基于虚拟仿真实验平台线上线下虚实结合在组织学实验教学中的应用*

程 云，彭景贤,岳淑芬，宋 芳，陈 晶，赵紫薇，杨美霞，韩晓敏

(1.内蒙古科技大学包头医学院组织学与胚胎学教研室，内蒙古包头 014040；2.包头市疾病预防控制中心微生物检验科)

随着互联网技术的快速发展，虚拟仿真实验教学平台在医学院校中得到了广泛应用，此平台是基于虚拟显微镜(数字切片)系统建立的教学平台，弥补了传统实验教学观察切片必须依赖显微镜和玻璃切片的局限性[1]。同时随着“互联网+”的繁荣，大规模在线开放课程(massive open online courses，MOOC)、翻转课堂、小规模限制性在线课程(small private online course，SPOC)等多种教学方式的出现，并且结合各类在线平台和课堂教学优势的线上线下混合教学也越来越多地应用于教学实践中[2]。本校虚拟仿真实验教学平台的引进，有助于更新实验教学理念，特别是形态学实验教学方面，突破传统的教学模式，极大地助力线上教学。本文主要论述了传统显微数码互动实验教学存在的问题和虚拟仿真实验教学平台结合混合式教学的探索实践。

1 组织学实验课教学现状

为了提高教学质量，学校先后引进了数码互动实验室和虚拟仿真实验教学平台。目前组织学实验线下教学主要是在数码互动实验室以观察玻璃切片的形式为主，教师在上课前需要做好课前准备，找到较为典型的玻璃教学切片，使用数码显微镜将要观察的重点、典型部位拍成图片，制作成幻灯片以便在实验课使用。课上，教师先以幻灯片形式讲解重点切片结构，再结合数码互动系统教师端或学生端电脑演示玻璃切片结构，最后学生结合形态学实验指导，利用数码互动系统光学显微镜自己观察玻璃切片，并找到重点结构，在此期间教师对学生进行个别辅导[3]。目前，由于虚拟仿真实验教学平台未与数码互动系统教师端和学生端电脑联网，因此学生无法在课上直接观察数字切片，只能通过手机端登录虚拟仿真平台。因此，组织学实验课线上教学主要以课前预习、课后切片复习的方式进行；另外课中如果遇到玻璃切片质量问题或结构不典型的情况，学生可用手机登录虚拟仿真平台观察数字切片，以弥补玻璃切片的不足。虚拟平台还可以用于第二课堂开放实验室，拓展学生阅片量，特别是在切片考试前用于线上复习非常方便。通过线上线下虚实结合的形式开展组织学实验课收效颇丰，很受学生欢迎。

以临床医学专业本科实验一为例，授课内容包括7张切片，即单层立方上皮、单层柱状上皮、变移上皮、假复层纤毛柱状上皮、复层扁平上皮、疏松结缔组织铺片和示教切片(浆细胞)。在讲切片之前，首先讲显微镜的使用和注意事项，其次告知学生本门课的课程要求及考核方式，考核方式即理论考试、切片考试、单元测试或平时成绩(优慕课或雨课堂)等，各部分所占期末成绩比例。然后再以幻灯片形式讲解重点切片，所谓重点切片包括画图的切片，一般每次实验课要求画2个图，比如实验一中的单层柱状上皮和复层扁平上皮要求画图，另外还有1张重点切片是填图的切片，比如实验一中的疏松结缔组织铺片。剩余其他3张切片以学生自己观察为主，教师以个别指导为辅，对于示教片(浆细胞)，教师以大屏幕投屏的形式进行集中讲解。学生在观察切片过程中，如遇问题可随时提问，教师给予个别辅导，如果遇有普遍性存在的问题，教师提醒学生暂停观察切片，以大屏幕投屏形式集中详细讲解问题切片。由于课堂时间有限，原则上以观察切片为主，实验报告当堂完不成，特别是绘图画不完的学生，可以课下完成。在未引进虚拟仿真实验教学平台之前，学生用手机将镜下图像以拍照形式带走，课下完成实验报告。如今，学生课后通过虚拟仿真平台线上观察数字切片就可以完成绘图任务。因此，本研究着眼于充分利用学校现有教学资源，即利用虚拟仿真平台和数码互动显微实验室来进行线上线下混合式实验教学改革，从而提升教学质量，提高学生实验成绩，同时也希望能为同行在实施实验教学改革时提供一定的参考价值。

2 目前实验室存在的问题和局限性

我校于2008年先后建立了6个数码显微互动实验室供组织学与胚胎学、病理学和寄生虫学的实验教学使用。不管是传统的光学显微镜还是目前医学院校通行的显微数码互动显微镜，都离不开玻璃切片。但玻璃切片在实验教学中存在诸多局限性：(1)使用时间局限性。组织学实验课一般每周只安排1次，一次只有4学时，课上尽管学生充分利用时间观察切片，但总有意犹未尽的感觉，个别学生对显微镜的使用不熟练，镜下寻找切片重点结构较困难，因此费时较长，造成课上时间不够用。(2)使用空间局限性。由于观察玻璃切片离不开显微镜，而显微镜又局限在实验室，因此学生在课后如果想继续观察切片，就必须与实验教师在课余时间预约使用，造成一定的不便。(3)玻璃切片易损，不易永久保存。无论是制作过程，还是使用过程，玻璃切片均易破损，更新较难，另外切片存放越久，越易褪色，不易储存。(4)切片的同质性难以保证。我校有4个数码互动实验室可供组织学实验课使用，每个实验室可容纳45人，每种相同的切片至少要准备180张，才能保证学生人手一张同时上课，再加上每年切片的损耗，平时虽然有备用切片可以更换，但很难保证切片的同质性。因此，为了满足教学需求，不得不重新制作或购买切片来补充和完善玻璃切片库。这样切片的质量就难以保持一致，典型结构也难以保证每张切片都有，即使有，清晰度和完整性也难以保障。使用不同批次、不同质量的切片进行授课，既不利于教师示教，也不利于学生观察。

3 虚拟仿真实验教学平台的优势及混合教学的实践探索

我校于2016年始陆续建设并升级了基础医学虚拟仿真实验教学平台(http://jcsy.btmc.edu.cn/)[4]。平台涵盖了5个虚拟实验模块，即人体解剖学虚拟实验模块、显微形态学虚拟实验模块、医学机能学虚拟实验模块、生物化学与分子生物学虚拟实验模块、病原生物与免疫学虚拟实验模块[5]。其中显微形态学虚拟实验模块包括组织学、病理学、寄生虫学等形态学数字标本库，组织学标本库现有数字切片1 201张，按照教学大纲分为18个章节，每个章节配有相应的视频教学课件，全面辅助学生自主学习，见图1；病理学标本库包含病理学切片库和大体标本库，病理学切片库现有数字切片1 474张，大体标本库现有标本743个；寄生虫学标本库现有标本939个。

图1 组织学数字切片标本库

3.1虚拟仿真实验教学平台的优势 虚拟仿真实验教学平台数字切片源自玻璃切片，它是利用全自动数字切片扫描系统，在高倍镜下对传统玻璃切片进行分割扫描，无缝拼接，最终生成数字图像，以电子文档的形式永久保存。数字切片具有如下优势：(1)观察切片不受显微镜和实验室的限制。数字切片不依赖于光学显微镜，只要有网络，有电脑或者手机，可以随时随地打开虚拟仿真平台，全天候阅览切片，有利于课前预习及课后复习，满足了学生个性化、碎片化的学习需求，变局限性为便利性，使学习更方便有效。(2)图像清晰，色彩逼真。数字切片图像分辨率高，模拟显微镜，图像色彩和清晰度不产生失真。(3)操作简单，定位精确。数字切片通过全景导航图快速地定位于需要观察的结构，拖动鼠标滚轮或手机手指触屏可以定倍率或任意倍率连续、快捷地使图像高保真放大或缩小，给学生一个从全貌整体结构到局部微细结构直观性、连续性变化的视觉感受，模拟显微镜充分体现了形态学实验教学展示结构图像的典型性和全息性[6]，见图2。(4)数字切片资源丰富。相同组织、器官有多张切片，且来源、染色都有可能不同，大大提升了学生的阅片数量和阅片质量。(5)数字切片库资源可以不断更新、优化，丰富了教学资源，这样既提高了资源的利用率，又提升了教学质量，也激发了学生的自主学习兴趣。

图2 数字切片导航图(左上角十字导航标)

伴随着互联网技术的飞速发展，催生了一大批智能设备，使高校教育教学方法、手段不断更新，教育形式不断走向网络化，线上线下混合式教学模式已成为当前高校课程改革的重要实践方向[7]。

3.2具体实施方案 2020年上半年新冠疫情期间组织学实验课全部采用线上教学，且全部使用虚拟仿真实验教学数字库切片进行讲解，效果很好。鉴于此，下半年开学后，组织学实验课开始尝试实施线上线下虚实结合的形式进行混合式实验教学改革。

线上教学目前主要依托虚拟仿真平台，以课前预习和课后复习及自主学习为主。课前通过雨课堂或优慕课发布下一次实验课预习幻灯片，内容包括学习目的、观察的切片内容(典型的结构)及相关临床疾病的思考题。目的是让学生结合虚拟数字切片进行自主学习。通过预习熟悉课堂需要掌握的切片内容，并结合理论课内容能看懂切片，学会归纳总结每张切片的形态特点，培养学生提出问题、解决问题的能力，训练学生的科研思路。

线下教学主要通过显微数码互动系统观察玻璃切片，教师精讲重点切片、重点结构，留给学生足够的时间自己观察切片，如遇问题，教师个别辅导，如果是普遍存在的问题，则通过教师端电脑集中讲解并演示切片。组织学实验共7次课，我们尝试在其中的2次实验课，即消化系统和呼吸系统的相关内容，采取了混合式教学模式，主要以小组讨论的形式进行线下教学。每组5～6名学生，通过小组协作，选派代表在课堂展示课前通过数字切片预习的内容制作好的幻灯片并讲解，同时解答其他小组同学提出的问题，课堂上争取完成相应作业(以实验报告形式)。课堂上学生在进行小组互评和讨论的时候，教师可以引导学生讨论并做出适当点评。最后教师以小结形式总结本次实验课重点和难点切片，对每组学生的表现做出客观评价，并布置下一次实验课的预习内容及相应思考题。为了增加师生互动，在课堂上还安排了与组织学相关的临床案例讨论，如用组织学学过的知识讨论过敏性哮喘的发病机理；显微镜下如何识别呼吸系统肺的导气部和呼吸部；如何识别食管、胃和小肠等不同消化管等。通过案例分析和鉴别讨论，目的是提高学生的学习兴趣，活跃课堂气氛。

线上线下虚实结合的混合式教学模式充分实现了以学生为中心，能力培养为导向的教学理念。通过线上线下虚实结合的教学改革，虚拟仿真实验教学平台形态学数字标本库，为学生自主学习提供了优质的数字切片资源，数字切片保证了切片的清晰度、同质化，而且同一组织或器官，均有多张切片，拓展了学生的视野和思路。不同来源不同染色的切片，从不同的角度观察，既锻炼了学生辨别切片的能力，又为切片考试奠定了坚实的基础，同时也为今后临床病理诊断奠定了基础。显微数码互动系统主要应用于课堂教学，改变了以往教师先讲幻灯片，然后示范讲解重点切片，最后学生自己观察切片，在这过程中教师个别辅导有问题的学生，学生的主动学习性较差，效果欠佳。在线上线下混合教学过程中，教师和学生的角色发生了变化，教师从“教”为主转变为“导”为主，学生从被动接受知识转变为主动学习知识。课堂教学形式发生了改变，首先是将学生分组，各组学生根据预习内容做好幻灯片，课堂上包括学生分组讨论，组间互评，教师点评等多个环节，并且可以作为形成性评价给出成绩，这样既提高了教学效果，又改变了课堂教学模式单一的问题，为形态学混合式实验教学改革提供了思路。

4 结语

利用虚拟仿真实验教学平台实施线上线下混合式实验教学改革对教师教学功底提出了挑战。首先对传统教学模式提出了挑战，既不能丢弃传统的以显微镜观察玻璃切片的形式，还要结合当前新的高校教育教学理念，结合新的线上数字切片教学平台，即虚拟仿真实验教学平台，做到虚实结合。不断学习新科技、新手段、新方法、新应用，做到与时俱进。其次对教师在教学中的地位、角色、作用也提出了新的挑战，从以“教”为主转变为以“导”为主，在“导”的过程中不只是考验教师对专业知识的掌握、应用和对学科前沿的了解情况，更重要的是对课程的设计，如何讲好这节课，强调的是方法，即“授之以渔”，而非“授之以鱼”。另外对教师如何合理安排授课内容提出了挑战，如何做到线上线下相得益彰，既要让学生扎实掌握知识，还要让学生感到不累，课上课下都很轻松，这就给教师提出了更高的要求，需要积极探索，不断尝试，不断进取，为教学改革摸索新路子、新方法。然而在混合式教学改革实施过程中也存在一些问题和不足，由于个别学生的参与度和学习积极性不高，导致课前布置的任务完成的质量不是很好，有些学生准备不充分，因此在课堂分组讨论过程中，讲解内容匮乏、不饱满，小组成员配合度不够默契。这就要求教师的教学设计更加合理，一定要适合学情，在掌握学情的基础上，首先激发学生的学习兴趣，使教与学同步，师生间只有产生了共鸣，才有可能有更好的教学效果，教师“领唱”，学生“合唱”，这才是理想的教学舞台，才能提高教学质量。