基础医学形态学智慧实验教室的建设及应用

刘勃志,邵 琳,吴菲菲,刘楠楠,张 帅,张海锋,王亚云,田 菲△

(1空军军医大学基础医学院基础医学国家级实验教学示范中心, 西安 710032; 2空军军医大学基础医学院外语教研室; △通讯作者)

广义的基础医学形态学课程包含组织学与胚胎学、细胞生物学、病理学、寄生虫学、微生物学等,除理论知识部分外,不同类型显微镜下的操作训练是基础医学形态学令学生感受更为直观深刻的教学环节。目前,国内高校已通过多种数码显微互动系统(例如Motic数码互动系统等)实现了病理学等课程的信息化教学迭代,克服了传统教学法中模式相对单一,信息化教学力度不够,教学资源有限,无法实现显微镜图像共享以及师生缺乏互动指导的缺点[1]。数码显微互动系统在近5年的形态学实验教学中,一些新的问题逐渐显现[2]。因此,我校针对形态学实验课堂进行信息化改革,将数码互动系统升级为基于5G-wifi局域网显微数码系统。其具有全自动组网、低时延和高速连接特点,可以实现海量数据采集、满足智慧教学为目标的应用需求。

1 基础医学形态学智慧实验室建设现状研究

传统形态学数字教室解决了以往实验教学中因大规模、多轨道教学对教学切片的损耗极大,导致教学标本存在缺口,影响实验课教学效果的缺点[3]。同时,数字化教育设备及多媒体辅助教学将形态学实验课资源电子化,通过多媒体图片、视频展示,使各形态学学科的教学内容变得直观、生动,在很大程度上提高了教学效果[4]。随着数字化教室的运行,现行教学体系逐渐显现以下问题[5]:①师生操作不熟练导致无法最大化发挥系统的教学功能;②学生仅观察虚拟标本,不看大体实物;③软件系统的滞后性导致图像失真;④学生过度依赖计算机画面,彻底不看显微镜;⑤软件设计脱离实际应用场景[6]。

近年来,智慧实验教室作为信息化技术在实验教学领域的迭代获得关注。为进一步指导智慧教室的建设,国务院办公厅发布关于《加快医学教育创新发展的指导意见》[7]。由北京师范大学黄荣怀等提出的“SMART”智慧教室概念模型[8],即内容呈现(showing)、环境管理(manageable)、资源获取(accessible)、及时互动(real-time interactive)、情境感知(testing)。该五个评价维度也成为我中心形态学智慧实验教室的论证建设环节的重要参考。我们将该模型与医学实验教学互动性强、抽象化的特点相结合,着力打造一种教学内容优化呈现、环境管理集约高效、资源获取方便快捷、课堂交互积极开展,具有实验教学情境感知功能的智慧教室,也是首次将智慧教室概念应用在医学形态学实验教学之中。本文就基础医学形态学智慧实验教室的具体设备组成和功能实现及其未来优势作以介绍和展望。

2 我校基础医学形态学智慧实验室的组成

2.1 形态学智慧教室的特色优势

我中心依据“金课”建设的基本三个特色[9],即:师生互动、关注过程、严格要求,实现适用于“智能+”时代的智慧教室软硬件设备构建及初步应用。为了积极发展“智能+”教育的医学形态学智慧教学新模态,我中心建设的智慧教室具有以下特点:首先,中心及时升级更替物理硬件,利用5G网络优势实时在线更新软件系统,彻底解决操作界面老旧、使用学习不便的长久性问题;其次,中心在具体将信息技术与医学实验教学课堂结合的过程中,切实考虑实际应用场景[10],做好教师教学供给端的升级优化,如何安排自主学习、何时由教师把握授课节奏,使得新技术应用既不会因操作繁杂而退化至传统以教师为中心的课堂,又不会因学生自主学习执行力差异导致课堂秩序的混乱。

2.2 形态学智慧教室的基本架构

为了充实课中自主学习手段,增强课堂互动性及延伸学习,以利于进行个性化教学,并且依据课堂数据分析建立个体化评价分析体系,基于现有发展的物联网技术,智慧教室的基本架构可以大致归纳为以下五个层面。

2.2.1 “智能管理”物理层 “智能管理”物理层主要包括智慧教室的基础设备及联网设备。智慧教室基础设备包括有互动显示大屏、显微镜一体机、桌椅、空调等。显微镜一体机是本智慧教室的关键学生终端,其主要构件是科研级显微镜和轻便式平板电脑。同时,根据课堂授课需求和互动应用情况,中心安装相关的教室门控、设备电源智能开关、监控及仪器预约等智能模块。

2.2.2 “5G无线”网络层 网络是数据传输的关键结构,基于5G wifi实现“智能+”物联网的数据传输功能,保证学生端的数据能够稳定简洁的传输至教师端,为提升课堂互动性及个体化指导等智慧教学提供服务。

2.2.3 “云端存储”数据层 数据层主要提供学生学习行为及课堂教学轨迹数据的储存、后台控制及大数据分析能力。大量在线学习资源和学习行为分析信息,可以建立变本地化的教学资源平台,兼顾保密性和共享性。通过互联网云端储存资源,如数字病理云切片标本库等,可为学生提供更加丰富多样的知识体量[6]。

2.2.4 “个性学习”应用层 智慧教室软件服务平台能够整合课堂信息及学习行为数据,为教学方式的丰富性和学习方式的多样性提供有效稳定的支持。本实验室主要应用KOPA 5G wifi显微数码互动系统。

2.2.5 “情境感知”交互层 智慧教学系统其应用对象始终是教师及学生。学生可以通过用户端的课堂实施操作,与教师端实时分享学习进度。教师也可在教师端浏览、监控所有学生的显微镜下影像,通过私信或课堂典型案例点评的方式直接进行教学工作,引导高效的学习成效。

2.3 形态学智慧教室的网络要求

由于智慧教室的硬件功能是搭建在带宽稳定的校园网上,对数字化设备进行操作,其网络搭建和空间设计显得十分重要。通过校园网与云平台服务相连接,教室通过路由器分成一个个小的局域网,避免教室间互相信息干扰。基于5G的wifi技术拥有最少3个特点:①穿透性弱;②稳定传输;③不干扰、信道多,避免了学生端之间无线信号的干扰。智慧教室在此基础上应用迷你视频矩阵,实现不同学生端之间课堂数据的高效、可靠、稳定的无线传输,实现授课全过程、多学生点位的智能化分享及控制,保证教室无线通讯稳定。

3 形态学智慧化教学场景的实践应用

以我中心细胞与分子基础课程中细胞器的观察章节为例,形态智慧教学场景的应用可分为以下5个教学环节:点名、示范、对比、标注、强调;2个辅助环节:监控、考核,重点把握调动学习动机,促进掌握性学习,培养探索思维的“三步序贯”教学设计运用,见表1。

表1 形态学智慧实验教室的教学策略及动机设计

3.1 点名环节

教师可通过显微镜一体机控制软件,设置实名登录选项,实时显示显微镜数量的同时,相应编号后同步后缀学生姓名,便于提问互动。

3.2 示范环节

本章节的学习目标是利用光镜观察细胞器的形态,包含高尔基复合体(兔脊神经节切片)、线粒体(蛙肾切片)、中心体(马蛔虫切片)等。学生正式自主观察前,教师利用授课模块共享教师机镜下视野,为学生示范典型细胞器形态。教师机可以把选中的学生端画面实时显示到全体学生智能机上,起到示范教学作用。

3.3 对比环节

学生自主观察过程中,如遇问题,可利用微信模块在线举手提问教师。教师阶段性汇总学生典型问题,并将选定的学生智能机屏幕画面进行分析比较,统一讲解,极大提高解决问题的效率,在有限的教师资源和庞大的学生辅导需求之间,提供高效解决方案。

3.4 标注环节

教师可对细胞器的典型图像、文档进行批注、编辑,并将操作过程实时推送到全体学生智能机,使用系统自带的标识工具对兔脊神经节切片、蛙肾切片、马蛔虫切片实施形态学或定量描述。此环节中,教师也可选取多名学生多屏互动,采用课堂小组互评的方式,激发学习竞争力与热情。

3.5 强调环节

学生实操环节结束后,教师机发布“肃静”功能,学生屏幕即刻进入黑屏状态,可将全体学生注意力集中于教师重点讲解。授课小结时,教师再次强调本节课的授课重点,即高尔基体、线粒体、中心体的形态特点以及油镜的使用方法。重难知识点的多次重复以反复内化,建构关于细胞内细胞器相互运作的知识新体系,实现掌握性学习。

3.6 监控环节

教师通过观察所有自动同步至教师端屏幕的学生端影像,可判断是否正确理解本次实验课的实验意图;单屏显示学生端画面时,可以控制学生端影像的属性,指导学生进行正确操作,可对指导过程进行拍照、录像;还可对单个、多个学生端画面进行拍照、录像、宏观拍照、宏观录像。课程结束后,学生可拷贝所有学习成果便于课后复习,同时提升学习成就感。

3.7 考核环节

系统支持师生使用软件自带的通信功能,传输文件、文字、图片。教师可选取本地磁盘内的电子试卷(作业)一键自动下发到所有或选定的学生智能机内。学生在智能机上完成试卷(作业)后上传并自动保存到教师端指定的路径内。文件夹以学生登录的用户名自动创建,无需教师一一操作,方便教师随时查看、移动、分享、删除等。

4 基础医学形态学智慧实验室的建设意义

4.1 提升智慧教学设计,教学手段个性化

传统的形态学教学方法以教师的讲授为主,形式较为单一。教师是教学的中心,学生是被动的接受者。学生对知识的接受程度不高,运用知识的能力不够,不仅扼杀了学习兴趣,也剥夺了自主学习的权利。随着CPC、PBL、TBL等新兴的、多元化的教学方法不断走进形态学教学课堂,学生的学习兴趣不断被激发,自主学习能力也有了很大提高。因此,形态学智慧教学应充分考虑学员“学”的认知规律,采用“三步序贯”教学设计策略[11]:第一步是将注意力、切身性、自信心和满足感四个动机系统设计要素融入教学策略,有效维持并调动学生的学习动机;第二步是符合认知规律,在教学方法实施上力求符合布鲁姆认知分类认知规律[12]。教学内容难度由低到高逐层开展,使学员对知识体系实现记忆、理解和应用,进而实现分析、评价和创造等高阶认知活动,有效提升教学效率;第三步是培养探索思维,提升开放性研学能力。三步走梯次展开教学内容,序贯提升认知层次,有效实现教学目标,将教学设计与集成化、小型化的硬件设备有机结合,应用多样化的软件功能实现设计策略的落地与实施,最终实现课中自主学习手段多样化,课堂提高互动性及延伸学习积极性,以利于个性化教学,并且依据课堂数据分析建立个体化的评价分析体系。

4.2 促进以学生为中心,教学理念智慧化

形态学智慧教室应具备课前预习、课堂互动、课后巩固的多方位教学功能。因此,多元丰富的学习方式需要智慧软件提供,将实现对话课堂,而不是灌输课堂;知行合一,而不是重知轻行。传统的教学空间无法自然形成人性化互动交流与创新智慧碰撞的氛围,无法高效促进学生创新思维的培养。为配合教学理念从以教为中心向以学为中心转变,我中心努力建设互动式、智能化、多样性的智慧教学环境,实现教学空间与教育理念、模式和教学方法的双向促进。

4.3 课程以成果为导向,促进能力高阶化

在以往探究式课堂的实施中[13],教师常遇到学生在实验操作阶段进度不一致的问题。而通过形态学智慧一体机的信息化互动手段,教师能够更加高效地针对这种学习差异进行个性化响应,以实现对教学效果一致性的保证,充分体现了基于信息化大数据背景下的智慧化教学。教师课后运用问卷进行教学效果调查,共发放121份调查,回收121份,回收率100%。结果显示:对于授课效果,115名形态学实验教师认为采用信息化教学资源授课后,课堂的教学效率和质量得到了提高(95.05%);对于智慧教室的使用意愿,112名教师愿意通过信息化资源提升教学水平及效果(92.57%);对于学生表现,113名教师观察到信息化教学资源的应用能显著调动学习动机(93.39%)。教室升级投入使用以来,有效提升学生学习积极性,尤其是学生创新能力培养效果突出。近两年,本科学员在第五届全国医学生解剖绘图大赛获得一等奖1项,二等奖2项,三等奖2项;第八届全国大学生健康科普大赛三等奖2项,优秀奖1项;第二届校级形态学摄影精英赛特等奖1项,一等奖1项,二等奖2项,三等奖3项。形态学智慧教室的使用,助力课程建设,使我校形态学系列课程组织实施有长足进步。其中细胞与分子基础、病理学等形态学课程获评陕西省线上线下混合式一流本科课程,人体解剖学获评国家级线下一流本科课程。

实践证明,形态学智慧教室的运用能够较充分地达到教学效果。示范中心基于相关信息化教学改革,举办了全国医药高校青年教师实验教学信息化培训,共有来自33个省、市、自治区的576位教师报名参加本次培训,服务于不同教师群体的多样化背景和需求,使新的教学观念内化于教师之心中,为大力开展教学改革,为形成新的“金课”建设格局打下坚实的基础。

5 展望与反思

形态学智慧实验教室是利用5G-wifi物联网等技术,实现互动式、智能化、多样性的智慧教学环境,是医学实验教学领域的深度革新和有效的教辅实验方式。智慧教室通过对课堂节奏的统一把控,实现了教学手段的全方位覆盖,提供精准教学、个性化服务,是比数字化校园更加智能化的教学方式。它弥补了传统实验教学中教师辅导效率低下、图像共享不够快捷便利、师生互动机械老套的问题,极大改善了教学设计实施环境和最终的教学成效质量。与此同时,基于智慧教室的教学策略使得在智慧教室运转的过程中,硬件维护与正确指导同样至关重要[14]。开展教学活动之前,中心应对相关课程教师进行数码显微互动系统的教学系统相关操作的正确指导,确保教师能够在最短的时间内掌握相关设备和系统的应用,以此保证系统的完整性和使用体验,进一步发挥数码显微互动系统的优势和价值,并且延长数码显微互动教学系统的使用年限。

不能忽视的是,在问卷调查反馈中,确实有少部分教师更习惯传统教学方式。这也提醒我们在构建智慧教室时,不应一味追求硬件先进,技术领先,而应以形态学实验课堂的实际需求为本,进一步深化智慧教室建设及教学方法的跃升。未来信息化教学改革之路中,如何避免过度注重教学形式而忽略教学内容和效果的倾向,需要我们进一步优化改革。