植物病原菌數字切片庫的構建及應用

孔令廣 趙春青 林 琎 張衛光 楊廣玲 董 會 王慶佶 劉靈芝

山東農業大學植物保護學院 山東泰安 271018

植物病原菌形態特征的學習是植物病理學實驗的一項重要內容。病原菌形態特征的認知，除了動手做的臨時切片外，還有大部分來自永久玻片標本。植物病原菌切片庫是植物病理學實驗課程的重要教學載體，也是理論聯系實際的重要橋梁[1]。植物病原菌玻片庫的種類和質量對植物病理學的教學效果起到至關重要的作用[2]。

隨著現代信息技術的廣泛應用，網上的教學資源成為教師、學生隨時隨地獲取知識的重要窗口[3,4]。將現有的教學資源轉化為數字化教學標本資源庫顯得十分迫切。目前高校也都著力構建自己的數字教學資源庫[5]，但許多高等院校都“各自為戰”，在關于植物病原菌教學資源方面也還沒有形成一個統一的共享平臺。山東農業大學植保實驗教學中心將構建病原菌種實體資源庫轉變成數字化資源庫，積極推進信息技術與實驗教學的深度融合，探索教學資源建設應用與共享，全面提高植物病理學實驗課程教學質量[6]。

1 數字切片庫的構建

首先，利用Motic全自動顯微鏡(BA600Mot)在4X物鏡下對玻璃切片進行快速掃描獲得掃描地圖，此時，得到的是玻片標本的名稱和目標圖片的大體位置。然后找到所需要的目標后轉到高倍物鏡40X下建模，有兩種方式供選擇：一是自動建模，此方法適用于玻片大小、厚薄一致的常規切片；另一種是手動增加模點，這種方法適合玻片厚薄不均、目標物不易識別的玻片。建模完成后自動或手動掃描，掃描的方式有4種：快速、高精度、景深擴展、Z層疊加。掃描可獲得高分辨率的圖片，圖片可以10～1 000 X之間任意倍數放大縮小，不失真。相應的，掃描控制軟件將掃描的切片自動進行無縫拼接和處理，存儲在相應的名錄下建立數字切片庫。切片庫的來源除了山東農業大學植物保護實驗教學中心的永久玻片庫外，還有是教師、學生上課或實習過程中自己動手做的形態特征典型、圖像清晰的臨時切片。目前，通過全自動掃描儀，掃描植物病害玻片400余種(如圖1、圖2所示)，這些虛擬切片已按病原菌和寄主進行分類：如鞭毛菌、卵菌、接合菌、子囊菌、半知菌、擔子菌；大田作物、經濟作物、蔬菜、果樹、花卉、林木等寄主進行分類，目的就是滿足基礎植物病理學實驗和農業病理學實驗等課程的不同需求。

圖1　切片庫的病原菌

圖2　切片庫瀏覽圖

2 數字切片庫的應用

2.1 數字切片庫使教學內容豐富

傳統教學只能講解有大量常見的玻片的資源，對于一些特殊、珍貴、少見的病原物的玻片學生看不到，而數字切片庫的建立解決了上述問題。教師可以將珍貴的病原菌圖片展現在學生面前，拓寬了學生的知識面。數字切片庫的圖片來源于自己的切片庫，都是真實、有效的，而且完全具有自己的知識產權。隨著數字切片庫的不斷積累和更新，內容也不斷豐富，教師在課件的準備和教材的編寫出版過程中都可以放心大膽利用切片庫的資源。節約教師大量的資料搜集時間，這樣教師可以將更多的精力投入在教學方法和課堂內容的準備上，積極探索個性化、多樣化教學，注重學生學習能力培養以及獨立分析和解決問題能力的鍛煉[7]。教師備課更有針對性，而且課件制作更加生動靈活。高質量的圖片就出自于學生之手，使學生明白，好的圖片并不是遙不可及，激發了學生的學習熱情，提高了學生的動手能力。

2.2 數字切片庫使教學更加靈活

2017年6月，山東農業大學植保實驗教學中心共建有6個數碼互動實驗室，使數字切片庫的功能發揮得更加充分、更加淋漓盡致。通過切片庫的應用可以將植物的癥狀與引起植物發病的病原菌無縫銜接，便于學生系統掌握知識。對于形態相似的病原菌，可以進行歸納、對比。例如在講白粉菌目時，可以通過數碼互動實驗室的操作軟件，將白粉菌屬、球針殼屬、鉤絲殼屬、叉絲殼屬等病原菌的圖片從切片庫中查找出來，同時呈現于學生面前，附屬絲的形狀以及閉囊殼內子囊的個數一目了然，加深學生的印象，提高課堂效率。數字切片庫可以用不同顏色和圖案對所看的內容加以編輯，便于教師講解和學生接受。

2.3 數字切片庫使學習更加便捷

在“互聯網+教育”的環境下，教師已經不是知識的唯一載體，更不再是知識的權威，因為互聯網為每個學生提供了適合他們的學習環境。新構建的切片庫擺脫了顯微鏡的束縛，教師和學生可以按照自己的需求，隨時登錄山東農業大學植物保護實驗教學中心的數字切片庫網站進行瀏覽、學習，不受時間和空間的限制。原來學生只能在實驗室看到的病原菌玻片，現在學生可以在宿舍、教室等只要有網絡的地方都隨時可以查閱、學習，使得學生“時時學，處處學”變得可行，滿足學生個性化學習方式的需求，極大拓寬了學生獲取知識的渠道，鍛煉了學生自主學習的能力。

2.4 數字切片庫服務于社會

數字切片庫立足山東省，面向全國，隨著數字切片庫的容量越來越豐富，嘗試利用切片庫的資源開展病害的診斷。該庫除了滿足教學需求外，還可以服務于社會。當地農民和科技工作者，可以將病原菌的圖片發給實驗中心，實驗中心結合癥狀描述與病原菌圖片和新構建切片庫的資源進行比對、匹配分析，從而快速做出診斷，解決農業生產的實際問題。此項服務是免費的，咨詢者只需提供病害標本，這樣又可以擴大數字切片庫的來源。同時，新構建的的數字切片庫為高校優質教學資源的共享提供新的平臺，為兄弟院校之間加強交流提供重要的“窗口”作用。

3 教學效果評價

選擇2016級植物檢疫專業3個班級76名本科生為研究對象，均在第三學期基礎植物病理學實驗課進行研究。前4個實驗內容采用傳統玻片教學研究，即每個小組放5張現有的永久玻片，學生自主觀察(對照階段)；后4個實驗內容采用數字切片實驗教學和網絡平臺自學模式(實驗階段)。問卷調查學生對數字教學的滿意度，并統計實驗階段和對照階段的平時成績，評價兩階段實驗教學效果。問卷調查結果顯示，76人中有69人認為數字切片系統顯著提高學習自主性，數字切片庫與顯微數碼互動系統的結合明顯加強了教師和學生間的互動，約95%的學生對數字切片庫系統應用效果比較滿意。實驗成績分析顯示，前半學期對照階段學生平均實驗成績為82.35分，而實驗階段實學生平均實驗成績為89.76分，實驗階段成績明顯高于對照階段。這說明數字切片庫系統應用得到了學生的認可，提升了教學效果，促進了學生成績的提高。

4 結語

數字化切片庫的建立，不僅解決了傳統玻片在使用保存過程中丟失、破損、褪色等問題，而且打破了學生學習的時間和空間限制，既方便教師教學，又利于學生個性化學習。數字切片庫與數碼互動教室的結合，使數字切片庫的功能發揮得更加充分、更加強大，深化了實驗教學改革，提高了實驗教學質量和效率。