虚拟仿真和数字显微网络互动系统在组织形态实验教学中的应用

庾庆华，袁丽霞

(1.南京农业大学 动物医学院，江苏 南京 210095；2.南京农业大学 动物科技学院，江苏 南京 210095)

组织形态学需借助于光学显微镜、共聚焦显微镜和电镜等设备去观摩学习机体组织的显微和亚显微结构。教师首先讲解器官组织在显微镜下的结构及其特点，学生自己通过显微镜观察并通过绘图理解和记忆组织结构[1]。目前传统组织形态实验室缺乏共聚焦显微镜和电镜等昂贵的教学设备，只能利用普通光学显微镜去观察组织的二维平面显微结构，教学中普遍采用多媒体教学方式，仍然具有局限性，学生难以看到更加细微的三维立体组织结构，有些内容学生仍然很难理解[2－3]。虚拟仿真系统和数字网络显微互动系统的应用，可以实现组织结构二维和三维高清晰度的显微结构以及图像共享的新教学模式，具备其他教学手段无法比拟的独特优势，可以让学生更直观地观察和学习组织细胞的显微结构，减缓教师教学压力，提高教学效率，改善教学效果[4]。南京农业大学组织形态学实验室自2005年配置数字网络多媒体显微互动系统，并逐渐使用虚拟仿真实验教学，改进教学手段。通过多年来在组织形态学实验教学中的应用和探索，目前取得了理想的教学效果。

1 虚拟仿真实验教学的特点

目前组织形态学实验课程教学中通常是以观察组织切片标本和实物模型为主，结合动画和视屏展示，帮助学生理解重要器官的显微精细结构。然而标本模型和动画演示，难以体现组织器官的真实三维立体结构，以及器官在发育中的结构变化，学生往往因为内容枯燥难以理解而逐渐失去学习的兴趣和热情。虚拟仿真实验室(virtual simulation laboratory，VSL)是在各种计算机系统中通过采用多种虚拟仿真技术实现不同的虚拟实验环境，如精确展示心、肝和肾等器官的三维立体结构和发育过程，使得实验者更接近真实的实验环境，易于学生认知和操作，成为虚拟实验环境中的主导者，激发学生的学习主动性，加强对内容的理解[5]。

通过虚拟仿真教学技术模拟器官组织，多角度、立体地直观展示组织形态的显微立体结构，可以加深对理论上内容的理解。如在讲述肠黏膜结构和功能时，通过虚拟实验，设计细菌或病毒抗原侵袭肠道组织诱导肠炎的病例，虚拟展示从抗原接触肠黏膜上皮细胞，释放趋化因子诱导树突状细胞向上皮迁移，进而摄取抗原并分解处理后递呈给T和B淋巴细胞，诱导免疫应答的机制。在该肠炎疾病的发生过程场景模拟中，学生可以掌握上皮组织、结缔组织、免疫组织和血液组织的三维立体结构，并充分掌握各组织的功能[6]。

2 数字显微网络互动的组成及在教学中的应用

“数字显微网络互动系统”通过在光学显微镜上加配数码摄像采集器组成集组织形态显微观察和图像分析一体的新型显微镜系统，真正实现教师与学生、学生与学生的多方位互动教学，具有诸多提高教学效率的功能，如教师和学生屏幕转播、语音教学、屏幕监控、作业提交、学生演示和文件共享等功能[7]。 “数字显微网络互动系统”将逐步替代以往组织形态实验教学中常用的光学显微镜和教学磨具的展示，将传统的由教师逐个辅导学生使用显微镜进行组织器官的显微形态观察，转变为师生互动和图像共享的新教学模式，有助于学生之间相互讨论交流，能够在课堂内加强学生对教学内容的理解深度，培养学生的创新性思维。

以往组织形态教学过程中，学生通过光学显微镜只能单独观察显微镜视野中的组织标本结构，借以教材中文字描述比对参照，无法实现图像的采集储存[8－9]。实验课中学生发现的好图像只能局限于单次实验课中，无法演示给教师或其他学生观察，更谈不上实验资源的共享[10]。教师通过数字显微网络互动系统提高师生互动交流，可实时监测每位学生的显微镜画面，实时发现实验中存在的问题和难点；教师可通过屏幕转播对重点和难点进行集体示教，对个性问题可对学生个别辅导[11]。学生在显微镜下看到的特殊和典型的图像可拍照储存，分享给班级同学或储存备份以备今后使用，有利于学生课后的复习和参考，提高学生交流和参与度；还可远距离传播，实现资源共享。

3 虚拟仿真和数字显微网络互动的有机结合的特点

组织形态学的结构观察涉及动物实验，但伴随着人类文明程度的进步和动物保护意识的增强，在传统实验室中利用动物进行实验，会涉及动物权益和生命伦理等诸多问题；此外动物实验由于个体差异等因素难以保证此类实验均达到预期的实验结果。而通过虚拟仿真实验和数字显微网络互动实验系统可有效地规避动物因素，利用网络数据库系统建立与真实实验室功能相似的三维实验环境，展示教学对象与其周围的组织器官形态结构，通过将组织结构缩放和三维的旋转，真实而有效地显示动物的三维立体结构，可以实现真实实验中难以完成的实验和实验场景[12]。

如讲解睾丸组织中精子发生(spermatogenesis)，传统的实验教学往往借助于二维的组织切片和教学挂图，分小组多次重复讲解精子发生每个阶段的静态显微结构特点；而借助于虚拟仿真教学软件可以演示精子发生的三维动态演变过程及其显微结构变化，同时借助于数字显微网络，可以将虚拟动态演示实时呈现给每一个学生，且学生自己可以通过旋转和缩放等虚拟仿真操作多角度观察精子发生过程，大大提高组织形态实验教学效果和课堂交流气氛。

虚拟仿真和数字显微网络互动的有机结合很好地解决了组织形态学实验教学时间与空间的局限，降低组织形态学实验教学对现有显微镜实验条件的依赖性，有助于实验教学创新。以往组织形态学实验下课后实验内容无法再现，不利于学生课后的复习和自主学习[13]。虚拟仿真和数字显微网络互动的有机结合，不占用实验室资源，学生课后可以随时在网络上复习和巩固实验内容；此外学生能够自我组队，选择自己感兴趣的内容和题目学习相关的知识，对相关的实验教学内容进行重新组合设计，实现实验教学的创新性。虚拟仿真和数字显微网络互动系统可以设置用户权限，通过微信和微博等学生关注的信息路径共享相关组织形态学资源，随时随地利用零散时间去巩固知识点。

4 虚拟仿真和数字显微网络互动实验教学的思考

由于其良好的师生互动和组织形态的三维立体结构的再现，虚拟仿真和数字显微网络互动实验教学替代传统的组织形态学教学已经成为趋势[14]。然而在目前阶段，仍然存在一些问题值得关注。

4.1 对实验人员的要求

虚拟仿真和数字显微网络互动实验教学要求实验教学人员不仅要掌握专业知识，同时必须掌握先进的虚拟仿真教学设备和网络应用。在教学过程中，有部分教师怕接受新鲜事物，担心新设备和新系统增加工作量，有抵触情绪，不愿尝试。学校应通过组织培训和学习，让教师认识虚拟仿真和数字显微网络互动实验教学在组织形态学教学中的优势，让其明确新技术的使用可以更好地让学生掌握知识点，激发学生兴趣，提高学习效率；且该技术熟练掌握后，可提高教学效率，减轻教师负担。

4.2 虚实结合，激发学生兴趣

在教学过程中如果单纯依赖电脑开展虚拟仿真和数字显微网络互动实验教学，学生对虚拟环境中的组织形态学结构缺乏直观的体验，往往难以获得和现实实验观察相同的感受。部分同学过分依赖教师课件中的典型图像和教师发送的图像材料，从而忽视了自己对显微镜的操作和显微镜下结构的直接观察[15]。在虚拟仿真和数字显微网络互动实验开设初期，应探索学生对普通实验动手操作和虚拟网络课的反响程度和建议，对部分需要动手操作增加感知印象的实验部分予以保留，并对教学效果做出评估。因此，教师应虚实结合，培养学生利用显微镜寻找组织形态的显微结构的能力，结合虚拟系统，自我分析总结，验证组织的显微结构并推测其可能功能，从而提高教学效果。

4.3 完善的虚拟仿真和数字显微网络实验室制度

《虚拟仿真和数字网络显微互动实验室使用规定》等实验室管理规章制度和完整的管理维修档案的建立，可以让教师和学生掌握新型显微互动系统的使用方法和注意事项，引导学生正确操作，建立实验人员和学生自觉爱护设备的良好习惯；同时有助于掌握实验室仪器设备的使用和维护情况，通过分析总结为关键设备提供预知维护和保养。使用期间如出现故障应及时汇报处理并制定损坏赔偿制度，对于虚拟仿真和数字显微网络互动实验教学的正常运转相当重要[16]。

5 结束语

利用虚拟仿真和数字显微网络互动系统进行组织形态学实验教学，可以激发学生学习的主动性和创造性，将传统的相对枯燥的二维结构实验教学转变为高信息量和高度共享的三维高精度立体结构的教学方式，是体现实验教学改革的重要手段和保障。

[1]金明顺，王旸，张军明，等.组织学与胚胎学实验教学改革探讨[J].基础医学教育，2012，14(3):201－202.

[2]刘胜兵，王鑫泉，曹利仙，等.虚拟实验室与组织胚胎学实验教学[J].实验室研究与探索，2013，32(2):157－158.

[3]曹嗣瑜.“引导－探索－发现”模式在组织胚胎学教学中的运用[J].青岛大学医学院学报，2008，44(6):554－555.

[4]黄坪，李红松，潘克俭，等.基于MOOC的医学虚拟仿真实验室建设探讨[J].实验技术与管理，2014，31(12):104－106， 109.

[5]李春艳，易烨.虚拟仿真实验室的建设与实验教学的改革[J].中国管理信息化，2014，17(24):114－115.[6]

李凯，郑鹏远，刘志强，等.肠上皮细胞来源的整合素αVβ6对肠道树突状细胞TGF－β1表达的影响[J].世界华人消化杂志，2013，21(17):1642－1648.

[7]石晋丽.数字网络显微互动实验室在药用植物学实验课教学中的应用[J].中医教育，2009，28(4):41－42.

[8]范妤，李涛，刘芳.组织学与胚胎学实验教学改革的实践与探讨[J].山西医科大学学报 (基础医学教育版)，2010，12(3):279－280.

[9]魏春华，刘建奎，杨小燕.新形势下 《动物组织学与胚胎学》实验教学改革与实践[J].长江大学学报(自然科学版)，2014，11(29):98－99.

[10]秦亚静，夏波，李燕琼.数字网络显微互动教学系统在组织学实验教学中的应用[J].卫生职业教育，2011， 29(11):81－82.

[11]廖静，戴洁，刘瑜.数字网络显微互动教室在病理教学中的实践和思考[J].首都医科大学学报 (社会科学版增刊)，2009(增刊):296－297.

[12]艾彩莲.数字网络多媒体显微互动在医学形态学实验教学中的应用[J].延安大学学报 (自然科学版)，2007， 26(2):91－92.

[13]李媛媛，吴洪娟，刘雨清.医学虚拟仿真实验室的定位及应用前景[J].基础医学教育，2015，17(4):362－364.

[14]徐邦生，方政.数字化网络显微互动教室在医学形态实验教学中的使用和管理[J].南通大学学报(教育科学版)，2007，23(3):91－92.

[15]杜辉，苏衍萍，高慧英，等.数字显微网络互动实验室在组织学实验教学中的应用[J].解剖科学进展，2009，15(1):120－121.

[16]丁肖华，赵庆伟，朱琳琳，等.高等医学院校实验室管理制度的关键[J].检验医学与临床，2011，8(13):1644－1645.