虚拟切片系统在植物学实验教学中的应用

杜 坤, 傅媛媛, 郭宾会, 骆 乐, 陈一兵, 张 彪, 魏万红

(1. 扬州大学 生命科学基础实验教学中心, 扬州 225009; 2. 扬州大学 生物科学与技术学院， 扬州 225009； 3. 杨州大学 实验室与设备管理处， 扬州 225009)

植物学是生物科学类、农学类专业的一门专业基础课程，而植物学实验是植物学教学中十分重要的组成部分，是学生验证和巩固理论知识、培养动手实践能力和创新意识的重要环节[1-3]。在传统的植物学实验教学中，由于实验教学内容较多，且所有显微结构观察相关的知识和技能均需要借助显微镜才能实现，学生很难在有限的实验学时内高质量地完成实验内容，导致学习效果不理想[4-5]。

随着计算机技术和网络技术的发展及“互联网+”时代的到来，在给生活和知识获取途径带来变革的同时，也给植物学实验教学改革工作带来了新的机遇[6-8]。为了提升实验教学质量，扬州大学生命科学基础实验教学中心在开展数码显微互动实验教学的基础上，自主研发了“数字切片系统”，通过构建和实施“虚实结合”的实验教学模式，突破了时间和空间的限制，丰富了实验教学内容，提高了学生的学习兴趣和学习效率。

1 传统植物学实验教学的局限性

由于植物学学科直观性和描述性的特点，植物形态解剖部分的实验内容常以植物体形态结构的观察为主[9]，这部分内容要求学生掌握植物个体各组织器官的显微结构特征和常用的制片技术。在传统的实验教学中，主要存在以下不足：1)显微结构的学习需要借助显微镜和玻片标本，学生在课前无法进行充分的预习，课后也不能及时地进行复习，不利于知识点的掌握。2)植物的生长发育是一个连续的过程，只观察某个(或几个)点上的结构，很难掌握这个动态的生长过程。3)玻片标本易损坏，优质标本既难以实现共享，也不易长期保存。4)某些常用的制片技术，如石蜡制片技术，操作过程复杂，要求高，周期长(一般需要数周)，这部分内容往往只能在课堂中进行演示。5)相关知识的考核要借助显微镜，在教师学生一对一的情况下开展，实施起来难度较大。这些问题严重制约了植物学实验教学的效果，不利于学生对相关知识的有效掌握。

2 构建虚拟切片系统

为了克服传统植物学实验教学中的缺点，我们将包含典型结构的玻璃装片使用奥林巴斯BX51全自动显微镜在40倍物镜下进行全幅数字化扫描，并进行数字无缝拼接融合，形成数字切片库(已完成120余张数字切片的制作)；将显微镜的使用(含生物显微镜和体视显微镜)、徒手切片技术、临时装片技术等相关实验技术制作成视频，并将植物体部分组织器官的关键发育过程制作成Flash动画；采用Unity3D、Maya及3DSMax技术把耗时长、过程复杂的石蜡切片技术制作成3D虚拟仿真资源；然后，采用数据库技术和.NET技术等将数字切片库、视频、3D资源等整合成“虚拟切片系统”(含PC和智能移动客户端，本软件已获得计算机软件著作权证书)，使其具备观摩学习、自主学习、在线提交实验报告及在线考核等功能，系统整体架构如图1所示。进入系统前，需要进行登陆，系统会自动判别用户的身份(学生、教师或管理员)，以进入不同的功能区。

图1 虚拟切片系统架构图

2.1 观摩学习

观摩学习模块主要提供数字切片及相关知识点、视频和动画的观摩学习、石蜡制片3D资源的在线学习等。在数字切片功能模块中，左侧为资源选择功能区域，右侧为数字切片显示区域，右下角为某个数字切片的全幅缩略图，右上角为放大、缩小、标尺等工具区域(图2)。用户首先选取切片的分类(如细胞、组织、根、茎、叶等)，再选择切片的名称(如毛茛根横切、椴树三年生茎横切等)，最后选择知识点名称，即可在数字切片中查看所选取相关知识点的位置及详情。数字切片加载完成后，可以在40～600放大倍率之间进行任意的放大和缩小，并在右上角显示实时的放大倍数，也可以使用标尺工具来表示单位长度在图上的实际大小(如10 μm、50 μm等)。同时，为了解决由于数字切片数据量庞大(1张全幅的数字切片原图数据量约为20～30 GByte，经过压缩转换成JPEG或TIFF格式后，仍有约30～80 MByte/张)而导致的图片加载速度慢、移动客户端消耗流量大等问题，使用了数字地图的技术，即将一张数字切片平均分为几百个尺寸相同的小块，一般情况下只加载屏幕显示区域的部分，其他部分不进行加载。

2.2 自主学习

为了进一步巩固和加深对相关知识的理解和掌握，根据学生知识获得的客观规律，在观摩学习后，安排学生开展数字切片的自主学习。此模块的主要功能是提供知识点的自主标注，学生在选择好某一个切片后，可以对此切片进行自主标注，并自动保存在数据库中。

此外，自主学习模块还提供资源上传、共享的功能。当学生发现一张比较典型或特殊的切片时，可以借助数码显微镜将其拍摄下来，在使用Photoshop等软件进行知识点标注以后，可以上传至本系统，在管理员审核后便可发布。这种开放式的资源管理模式，不但调动了学生主动参与实验教学资源建设的主观能动性，丰富了实验教学资源，而且最大化地实现了优质数字化资源的共建与共享。

A:椴树茎横切(箭头所示为初生木质部);B：百合花药横切(箭头所示为绒毡层);C:系统左侧功能区域

图2 观摩学习模块

Figure 2 The functional module of observation learning

2.3 实验报告

在实验课上，学生通过本模块在进行本次实验相关知识点的标注后，可以作为实验报告在线提交，教师可以在线进行批复，实现了实验报告的数字化管理，解决了以前使用传统纸质实验报告带来的诸多管理问题。

2.4 虚拟考核

本模块分为阶段考核和期末考核。阶段考核是指在实验课程的某个(某几个)阶段，由系统在数字切片库中按切片类别随机组卷，学生按照题干的要求进行标注，系统自动批改并记录成绩。期末考核是指由教师在数字切片库中手动定制一份试卷，由学生在相同的时间和地点完成同一份虚拟切片试卷，并由系统自动批改(或人机双工批改)。

2.5 其他资源

将显微镜的使用方法，徒手切片、临时装片等实验技术制作成视频；将植物体某些组织器官生长发育的过程(如维管形成层的发生及活动、茎的维管形成层的发生、花芽分化、花药及花粉粒的发育)制作成Flash动画；使用Unity3D技术将石蜡制片的规范化操作流程及其注意事项制作成3D虚拟仿真实验(图3)，学生可以进行在线观摩学习。上述资源主要解决学生对植物体动态连续的生长发育过程难以理解，对耗时长、过程复杂的石蜡制片规范化操作流程难以掌握的问题。

图3 石蜡制片3D虚拟仿真资源

Figure 3 3D virtual simulation resources for paraffin section

2.6 交流讨论

师生可在此模块对实验内容、实验方法及实验结果等进行在线交流或发帖讨论。

3 构建“虚实结合”的实验教学模式

为了充分发挥数字化资源的优势，提高学生学习的兴趣和积极性，我们把实验教学流程分为实验前、实验中和实验后3个阶段，将3个阶段中分别在虚拟实验室和实体实验室内开展的教学工作具体化、制度化，构建了适合我校植物学实验教学的“虚实结合”的实验教学新模式(图4)。

实验前，学生应用数字切片在线学习植物体各组织器官的典型显微结构，通过3D石蜡制片虚拟仿真资源了解制片的规范化流程，通过视频、动画等辅助教学资源了解实验技术与方法、仪器设备的使用等。学生通过对这部分内容的学习，在实体实验开始前能够对实验内容有一个较强的感性认识，实验课中教师可以减少对实验原理、实验方法、注意事项等内容的讲解，而主要负责指导和解答，将实验学时更多地用于学生的动手实践[10]。同时，还可以将实体实验的操作、结果观察等与虚拟切片中的资源进行比对，解决了以往实体实验中典型结构材料难以获得的问题。课后，学生可在线撰写实验报告并提交，可开展自主学习和交流讨论。

图4 “虚实结合”的实验教学模式

此外，教师还可对学生所学知识的掌握情况进行在线阶段性考核和期末考核，并与学生的实验报告成绩、平时实验操作、实验技能掌握和课堂答题等情况综合加权平均得出最终的实验成绩，实现了实验考核的全程覆盖。

综上所述，扬州大学生命科学基础实验教学中心依托国家级虚拟仿真实验教学示范中心和江苏省虚拟仿真实验教学共享平台的建设，通过构建植物学虚拟切片系统，并将其和实体实验教学资源进行有机结合，开展“虚实结合”的实验教学工作，有效地拓展了实验教学的时间与空间，充分调动了学生学习的兴趣和主动性，提升了实验教学效果，实现了实验考核的过程与结果并重，也为开展MOOC和翻转课堂等教学新方法，以及学生自主型实验学习目标的实现创造了条件。