就難以保持一致，典型結構也難以保證每張切片都有，即使有，清晰度和完整性也難以保障。使用不同批次、不同質量的切片進行授課，既不利于教師示教，也不利于學生觀察。

3 虛擬仿真實驗教學平臺的優勢及混合教學的實踐探索

我校于2016年始陸續建設并升級了基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺(http://jcsy.btmc.edu.cn/)[4]。平臺涵蓋了5個虛擬實驗模塊，即人體解剖學虛擬實驗模塊、顯微形態學虛擬實驗模塊、醫學機能學虛擬實驗模塊、生物化學與分子生物學虛擬實驗模塊、病原生物與免疫學虛擬實驗模塊[5]。其中顯微形態學虛擬實驗模塊包括組織學、病理學、寄生蟲學等形態學數字標本庫，組織學標本庫現有數字切片1 201張，按照教學大綱分為18個章節，每個章節配有相應的視頻教學課件，全面輔助學生自主學習，見圖1；病理學標本庫包含病理學切片庫和大體標本庫，病理學切片庫現有數字切片1 474張，大體標本庫現有標本743個；寄生蟲學標本庫現有標本939個。

圖1 組織學數字切片標本庫

3.1虛擬仿真實驗教學平臺的優勢 虛擬仿真實驗教學平臺數字切片源自玻璃切片，它是利用全自動數字切片掃描系統，在高倍鏡下對傳統玻璃切片進行分割掃描，無縫拼接，最終生成數字圖像，以電子文檔的形式永久保存。數字切片具有如下優勢：(1)觀察切片不受顯微鏡和實驗室的限制。數字切片不依賴于光學顯微鏡，只要有網絡，有電腦或者手機，可以隨時隨地打開虛擬仿真平臺，全天候閱覽切片，有利于課前預習及課后復習，滿足了學生個性化、碎片化的學習需求，變局限性為便利性，使學習更方便有效。(2)圖像清晰，色彩逼真。數字切片圖像分辨率高，模擬顯微鏡，圖像色彩和清晰度不產生失真。(3)操作簡單，定位精確。數字切片通過全景導航圖快速地定位于需要觀察的結構，拖動鼠標滾輪或手機手指觸屏可以定倍率或任意倍率連續、快捷地使圖像高保真放大或縮小，給學生一個從全貌整體結構到局部微細結構直觀性、連續性變化的視覺感受，模擬顯微鏡充分體現了形態學實驗教學展示結構圖像的典型性和全息性[6]，見圖2。(4)數字切片資源豐富。相同組織、器官有多張切片，且來源、染色都有可能不同，大大提升了學生的閱片數量和閱片質量。(5)數字切片庫資源可以不斷更新、優化，豐富了教學資源，這樣既提高了資源的利用率，又提升了教學質量，也激發了學生的自主學習興趣。

圖2 數字切片導航圖(左上角十字導航標)

伴隨著互聯網技術的飛速發展，催生了一大批智能設備，使高校教育教學方法、手段不斷更新，教育形式不斷走向網絡化，線上線下混合式教學模式已成為當前高校課程改革的重要實踐方向[7]。

3.2具體實施方案 2020年上半年新冠疫情期間組織學實驗課全部采用線上教學，且全部使用虛擬仿真實驗教學數字庫切片進行講解，效果很好。鑒于此，下半年開學后，組織學實驗課開始嘗試實施線上線下虛實結合的形式進行混合式實驗教學改革。

線上教學目前主要依托虛擬仿真平臺，以課前預習和課后復習及自主學習為主。課前通過雨課堂或優慕課發布下一次實驗課預習幻燈片，內容包括學習目的、觀察的切片內容(典型的結構)及相關臨床疾病的思考題。目的是讓學生結合虛擬數字切片進行自主學習。通過預習熟悉課堂需要掌握的切片內容，并結合理論課內容能看懂切片，學會歸納總結每張切片的形態特點，培養學生提出問題、解決問題的能力，訓練學生的科研思路。

線下教學主要通過顯微數碼互動系統觀察玻璃切片，教師精講重點切片、重點結構，留給學生足夠的時間自己觀察切片，如遇問題，教師個別輔導，如果是普遍存在的問題，則通過教師端電腦集中講解并演示切片。組織學實驗共7次課，我們嘗試在其中的2次實驗課，即消化系統和呼吸系統的相關內容，采取了混合式教學模式，主要以小組討論的形式進行線下教學。每組5～6名學生，通過小組協作，選派代表在課堂展示課前通過數字切片預習的內容制作好的幻燈片并講解，同時解答其他小組同學提出的問題，課堂上爭取完成相應作業(以實驗報告形式)。課堂上學生在進行小組互評和討論的時候，教師可以引導學生討論并做出適當點評。最后教師以小結形式總結本次實驗課重點和難點切片，對每組學生的表現做出客觀評價，并布置下一次實驗課的預習內容及相應思考題。為了增加師生互動，在課堂上還安排了與組織學相關的臨床案例討論，如用組織學學過的知識討論過敏性哮喘的發病機理；顯微鏡下如何識別呼吸系統肺的導氣部和呼吸部；如何識別食管、胃和小腸等不同消化管等。通過案例分析和鑒別討論，目的是提高學生的學習興趣，活躍課堂氣氛。

線上線下虛實結合的混合式教學模式充分實現了以學生為中心，能力培養為導向的教學理念。通過線上線下虛實結合的教學改革，虛擬仿真實驗教學平臺形態學數字標本庫，為學生自主學習提供了優質的數字切片資源，數字切片保證了切片的清晰度、同質化，而且同一組織或器官，均有多張切片，拓展了學生的視野和思路。不同來源不同染色的切片，從不同的角度觀察，既鍛煉了學生辨別切片的能力，又為切片考試奠定了堅實的基礎，同時也為今后臨床病理診斷奠定了基礎。顯微數碼互動系統主要應用于課堂教學，改變了以往教師先講幻燈片，然后示范講解重點切片，最后學生自己觀察切片，在這過程中教師個別輔導有問題的學生，學生的主動學習性較差，效果欠佳。在線上線下混合教學過程中，教師和學生的角色發生了變化，教師從“教”為主轉變為“導”為主，學生從被動接受知識轉變為主動學習知識。課堂教學形式發生了改變，首先是將學生分組，各組學生根據預習內容做好幻燈片，課堂上包括學生分組討論，組間互評，教師點評等多個環節，并且可以作為形成性評價給出成績，這樣既提高了教學效果，又改變了課堂教學模式單一的問題，為形態學混合式實驗教學改革提供了思路。

4 結語

利用虛擬仿真實驗教學平臺實施線上線下混合式實驗教學改革對教師教學功底提出了挑戰。首先對傳統教學模式提出了挑戰，既不能丟棄傳統的以顯微鏡觀察玻璃切片的形式，還要結合當前新的高校教育教學理念，結合新的線上數字切片教學平臺，即虛擬仿真實驗教學平臺，做到虛實結合。不斷學習新科技、新手段、新方法、新應用，做到與時俱進。其次對教師在教學中的地位、角色、作用也提出了新的挑戰，從以“教”為主轉變為以“導”為主，在“導”的過程中不只是考驗教師對專業知識的掌握、應用和對學科前沿的了解情況，更重要的是對課程的設計，如何講好這節課，強調的是方法，即“授之以漁”，而非“授之以魚”。另外對教師如何合理安排授課內容提出了挑戰，如何做到線上線下相得益彰，既要讓學生扎實掌握知識，還要讓學生感到不累，課上課下都很輕松，這就給教師提出了更高的要求，需要積極探索，不斷嘗試，不斷進取，為教學改革摸索新路子、新方法。然而在混合式教學改革實施過程中也存在一些問題和不足，由于個別學生的參與度和學習積極性不高，導致課前布置的任務完成的質量不是很好，有些學生準備不充分，因此在課堂分組討論過程中，講解內容匱乏、不飽滿，小組成員配合度不夠默契。這就要求教師的教學設計更加合理，一定要適合學情，在掌握學情的基礎上，首先激發學生的學習興趣，使教與學同步，師生間只有產生了共鳴，才有可能有更好的教學效果，教師“領唱”，學生“合唱”，這才是理想的教學舞臺，才能提高教學質量。