新冠疫情下電鏡制樣技術線上教學模式的探討

林方興 李 天 胡 適 雷長海

（海軍軍醫(yī)大學生物物理學教研室，上海 200433）

2020年春，新冠疫情波及全國各地，各地高校的教學計劃都被打亂，線上教學成為主要授課模式。海軍軍醫(yī)大學也迅速制定線上課程計劃應對突如其來的疫情，生物物理學教研室開展的透射電鏡制樣實驗課程也需由現(xiàn)場授課改為線上教學。筆者研究了線上主流直播課平臺，如騰訊課堂、釘釘?shù)鹊慕虒W模式，發(fā)現(xiàn)這類平臺對于理論授課比較合適，但無法滿足實驗課的理論講授與實踐操作緊密結合的教學需求。為適應疫情防控常態(tài)化形勢下的實驗課線上教學，筆者通過多源互動教學設備的研制，結合了數(shù)碼顯微互動、無線圖傳、可穿戴設備等成熟技術，通過顯微鏡電子目鏡將鏡下的視野轉換成數(shù)字影像，通過多角度高清攝像頭等設備同步采集制樣手法視頻，實時上傳到自主研發(fā)的多源教學互動平臺，實現(xiàn)了基于網(wǎng)絡的顯微鏡下圖像實時共享，鏡下圖像和操作方法的同屏顯示，同時支持文字彈幕提問和共享白板標注等在線交互方式[1-2]，從而為開展實驗課的線上教學奠定了平臺基礎和應用經(jīng)驗。

1 系統(tǒng)架構

1.1 系統(tǒng)總體設計

多源互動教學系統(tǒng)首先要能支持多種類型的攝影攝像設備，包括顯微鏡電子目鏡、相機串行接口（Camera Serial Interface，CSI）標準的攝像單元、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）標準的攝像頭以及支持實時消息傳輸協(xié)議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）協(xié)議的視頻采集設備等（圖1）。其次，設備要體積小巧，不需對場地進行改造就可以便捷部署，支持有線、無線方式接入網(wǎng)絡。第三是跨平臺應用，學生可用各種智能終端接入網(wǎng)絡，不需安裝專用軟件或APP，直接通過瀏覽器就可以實時查看視頻，進行師生互動[1]。

圖1 系統(tǒng)設計架構圖。虛線：表示主機無線傳輸信號至終端；實線：其他設備與主機相連

1.2 系統(tǒng)主機

系統(tǒng)采用樹莓派（Raspberry Pi，RPi）作為主機，Raspberry Pi作為只有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux，具備2.4 GHz藍牙接收器，內(nèi)置802.11 bgn無線網(wǎng)卡，以64 G TF卡作為存儲，有4個USB2.0接口以及高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）接口，輸入電流為12 V/5 A。

1.3 實驗操作采集設備

多源互動教學設備應用于透射電鏡制樣實驗課程時，采用了兩路實驗操作采集設備，分別為頭戴式攝像設備，用于攝錄使用者主觀視角的高清操作視頻，通過USB接口接入主機；另一路為支架式攝錄設備，用于觀察樣品塊不同角度的切面形態(tài)及手部精細操作，采用CSI接口接入樹莓派主機。

1.4 鏡下圖像采集設備

顯微鏡下圖像采集設備選用江南THDCE電子目鏡。該電子目鏡為生物顯微鏡、體視顯微鏡上的專用相機，配有多種型號顯微鏡套筒，免驅動安裝，即插即用，支持多種分辨率，具有500萬像素，最大分辨率可達2 560×1 920，支持自動白平衡、自動曝光等功能。

1.5 教學視頻采集設備

攝像頭選用羅技Logitech C525/B525 高清網(wǎng)絡攝像頭，以USB接口連接迷你控制主機。該攝像頭自動執(zhí)行對焦、曝光、取景，支持全高清1 080 p 30 fps直播，攝像頭自帶麥克風便于教師講課。

2 實驗理論與操作教學

2.1 教學示教準備

授課前做好樣品塊修塊、半薄切片的示教工作。用丙酮將新的刀片上的油脂擦凈，將樣品塊置于體視鏡下修塊，手持刀片去掉過多的無用樹脂，僅保留少量樹脂，修好樣品塊形似金字塔型，使其具有穩(wěn)定的基部。制備好玻璃刀刀槽，用超薄切片機（Leica EM UC6）將樣品塊切成1 μm的薄片，用自制金屬環(huán)將薄片從水槽的水面中撈取[3]。將薄片置于盛有水滴的載玻片上，用烘片機將水滴烘干，滴上中性樹膠，用鑷子輕壓蓋玻片排除空氣，載玻片置于相差顯微鏡（Leica DM1000）下待觀察。

2.2 實驗理論講解

理論教學中，將挑選出的切片用全自動數(shù)字切片掃描儀進行掃描，做好編號和名稱整理，形成數(shù)字切片數(shù)碼互動系統(tǒng)，實驗課教學隨時可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫資源[4]。運用系統(tǒng)共享白板的功能中展示數(shù)碼切片圖片，標記并講解細胞結構形態(tài)及功能。

實時教學中，將切好的半薄切片放入載玻片在顯微鏡下觀察，將顯微鏡的鏡頭 （物鏡和目鏡）都調(diào)換成最低倍數(shù)，并打開顯微鏡的電光源，調(diào)節(jié)焦距，然后取下目鏡換上電子目鏡，通過實時采集的鏡下圖像指導學生發(fā)現(xiàn)組織的特殊形態(tài)，經(jīng)過比對形態(tài)定位找準目標。

2.3 定位操作演示

現(xiàn)場電鏡制樣的定位操作教學中，在體視鏡下的操作手法往往因為觀察角度窄小無法展示。在本教學系統(tǒng)中，教師使用固定支架式高清攝像頭完整展示定位操作的技術手法，并實時采集傳輸至主機，學生通過網(wǎng)絡可同步觀看。在實際教學中，以腎組織塊精確定位腎小球為例，要求學生能夠結合理論學習掌握的實驗操作技巧，通過在顯微鏡下觀察腎組織塊的半薄切片以及在體視鏡下觀察樣品塊的形態(tài)特征，正確判斷腎小球在樣品塊的具體位置并進行精確定位。

實驗教學演示中，將樣品塊置在體視鏡下，體視鏡目鏡放大倍數(shù)調(diào)整至1.5～2.0倍，教師一手握持底座，一手持刀片進行切塊定位，演示利用冷光源燈光對標本切面的反光判斷其形態(tài)，同時觀察相差顯微鏡下的半薄切片形態(tài)[5]。根據(jù)半薄切片在顯微鏡中觀察到的所需部位，用準備好的單面刀片將腎小球所在的組織塊修成梯形，所要觀察的部位應盡量定位在梯形的中央。組織塊梯形的底邊一般修成長為 0.5 mm，高為0.2 mm。最后用雙面刀片將塊面切成等腰梯或直角梯形。整個實驗操作教學過程中，攝像頭采集操作者手法，電子目鏡采集鏡下圖像，以網(wǎng)頁形式同屏展示在學生的智能終端。

2.4 線上師生交互

采用超文本標記語言5（Hyper Text Markup Language，HTML）的基于畫布（ Canvas）的網(wǎng)頁繪圖技術，使用JavaScript腳本通過函數(shù)處理關系完成鼠標或觸摸在Canvas畫布的上繪圖、標識等操作，實現(xiàn)Web頁面界面的實時繪圖標注[6]。教師可以選擇以預先定義的視頻顯示矩形區(qū)域或整個屏幕作為交互白板，實現(xiàn)線上的師生圖形化交互以及實時彈幕問答。

3 小結

樹莓派作為一個微型計算機，可以承擔數(shù)據(jù)處理、音頻視頻輸出及互聯(lián)網(wǎng)接入等任務[7]，利用通用顯微鏡電子目鏡采集顯微鏡鏡下高清數(shù)字圖像，利用多角度的攝像器材采集常規(guī)電鏡技術如修塊、定位等狹小的空間內(nèi)的手部精細入微的動作和樣品塊表面形態(tài)，通過頭戴式攝錄設備采集操作者第一視角實時視頻，并通過網(wǎng)絡傳輸至服務器。學生利用各類智能終端連接互聯(lián)網(wǎng)，無需安裝專用軟件或APP，直接打開指定網(wǎng)址，訪問主機，就可以清晰地觀看到實時直播的多路實驗視頻，相較線下實地教學，學生觀看更加直接，不會因角度問題錯過細節(jié)。學生跟隨老師的講解，可以清楚地觀察病變組織結構，按需放大細節(jié)圖像，針對性強，更容易集中注意力。另外在教學過程中如果發(fā)現(xiàn)典型案例，教師不僅可以實時保存，也可通過共享白板在視頻上進行標記，讓每名學生都能觀察到。教師與學生的線上互動形式也不再是低效的單人提問，師生以線上彈幕形式問答，或以觸屏標注的形式進行交互，都極大地提升了學習效率，增加了實驗課學習的現(xiàn)場感。

新冠疫情背景下開展線上教學，要求教師以學生為中心設計新的教學理念和教學方法，培養(yǎng)學生自主學習技巧和能力。教師要把握“實用為原則”的教學組織，在疫情來臨時及時更新教學資源，結合網(wǎng)絡教學和實驗教學特點，把握未來學習發(fā)展方向。

本文所設計的教學模式使用了自主研發(fā)的多源直播教學互動設備，將視頻圖像采集傳輸技術與網(wǎng)絡直播技術應用于實驗教學，實現(xiàn)了多源視頻的實時采集與無線傳輸、多終端共享與互動等功能，彌補了目前線上實驗教學視頻來源單一、操作示教難以看清等不足，為不改造現(xiàn)有教學場地即可實現(xiàn)智慧教學，也為線上教學的師生互動提供一種人性化可視性的解決途徑。