病理學虛擬實驗教學系統的建設與應用

高 航,陳 霞,程丕顯,王建偉＊

(1.吉林大學白求恩醫學院病理學系;2.吉林大學基礎醫學實驗教學中心,吉林 長春 130021)

一、背景和目的

虛擬顯微鏡(Virtual Microscopes,VM)是將現代虛擬技術與光學顯微鏡有機結合,利用程控掃描方式采集高分辨數字成像完成圖像拼接制作虛擬切片、通過計算機和互聯網絡構建虛擬環境。隨著數字信息化時代的到來,采用全自動切片掃描儀,使建立數字化切片數據庫,形態學教學、遠程教學成為可能。目前虛擬顯微鏡系統正逐步應用于形態學的實驗教學和病理學診斷[1-2]。

病理學是基礎醫學和臨床醫學的橋梁課程,是醫學學習的必修課之一。目前病理學教學遇到的嚴峻問題是隨著生活水平的提高和疾病譜的改變,一些疾病標本很難得到新的補充,使病理學實驗教學工作陷入了艱難的境地,并嚴重影響了教學效果。與此同時,由于教學規模的不斷擴大,亦使教學資源相對短缺。

常規的多媒體教學手段并不能滿足學生對知識的需求。在病理學實驗教學方面,如何使學生不僅僅局限于在理論課、實習課進行學習,而是發揮學生主觀能動性,通過虛擬實驗室進行自學、復習,做到形態學知識的融會貫通。目前以學生為主體的主動學習模式是現代醫學教育教學方法改革的主要方向,通過課程建設,培養出具有良好形態學基礎的高水平,高素質的醫學創新人才。形態學虛擬實驗教學系統的建立,將給形態學教學帶來實際的應用價值和廣闊的發展空間。

二、病理學實驗教學現狀分析

常規的病理學實驗課教學模式仍為學生通過觀察的人體標本及組織切片掌握理論課的知識點,目前存在著一些標本獲取困難的問題,某些疾病(如風濕性心肌炎、亞急性感染性心內膜炎、大葉性肺炎、傷寒等)的發病率明顯下降,而且隨著在教學過程中大體標本及組織切片的破損,現有的教學切片已不能滿足教學需要。隨著計算機技術的不斷發展,常規的多媒體教學手段并不能滿足學生對知識的需求,亦不能有效調動學生的學習積極性。在形態學教學方面,如何使學生不僅僅局限于在理論課、實習課進行學習,而且能夠通過虛擬實驗室或者局域網進行自學、復習,基于此,虛擬實驗教學系統應運而生,亦是病理學實驗教學的發展趨勢[3-4]。

三、病理學虛擬實驗室教學系統的建設及特色

作者先后試用了多家公司生產的數字切片掃描系統,經比較后采用濱松光子學株式會社的數字切片掃描系統進行了病理學數字教學切片的掃描制備,采用TDI(Time Delay and Integration)線性掃描技術建立了數字切片庫。經過反復論證,與軟件公司合作進行了虛擬實驗教學系統軟件的編寫,采用VB.net(Visual Basic.NET)編程。設計理念是建立一個整合資源平臺,根據教學內容需要可以隨時進行調整。主導思想為:首先以目錄樹的形式按照學科、章節進行分類,學生根據需要選擇相關內容進行學習,每個章節均標有實習目的及要求,大體及切片標本均有相應的文字說明,并按靜態圖片※數字切片※教學視頻排列。病理學虛擬實驗教學系統在原有應用Authorware軟件制作的多媒體教學課件基礎上,將大體標本、鏡下切片的視頻套入數據庫中,實現其與虛擬顯微鏡的完美結合,便于學生利用虛擬實驗教學系統進行自學和復習,提高學習興趣。病理學虛擬實驗教學系統目前使用大體標本/鏡下圖309張,大體標本/鏡下錄像244個,鏡下虛擬數字切片78個,總硬盤容量達29.5G。

病理學虛擬實驗教學系統的特色在于不僅僅拘泥于圖像瀏覽,還將大體標本應用高清數碼攝像機錄制成DV視頻、鏡下切片采用Olympus DP72 CCD錄制視頻,經剪切、編輯,配音后整合到虛擬教學系統中,通過教師細致入微的講解便于學生自學和復習,促進學生對病理變化的理解,有效提高了學習效率。

四、虛擬實驗教學系統的優點

虛擬實驗教學系統將給傳統的病理學實驗教學帶來全新模式:(1)數字切片,可以替代傳統顯微鏡,進行切片的教學/診斷等;(2)無需大量重復制作教學用切片,減少切片的管理和分發;(3)數字切片保存方便,不再擔心切片破碎、丟失、退色等;(4)數字切片內容統一,用于實驗課考試可確保考試切片的公正性和客觀性;(5)建立大量的數字切片庫,配合教學內容,動態讀片,直觀易懂,增加交流功能,大大提高了學生的學習興趣。(6)利用數字切片軟件具有的診斷標注功能,可以使學生直接將診斷標注在數字切片上,實現多媒體考試功能,亦可用于學生進行自評自測。

五、病理學虛擬實驗教學系統的應用效果

虛擬實驗教學系統是對實驗教學的有力補充,便于學生進行自主學習。現階段主要用于本科生的實驗教學及PBL教學;并對吉林大學病理生物學教育部重點實驗室的研究生開放并進行科研技能培訓。經過兩個學年(四個學期)的運行,累計實驗機時達7382學時,使用學生人數達1962人,有效的提高了學生的學習效率。尤其是在階段性或期末復習時學生使用率很高,減輕了形態學實驗中心的工作壓力,有效的保護了現有的病理學教學資源,深受學生好評。目前針對不同學制的學生在保障人均使用機時后全天開放。由于本虛擬實驗教學系統在建設時已經安裝了系統還原保護卡并設置了教師端和學生端入口,并進行了相應的加密處理,在保護知識產權的同時提高了系統的穩定性,經過兩個學年的運行,在使用方面未出現故障,儀器設備完好率達100%。

六、結 語

虛擬實驗室以先進的計算機技術為基礎,使得前沿科學知識走進實驗教學課堂成為可能;虛擬實驗室采用軟硬件結合、功能模塊重組配置的方式是增加教學平臺適用性和實驗技術可擴展性的有效手段,有助于培養學生的自主學習能力和創新精神。

[1]Paulsen FP,Eichhorn M,Brauer L:Virtual microscopy-The future of teaching histology in the medical curriculum?[J].Ann Anat,2010,192:378-382.

[2]傅雅靜,郭麗潔,高 建,等.虛擬顯微鏡技術及其在醫學領域的應用[J].解剖科學進展,2007,13(3):283-285.

[3]耿 艦,丁彥青,李學農.病理學遠程虛擬實驗室的建設及應用[J].中國醫學教育技術,2005,19(4):256-257.

[4]藍永洪,牛海艷,李 群,等.虛擬顯微鏡系統在形態學實驗教學的應用[J].中國高等醫學教育,2011,4:74-75.