顯微數碼互動實驗室系統在微生物實驗教學中的應用

胡國元，胡 婧，朱雄偉，孫 煒

(武漢工程大學化工與制藥學院，綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

顯微數碼互動實驗室系統將數碼顯微鏡與計算機系統和網絡等相互結合，創造了師生之間類似語音教室的交流手段，這一系統將傳統的由教師個別地手把手教學生用顯微鏡進行微觀形態觀察實驗教學模式，變為師生互動、圖像共享、高效率的教學體系。它一方面消除了師生之間和校際間在顯微圖像上的溝通障礙，使師生之間的交流直觀而有效；另一方面也可使教師迅速而有效地對全體或個別學生給予指導或幫助；還可發揮計算機強大的圖像處理和保存功能，并與網絡系統連接，實現圖像和資訊的異地實時共享。這些都為生物形態教學方式帶來了革命性的變化[1]。武漢工程大學微生物學實驗室引進了Motic顯微數碼互動系統,并成功應用于微生物學實驗教學中，取得了良好的教學效果。

1 傳統微生物學實驗教學的現狀

微生物學實驗課程的基本要求是通過本課程的學習，學生必須學會顯微鏡的使用技術、無菌操作技術、微生物的制片與染色技術、微生物大小測定和計數方法、培養基制備與滅菌技術、微生物的純培養技術等，而微生物學實驗課程的大部分微觀形態學實驗課都離不開顯微鏡的使用。傳統的微生物形態學實驗教學模式是在課堂上學生們各自使用顯微鏡,孤立地做各自的標本或制片觀察,存在的主要問題如下：

1.1 教學效率低且師生溝通少[1-4]

傳統的微生物學實驗教學模式注重對理論知識的驗證,忽視綜合實驗技能的培養。在課堂教學時間內，教師除了負責主場教學外，在所剩不多的時間內，教師只能指導有限的幾個學生，大部分的學生不能得到有效而及時的輔導。

教師與學生及學生之間的溝通和交流受到時間、空間的限制，使得教師不得不經常重復回答不同學生提出的相似問題；而學生由于只能單獨觀察操作自己的實驗內容，看不到老師或其他同學的實驗過程，經常發生學生排隊等老師回答問題的情況。

1.2 教學內容局限和教學資源缺乏共享[1-2]

由于傳統顯微鏡功能的限制，使學生在每一次課堂教學中，只能觀察到有限的幾種材料的微觀圖像。微生物學實驗教學的內容嚴重受限制。

微生物學實驗教學資源無法共享也是傳統顯微鏡教學中的一大弊病。由于在傳統微觀教學實驗中，不能實現圖像的遠距離傳送和儲存，一些好的材料、好的現象和好的結果只能局限于某一次實驗課或某一個實驗室中，而無法在另外的時間或不同的實驗中再現，更談不上校際資源共享。

2 Motic數碼互動實驗室系統的組成與特點

Motic數碼顯微互動實驗室系統包括數碼顯微鏡系統、圖像系統、語音問答系統、計算機軟硬件系統。

Motic數碼顯微互動實驗室系統特點有：Motic系列高品質顯微鏡；量身定制專業內置式顯微數碼系統；多畫面實時顯示(可選擇1～128臺顯微鏡);Motic獨創的交談式顯微鏡LED指針系統；雙向語音問答系統；Motic專業數碼顯微鏡軟件；強大的圖像處理功能；專業的測量技術；實用報表報告生成工具(http://www.motic.com.cn)。

2.1 數碼顯微鏡系統

Motic數碼顯微互動教室配置的顯微鏡包括學生用顯微鏡及教師用顯微鏡；其中學生用顯微鏡內置數碼480TV-lines的Motic攝像系統；教師用顯微鏡內置200萬有效像素，高分辨率數碼攝像系統，教師用顯微鏡采用USB 2.0接口輸出，保證大量高清晰度圖像數據的快速傳輸[1-4]。

2.2 圖像系統

Motic標準版數碼顯微互動實驗室圖像系統包括Motic Processer和Motic Multiplexer專業圖像處理硬件，保證了Motic數碼顯微互動教室的高品質圖像；Motic Multiplexer實現顯微鏡圖像的合并、切換；Motic Processer是計算機與Motic Multiplexer間的接口，一臺Motic Multiplexer可接入16路畫面(http://www.motic.com.cn)。

顯微數碼互動實驗室圖像系統包括教師通道、學生通道1、學生通道2、學生通道3。教師通道顯示的是教師用顯微鏡下的圖像,可用于示教。每個學生通道可同時顯示16臺學生顯微鏡的圖像,也可以用鼠標左鍵點擊任一圖像,單獨全屏顯示1臺顯微鏡的圖像。同時還可將圖像投影到大屏幕上,這樣能夠起到更好的圖像觀察和講解效果。輸出的圖像經過處理后輸入計算機,利用顯微數碼互動系統軟件,可以實現各種顯微鏡畫面選擇、圖像處理、圖像分析、測量等功能[4]。

2.3 語音問答系統

Motic標準版數碼顯微互動實驗室語音問答系統可實現教師與學生間的雙向溝通。學生借助Motic數碼顯微互動實驗室的語音問答系統向老師提出問題，老師則可以選擇通話模式與學生進行交流。顯微數碼互動實驗室的語音問答系統可采用4種交流模式(http://www.motic.com.cn):全通話模式、學生示范模式、師生討論模式和分組練習模式。

2.4 計算機軟件系統

計算機軟件系統包括人性化界面設計，圖像顯示、捕捉及放大，學生端和教師端圖像的白平衡，圖像除噪，學生端和教師端圖像增加動態紅、蘭、灰、綠和反轉濾色片，雙向語音問答功能，多種圖像處理功能，測量功能，生成打印報表功能，實現圖片的遠程共享和遠程教學，不同教師擁有獨立的用戶權限，實現分班級圖片資料管理，方便的出廠默認值和用戶默認值的設置(http://www.motic.com.cn)。

軟件系統包括Digiclass1.2部分和Advanced 3.2部分。上實驗課時用得最多的是Dig class 1.2部分,而Advanced 3.2部分是圖像處理和圖像分析并作出圖文報告。該系統不僅提供基本的捕捉圖像和對圖像進行各種測量的功能,還可以對選定目標進行過濾處理、分割及自動計數,具有自動捕捉靜態圖像、設置各種捕捉參數、自動曝光和自動白平衡功能,能還原圖像的真實彩色和高分辨率、高清晰度并預覽實時圖像[4]。

3 Motic數碼互動系統在微生物學實驗教學中的應用

武漢工程大學使用的Motic數碼顯微互動實驗室系統連接36臺數碼顯微鏡，與教師使用的計算機相連，該系統在微生物學實驗教學中的應用改變了以教師為中心的傳統實驗教學模式,營造了以學生為中心的個性化實驗教學環境,為師生提供了多個教學互動的信息平臺，與傳統的實驗教學模式有機結合起來，有效調動了提高學生學習微生物學實驗的積極性，尤其增強了微生物學實驗顯微觀察教學內容的教學效果，提高了實驗教學質量。

3.1 對實驗課堂授課效率的提高

教師充分利用了多媒體課件和顯微鏡下的實際圖像講解實驗的目的、原理、實驗、內容以及注意事項，有助于學生理解實驗內容，提高實驗操作中的學習效率，從而提高教學質量。

通過高清晰度畫面顯示，教師手中的主機可同時控制所有數碼顯微鏡的動態情況。教師端利用顯微鏡LED指示功能，通過教師計算機鼠標點擊學生通道，實時瀏覽和監控每一臺學生顯微鏡下的圖像，及時發現問題,及時準確指導每一位學生；還可以將教師顯微鏡看到的特殊、典型的微生物圖像以及單個學生顯微鏡下的經典圖像切換到大屏幕，讓全體同學共享。

語音交流系統實現了師生的雙向溝通：在全通話模式下，老師通過耳機話筒授課，全體學生用耳機收聽；師生討論模式時，老師可與學生一對一或最多可多達6位的對話，但只有被選擇的學生才可以收聽或發言；學生示范模式時，教師可選擇一位同學對話，所有學生都可以聽到談話內容，但不可發言；最特別的是分組練習模式，它將學生分為4人一組，組內學生可互相通話,老師也可隨時加入。比如在觀察細菌莢膜時，有一位學生很快找到莢膜的位置，而另外3位學生還在四處搜尋；教師發現這一情況后，可選定這4位學生，先由第一位學生介紹經驗，然后由教師點評，這樣另3位學生也很快找到觀察目標。師生對話及學生互相通話的靈活互動方式激發了學生的求知欲，發掘了實驗課帶來的快樂。

3.2 對實驗教學內容的豐富

Motic數碼顯微互動實驗室系統將抽象復雜的教學內容通過圖像、聲音以及顯微鏡下內容直觀、準確地表達出來，教師可以實時插播實驗教學相關的錄像、圖片等視頻資料，使學生在最短的時間內最大程度地接受信息，并掌握所學知識，達到事半功倍的效果。

Motic數碼顯微互動實驗室系統教師端和學生端對圖像均可進行靜態捕捉、自動定時捕捉和動態錄像捕捉。這樣教師可以選擇實驗教學的重點和難點對學生進行鞏固和加強；學生可以通過拍照，將重要或難理解的顯微圖像記錄下來儲存在計算機的個性化顯微圖譜中，便于自己及時復習鞏固；同時使學生從被動學習變為主動學習。

另外，不同班級或不同年級的同學的個性化顯微圖譜可以實現網絡共享。在實驗過程中，筆者經常把上一個班或往屆班級學生做得好的照片，展示給下一個班級的學生欣賞。比如把好的革蘭氏染色混合制片圖投到大屏幕，教師進行點評，分析成功的經驗，激勵學生做出更高質量的裝片，讓教師拍到更高質量的圖片。

3.3 對學生顯微觀察能力的強化

在數碼顯微互動教學中,筆者引導學生細致觀察，在觀察中思考和分析問題，從互動中發現問題，提出問題的解決辦法。例如在觀察根霉的形態時,先引導學生觀察孢子囊和孢囊孢子，然后順著孢囊梗尋找假根和匍匐枝。由于微生物制片技術直接影響制片的顯微觀察效果，如觀察青霉的分生孢子頭時，如果制片不好，就找不到典型的掃帚狀分生孢子頭；為此要求提醒學生要觀察到典型的顯微圖片，務必注意微生物制片的每一環節。又如在進行細菌的革蘭氏染色法實驗時，制片與染色環節非常重要，否則會出現相反的染色結果。另外由于每個學生的圖片會在屏幕上出現，這也激發學生一定要做出高質量的圖片，這一平臺無疑強化了對學生動手能力的訓練，提高了實驗教學質量。通過數碼顯微互動教學,學生能夠把書本知識與實驗觀察結果結合,加深對微生物學知識的理解。

傳統的微生物學實驗過程中，要檢查學生的制片水平，必須一個一個的檢查，其效率低；Motic數碼顯微互動實驗室系統的實時監控功能，為對學生平時顯微觀察能力、制片能力等的考核提供了技術平臺，教師可同時全程觀察多個學生的制片情況，并可拍照存檔，為每個學生建立平時實驗結果電子檔案，以作為平時實驗考核依據。

Motic數碼顯微互動實驗室系統是一個十分先進且具有現代化特點的實驗室教學設備，它使武漢工程大學微生物學實驗課教學的方式發生了根本改變，同時也提高了微生物學實驗教學質量和教學效率。Motic數碼顯微互動實驗室系統功能強大,有許多功能需要進行不斷的摸索和開發。如何充分發揮數碼互動系統的優勢,是一個新的課題，需要教師、學生和實驗室工作人員在應用中去熟練掌握和開發,讓Motic數碼顯微互動實驗室系統更好地為微生物學實驗教學服務。

參考文獻：

[1]彭安,郭冬生,張維.生命科學創新教育模式——顯微數碼互動系統[J].現代教育技術,2003,13(4):56-57.

[2]胡娜.顯微數碼互動系統在形態學實驗教學中的應用[J].山西醫科大學學報：基礎醫學教育版,2006,8(6):656-657.

[3]杜麗堅,冷靜.Motic數碼顯微互動實驗室在病理學實驗課教學中的應用[J].南京醫科大學學報：社會科學版,2005,4(21):368-370.

[4]王玉濤,郭麗君.數碼顯微互動系統在民族師范生生物實驗教學中的應用與思考[J].高等教育與學術研究,2008(5):44-47.