數字切片系統對組織學與胚胎學實驗教學的影響*

蔡佩玲,劉雨萱,余雪瑩,崔珈寧,李夢林,牛 蓓

成都大學基礎醫學院,四川成都 610106

數字切片由美國馬里蘭州大學計算機系和約翰斯·霍普金斯大學醫學院病理系率先運用[1],制作流程是篩選出組織結構完整、染色效果上乘的玻璃切片,用數字切片掃描儀掃描后,將采集的圖像進行系統化編輯[2],并上傳至網絡平臺。教師演示及指導學生如何觀察切片,學生通過電子設備,如手機、電腦等在線訪問、查閱切片。數字切片在教學中的應用,使學生化被動接受知識為主動學習,激發學生的自主學習能力[3]。數字切片的應用范圍日益增多,除用于教學外,還用于人工智能病理閱片[4]、病理研究[5]。

組織學與胚胎學是一門醫學專業基礎課,主要研究健康人體細微結構和功能,以及個體發育及其相關機制[6]。組織學與胚胎學課程包括理論和實驗2個部分,實驗教學是通過觀察機體組織切片來掌握其形態結構特點,長期以來沿用傳統方式即操作顯微鏡觀察玻璃切片。而玻璃切片不能長時間保存,長期使用后褪色嚴重,導致觀察標本時圖像質量下降,如出現模糊情況[7]。由于制作標本的材料越來越難獲得,切片的種類和數量均受到限制,進而減緩了課堂進度,減少了師生互動的時間[8]。與傳統教學方式比較,數字切片的出現突破了時間與空間的限制,且圖像清晰度更高,打破了玻璃切片數量和種類的局限性[9],可在一定程度上提高學習效率。關于數字切片的應用,目前大多關注教師、學生使用后的主觀感受,而評估成績這一客觀指標變化較少。本研究將數字切片應用到本校臨床醫學專業組織學與胚胎學實驗教學中,分析數字切片對教學成績的影響,以期培養學生自主學習意識和創新精神,探索新型實驗教學模式的應用,為基礎醫學特別是形態學實驗教學改革提供了參考方向。

1 資料與方法

1.1一般資料 選取本校2020級、2021級臨床醫學本科(五年制)257名學生作為研究對象,2020級1～4班145名學生為傳統玻璃切片班(傳統班),2021級1～3班112名學生為數字切片班(數字班)。傳統班男生69人,女生76人;平均年齡(19.40±0.76)歲。數字班男生47人,女生65人;平均年齡(19.53±0.89)歲。臨床醫學為一本招生,2個班學生均通過普通高等學校招生全國統一考試招生選拔而來,2個班臨床醫學專業的組織學與胚胎學在大學第一學年第二學期修讀,研究資料為學生的實驗課成績,包括平時、期中、期末和總評四類,所有成績考核標準均一致。總評成績由平時(30%)、期中(30%)、期末(40%)按比例計算得出,其中平時成績由出勤(20%)、實驗報告(40%)、實驗操作(40%)構成。

1.2教學設計 2個班教學方式不同,教學開展方式亦有不同。傳統班的教學為學校全線下教學,而數字班的教學為線下線上聯合教學(前8周學校線下,后8周居家線上),其余內容包括授課教師、教學內容、授課進度、實驗報告要求、評閱標準均一致。傳統班使用顯微鏡觀察玻璃切片,找到實驗要求的細胞、組織、結構等并拍照,課后按要求完成電子實驗報告。數字班使用自主建立的在線數字切片系統,利用電腦等終端設備訪問數字切片系統、觀察數字切片,找到實驗要求的細胞、組織、結構等并拍照或截屏,實驗報告形式及考核方式與傳統班一致。

2 結 果

2.1傳統班和數字班學生實驗前4門醫學基礎課成績比較 2個班第一學年第一學期所修的4門醫學基礎課(醫用物理學、醫用化學、醫用高等數學、醫用細胞生物學)成績比較,差異均無統計學意義(P>0.05),見表1;進一步按性別分層,傳統班與數字班男生和女生4門醫學基礎課成績比較,差異均無統計學意義(P>0.05)。見表2、3。

表1 傳統班和數字班學生實驗前4門醫學基礎課成績比較或M(P25,P75),分]

表2 傳統班和數字班男生實驗前4門醫學基礎課成績比較或M(P25,P75),分]

表3 傳統班和數字班女生實驗前4門醫學基礎課成績比較或M(P25,P75),分]

2.2傳統班和數字班實驗后成績比較 數字班實驗后期中成績與傳統班比較雖有所下降,但差異無統計學意義(P>0.05);數字班實驗后平時、期末、總評三類成績與傳統班比較均有所提高,差異均有統計學意義(P<0.05),見表4。傳統班和數字班男生實驗后平時、期末成績比較,差異均有統計學意義(P<0.05),見表5;傳統班和數字班女生實驗后期末、總評成績比較,差異均有統計學意義(P<0.05),見表6。

表4 傳統班和數字班學生實驗后成績比較[M(P25,P75),分]

表5 傳統班和數字班男生實驗后成績比較[M(P25,P75),分]

表6 傳統班和數字班女生實驗后成績比較[M(P25,P75),分]

2.3各類成績相關性分析 將實驗后的所有成績按類別繪制散點圖,判斷線性趨勢。Spearman相關分析結果顯示,總評成績與平時、期中、期末成績均呈正相關(r=0.366、0.880、0.831,P<0.05);期末成績與平時、期中成績均呈正相關(r=0.308、0.499,P<0.05);平時成績與期中成績呈正相關(r=0.241,P<0.05)。見圖1。

圖1 各類成績的散點圖矩陣

2.4各類成績影響因素分析 成績受性別、教學方式兩種因素影響,實驗后四類成績均不服從正態分布,選擇非參數方差分析了解成績是否與性別和教學方式兩種因素有關。校正模型是對所用非參數方差分析模型的檢驗,前提是假設模型中兩種因素(性別、教學方式)及二者交互作用對四類成績均無影響,結果表明,所用模型差異有統計學意義(P<0.05)。在此基礎上,分別檢驗四類成績中性別、教學方式的主效應,結果表明,除期中成績外,二者在各類成績中差異均有統計學意義(P<0.05),即控制性別后,教學方式對平時、期末、總評三類成績均有明顯影響(P<0.05);控制教學方式后,性別對平時、期末、總評三類成績均有影響(P<0.05)。交互作用檢驗結果表明,性別和教學方式在四類成績中均不存在交互作用,差異無統計學意義(P>0.05)。見圖2。

注:A為平時成績中位數;B為期中成績中位數;C為期末成績中位數;D為總評成績中位數。

3 討 論

3.1實驗后成績分析

3.1.1平時成績 平時成績由出勤、實驗報告和實驗操作三類構成。預期2個班出勤成績無差異,數字班實驗報告和實驗操作高于傳統班,數字班的平時成績亦高于傳統班。(1)數字班的出勤成績明顯低于傳統班,與預期不一致,分析原因與教學開展形式有關。傳統班全程線下教學,教師完成出勤考核,切片觀察受時間、空間的限制,很多同學會提前抵達實驗室,復習上次課或預習當次課的切片,故出勤情況良好,遲到現象偶有發生,無早退。數字班前8周實施線下教學,出勤情況與傳統班無異;后8周改為線上教學,學生在線完成出勤簽到,可能因環境改變而出現思想松懈[11],遲到、早退情況有所增加。(2)數字班的實驗報告成績明顯高于傳統班,與預期一致。每次報告有包括提交、修改共3次機會,3次最高成績納入最終統計。扣分點包括格式和內容2個方面。格式不達標,如字體、字號不符合要求,容易修改;內容不合格,如所拍圖片非正確視野,則需反復觀察切片才可完成。傳統班除課堂外很難有機會多次觀察,數字班的觀察則不受任何限制,直至找到正確內容。故數字班更易修訂內容上的錯誤,成績亦高于傳統班。(3)數字班的實驗操作成績明顯高于傳統班,與預期一致。實驗操作主要考察學生在實驗室的表現,如是否穿著工作服入室,是否規范、正確操作顯微鏡,課程結束時是否按要求關閉電腦、擺放桌椅等。考核貫穿于實驗課全程,并非最終實施一次終結性操作考核。標準為預設初始成績為100分,某項操作不合格,則扣除相應分值,最后分數即為實驗操作得分,扣分越多,得分越少。傳統班全程使用顯微鏡,而數字班僅需電腦和網絡,不操作顯微鏡,轉線上教學后,工作服穿著情況、關閉電腦、擺放桌椅這幾項更無法考核,故最終成績為初始的100分。考核標準是教學大綱中明確規定的,每4年修改1次,不得隨意更改,因此,數字班的實驗操作成績高于傳統班。

3.1.2期中、期末及總評成績 期中、期末成績均屬終結性評價,與切片觀察的頻次和時間呈顯著正相關[12]。數字切片系統將數字切片與網絡聯系起來,隨時隨地通過網絡觀察數字切片,不受時間、空間限制。因此,數字班學生可以充分利用資源,將學習從課中延伸到課前及課后,在課前、課堂、課后任意時間、地點多次、長時訪問網絡、自主學習、觀察切片,充分理解、消化要求掌握的切片知識點,因而預期這兩類成績均應該高于觀察受限的傳統班。

實際2個班的期中成績比較,差異無統計學意義(P>0.05),與預期不一致。通過課前、課后與學生的交流可知,線下教學期間,學生觀察數字切片主要還是依賴于課堂,課后鮮有人再去訪問數字切片系統。期中考試考核的范圍是前8周線下教學期間的內容,因此,數字班未能將極具優勢的數字切片充分利用起來,是與傳統班無差異的主要影響因素。

期中考試結束后,授課教師要求2個班學生針對考試情況進行自我總結,總結前半期的學習情況,規劃后半期的學習安排。總結發現,考試失利的最大因素是學習態度欠端正,未能充分利用數字切片庫這一有利資源開展自主學習。后半期數字班充分利用數字切片,相對于傳統班僅能通過教材、實驗報告進行復習這一限制,數字班的復習資源更加多元,故期末成績明顯提高,體現了數字切片系統在充分發揮學生主觀能動性開展自主學習中的積極推動作用。總評成績由三類成績按比例構成,預期數字班總評成績明顯高于傳統班。實際期中成績無差異,平時、期末均明顯提高,總評成績作為綜合評價,明顯提高,符合預期。

3.2成績相關性分析 總評成績由平時、期中、期末三類構成,故總評成績與三類成績均呈正相關,與預期一致。總評成績與期中、期末成績均呈明顯正相關,而與平時成績呈低度相關,與蔡佩玲等[13]研究結果一致。平時成績屬于過程性評價,考核內容受更多其他因素的影響,因而與總評成績相關性較低,亦在預期之中。期中、期末考試屬于終結性評價,均為限定時間(90 min)內的閉卷考試,考核切片辨認的準確性,影響因素較單一,能很好地反映應用數字切片系統對教學效果的影響,訪問數字切片庫的頻率越高、時間越長,對實驗要求的知識點掌握越充分,考試成績相對越好。

3.3成績影響因素分析 除教學方式這一因素外,性別亦是影響因素。在控制教學方式(假定教學方式無影響)的前提下,性別對平時、期中、期末、總評四類成績均有影響。但性別與教學方式兩種因素各自獨立發揮功能而無交互作用。性別分層比較可知,無論實驗前或實驗后,無論是傳統班還是數字班,女生成績均高于男生。分析可能原因如下:女生的非認知能力較男生強[14],非認知能力指智力、學科知識外的能力或性格特質,包括恒毅力、自制力、投入度、認知自我調整能力、自我感知度、學習動機[15];男生對不感興趣的學科更易被動學習[16]。上述因素均決定了女生的成績高于男生。

3.4未來方向 本研究發現,相對于傳統玻璃切片,數字切片系統在組織學與胚胎學實驗教學中的應用確實能有效提高學生的成績。成績的提高主要依賴于學生充分發揮主觀能動性,將學習從課中延伸到課前及課后,利用數字切片系統的便利,在課前、課堂、課后不受時間、地點、時長限制訪問網絡、自主學習、觀察切片,充分理解、消化實驗課要求掌握的知識點。因而數字切片系統在未來實驗教學中大范圍應用是必然發展趨勢。

受某些客觀因素的影響,數字班一半的教學時間改為居家線上,線上教學期間,學生學習較線下學校集中學習更為分散,故學習過程中主要依靠自己自主完成。這種長期居家學習的情況今后恐怕難以再出現,而在學校集中學習期間,有教師、同學的實時指導,學生可能會存在依賴心理,不明白的知識點不是通過自主查閱資料、觀察數字切片解決,而是更傾向于向他人求助。因此,如何在學校集中學習的同時更好地充分利用數字切片系統,是后續關注的重點。可以嘗試虛實結合一體化教學模式,即采用玻璃切片與數字切片相結合的教學方式,課堂教學中觀察玻璃切片,課前、課后則利用數字切片進行預習、補充及鞏固,從而激發學生學習的主觀能動性。