组织学数字切片教学网络系统：应用、回顾与反思

Histology digital slice teaching network system: application, retrospection and introspection

摘要

数字化技术的飞速发展使组织学实验教学迈向数字化新局面。高清数字切片规避传统玻璃切片的弊端，能够实现永久保存切片信息，并在互联网支撑下构建数字切片教学网络系统，极大地提升了教学效率，为医学教育和科学研究注入新的活力。本研究回顾并总结了西安交通大学医学部组织学数字切片教学网络系统的建设、应用与成效，旨在揭示该系统在组织学教学、教材和图谱编写、医学科普和科学研究等领域的优势和不足，以期进一步优化系统，更好地推动医学教育和科研创新发展。

Abstract

The rapid development of digital technology prompts Histology experimental teaching to step into a new era of digitization. High-definition digital slices avoid the disadvantages of traditional glass slices, and enable the permanent preservation of slice data. With the support of internet, a digital slice teaching network system has been established successfully, which greatly improves teaching efficiency, and injects new vitality into medical education and scientific research. This article reviews and summarizes the construction, application and effectiveness of Histology digital slice teaching network system of Xi’an Jiaotong University Health Science Center, which aims to reveal the advantages and obvious shortcomings of this system in the fields of Histology teaching, textbook and atlas compilation, medical popularization as well as scientific research, hoping to further optimize the system and better promote the innovative development of medical education and scientific research.

关键词

数字切片 / 组织学实验教学 / 回顾与反思

Key words

digital slice / Histology experimental teaching / retrospection and introspection

组织学是医学的一门重要基础课程。医学生通过学习组织学，了解人体的微细结构和相关功能，进而分析、理解人体的生理和病理过程，为后续的生理学、病理学及其他医学基础和临床课程的学习奠定基础。组织学教学由理论课和实验课两部分组成，其实践性很强，实验课是理论课的重要补充，因此实验课教学在组织学教学中始终占有重要的地位。近年来，西安交通大学医学部积极顺应教育信息化发展需要，在传统玻璃切片教学的基础上，构建了组织学数字切片教学网络系统，并应用于组织学的实验课教学，极大地提高了教师的授课效率和授课质量，提升了学生的学习效果。因此，总结和回顾该系统的建设和应用，对进一步完善该系统，提高该系统的应用成效具有重要意义。

1 组织学数字切片教学网络系统建立的背景

组织学数字切片库的构建思路主要源于传统组织学教学模式的挑战以及数字化技术的发展。传统的人体组织学教学主要依赖于光学显微镜直接观察组织切片的方法。这种方法需要制备大量组织切片，并且要求学生熟悉显微镜的操作、自主调节焦距和观察多个视野，整个过程相对繁琐，且受到实验仪器（如显微镜）和教学场地（如实验室）的限制。这种教学模式不能有效引导学生理解组织切片标本的整体与局部位置关系，无法快速地在整张切片中找到所需的形态结构，也不能规避传统玻璃切片的保存和低端使用等问题，从而影响了实验课的教学质量和效果，并且不利于学生自主学习能力的培养。

根据《国家教育信息化战略》发展要求，教育部出台了《关于全面提高高等教育质量的若干意见》和《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》。数字信息化已成为衡量一个学校教育技术水平的重要指标。随着数字化技术的快速发展，越来越多的领域开始实施传统资料的数字化工作，提出了高校数字化教学资源的应用与推广策略^[1]，以便更好地保存、共享和使用数字资源。

组织学数字切片教学网络系统的构建旨在通过利用数字化技术，提供更全面、丰富的学习材料，以帮助学生更好地理解人体组织的结构和功能。这不仅有助于解决传统组织玻璃切片保存难、易破损和褪色等问题，实现高质量组织切片的长期保存，还使得组织切片信息的调取和查阅变得更为便捷。同时，数字切片库还可以用于构建基于数字切片的组织学实验自主学习网络环境，培养学生的自主学习能力，促使其形成实验课课堂和课后连贯性学习的方法，另有研究也证实数字切片可以提高学生的形态学实验课程成绩^[2]。因此，组织学数字切片教学网络系统的构建具有重要的现实意义。

2 组织学数字切片教学网络系统的构建和功能

2.1 构建

随着数码显微镜技术的不断发展，传统的实物化教学资源逐渐被数字化资源所取代。西安交通大学医学部组织学数字切片教学网络系统即是在传统玻璃切片库基础上融合校园网络系统和Motic数字切片扫描装置构建而成。

2.1.1 组织学玻璃切片的筛选

最佳切片的选择是组织学数字切片库构建的首要一环。西安交通大学医学部存有各类染色、覆盖各个组织、器官和系统的万余张玻璃切片，为筛选优质切片奠定了基础。根据《组织学与胚胎学实验指导》等教材中相关的实验内容，选取具有代表性的示教切片和学生观察切片作为数字化切片库的母板。这些切片的选择基于组织器官结构完整、组织制备精良和染色清晰的标准，确保所选取的切片能够清晰地展示组织结构和形态特点。

2.1.2 数字切片的制作

利用Motic数字切片扫描装置对筛选出的组织切片进行数字化处理。这些装置包括全自动显微镜扫描系统、TDI-CCD探测相机、扫描控制系统和浏览软件，能够对切片进行高精度、高分辨率的扫描。处理后的图像存储于计算机，根据教学进度分门别类进行存档，建立起组织学数字切片库^[3]。

2.1.3 数字切片库的管理与维护

为了确保数字切片库的长期有效性和适用性，需要进行定期的管理和维护，包括添加涵盖新结构的切片、复习用混合切片和拓展用特殊染色切片等。建立相应的访问权限和数据安全机制，以保护数字切片库的数据安全。

2.2 功能

该系统的主要功能涵盖以下六个方面：①实现切片高分辨率数字化，利于长期安全存储，便于师生访问学习。②切片图像可全景浏览，并支持切片图像缩放、旋转、平移等操作，便于详细观察组织的微细结构。③具备强大的图像分析功能，可以对切片图像进行定量和定性的分析。④允许授权教师标注和注释切片图像，增强学生的理解和记忆，强化切片信息的师生共享。⑤通过校园网或互联网，支持远程教学，打破时空限制，促进在线学习和师生交流。⑥支持线上学术交流和互联网会议等，促进医学领域的合作与交流。

3 组织学数字切片教学网络系统的应用

组织学数字切片教学网络系统自建成以来，主要服务于西安交通大学医学各专业学生的组织学实验课教学，同时也为其他教育相关活动提供极大便利，在西安交通大学医学部的医学教育和科学研究等方面发挥着重要作用，有着广阔的应用价值^[4]。

3.1 理论课教学中的应用

该教学系统在理论课教学中的应用主要体现在其数字切片库资源丰富，为教师的理论授课提供大量的备课素材，节省图片收集时间，提升备课效率。高清数字图片可用于制作高质量课件，提升授课质量，同时支持辅导资料、微课视频及在线课程的制作，满足学生多样化学习需求。目前，应用该系统已制作了73个慕课视频和10个微课视频以辅助教师理论课教学。

3.2 实验课教学中的应用

在组织学实验教学环节中，教师采用高清全景数字切片进行教学，展示标本全貌及各相关结构的关系，突出细胞微细结构，极大地提升了教师的教学效果与效率，结合组织学超微结构图库的讲解，深化学生对组织器官超微结构甚至分子结构的理解。每张切片均附有详细的中英文标注，满足双语和全英文教学需求，学生可结合标注解读切片，提升观察力和理解力，并助力医学生提升专业英语水平。数字切片互动软件简化人机交互，学生通过点击鼠标即可移动屏幕、切换切片，可不同倍率观察、或者连续变倍浏览，省去显微镜繁琐操作，提升学习效率和体验。数字切片库支持远程访问，支持自主学习网络环境，满足学生随时随地学习需求，打破时空限制，满足预习复习需求，深化对组织学内容的理解^[5]。另外，在疫情防控期间，西安交通大学医学部通过该系统圆满完成了本科生各专业线上实验课教学任务，教学效果良好。该系统建成后在2017级—2022级临床医学、法医、预防、护理、口腔和基础医学等专业，共计196个班级、4 400名学生中进行了组织学实验课教学。截至2024年4月，该教学网络系统已经达到4.5万人次浏览、10多万片次的浏览量，总计浏览时间4万小时，取得了显著的实验教学效果。教学反馈结果显示，数字切片在组织学实验教学中得到了师生的一致好评：98%的学生对该系统非常满意；90%的学生认为该系统明显增强了学习效果；95%的学生表示该系统提高了实验课效率。需要说明的是，西安交通大学实验课原有的显微镜和玻璃切片仍然保留，以此加强学生对显微镜的操作技能和对真实组织切片的实物感。

3.3 实验课考试中的应用

西安交通大学传统的组织学实验考试主要采取显微镜下辨认含5种不同器官的考试专用混合切片的方式进行，但主要问题为混合切片数量有限、质量不同，而且考试面局限，不能客观评估学生的学习水平。而利用数字切片，通过对不同放大倍数的图片进行截取和编辑等操作，实验课考试出题就可以从不同层面考核学生对知识的掌握程度，这样切片辨认不限于器官和组织水平，而是深入到细胞水平甚至联系到相关功能。因此，组织学数字切片库可用于建立灵活多样的数字化实验考试题库，使考核范围更加全面，结果更加公正客观。另外，调节系统设置后，可由系统自动组题，学生考试时随机抽取一套试题在电脑上答题，系统自动评分，这样的考试形式更能平衡试题的难易程度，并实现实验考试的简便化和标准化^[6]。

3.4 整合课程中的应用

为深化“器官-系统”整合教学模式的医学教育改革，实现基础、临床教学的彻底贯通和学科间的有效融合衔接，西安交通大学医学部于2022年起对规培生和八年制学生开设“人体形态学”课程。该课程内容涵盖系统解剖学、细胞生物学、组织学与胚胎学和病理学的基础内容，不仅包括从细胞、组织到各系统的形态学内容，还包括细胞和组织的损伤与修复方面的基础知识。组织学数字切片库和病理学数字切片库的联合应用为整合课程的顺利进行提供了技术保障，实现了人体正常结构和病理结构相关知识点的无缝衔接。

3.5 教材和图谱编写中的应用

在组织学教材和图谱编写过程中，经常需要精心挑选组织切片，选取典型和最佳位置拍照作为插图，而每次选择切片并在显微镜下选择拍照部位费时费力。而组织学数字切片教学网络系统里的所有数字化切片是经经验丰富的教师精选而入库的，所以在编写教材和图谱时，只需要利用数字切片库，选择合适位置、最佳形态直接截取图片即可，极大地方便了图片的选择^[7]。通过该系统，笔者已经参与完成了4部教材（其中2部由高等教育出版社出版，2部由西安交通大学出版社出版）、2部图谱（由西安交通大学出版社出版）和2部实验指导（由西安交通大学出版社出版）的编写工作。

3.6 教学交流与培训中的应用

组织学数字切片教学网络系统还可以用于教学技能交流与培训活动。基于数字切片教学平台，不同高校的教师之间可以更好地交流学术观点、教学方法与经验。同时，数字切片库还可用于培训新进青年教师和技术人员，提高其专业知识水平。通过该平台，笔者已为研究生、临床医生和其他专业的教师提供组织学方面的专业培训十余次，有力地支持了教学交流与培训；与兰州大学医学部、空军军医大学、甘肃医学院和西安医学院等十余家兄弟院校进行了该系统的工作交流。

3.7 公共教育与科普中的应用

数字切片库可以为博物馆提供丰富的展览内容，开展各种形式的科普活动，让公众更直观地了解人体的组织结构和病理变化，提高公众对医学基础知识的认知。例如，肺气肿时肺的组织学结构发生改变，表现为细支气管胶原纤维增生、肺泡隔弹性纤维退化和肺巨噬细胞内充满碳颗粒，并且伴有癌基因的激活。通过比对正常和肺气肿的肺组织切片，告诫大众吸烟对人体健康的危害性以及养成健康生活方式的重要性。

综上所述，组织学数字切片教学网络系统在医学教育中发挥着重要作用。除此之外，在形态学科学研究中，该系统为研究者提供了丰富的样本资源，研究者可以从中获取大量高质量的切片数据，以此来进行形态学、细胞学和分子生物学等方面的研究。数字切片库也可为临床研究提供详实的原始数据，有助于揭示某些疾病的发病机制和寻找新的治疗靶点。此外，系统还支持多人协作和数据共享，促进科研领域的合作与交流。迄今为止，通过该系统已完成教师科研人员、研究生和本科生等不同层次约86人次的医学研究切片的扫描处理，实现了切片拍照、分析和交流。随着技术的不断进步和应用的深入拓展，数字切片库将在未来发挥更大的作用。

4 组织学数字切片教学网络系统的优势和不足

飞速发展的数字化技术以其强大的功能为师生提供了便利的学习条件和丰富的学习资源，促进了教与学方式的转变，受到师生的普遍欢迎。目前，数字切片已在全国很多医学高校得到广泛应用。蔡佩玲等^[8]的研究表明，将数字切片引入形态学实验课程，能显著提高临床医学生的学习成绩，切片数字化为组织学教学质量提升带来加速度。山东大学基础医学院医学形态学教学实验室^[9]所构建的医学形态学数字切片库在提升学生综合能力方面取得了积极成效。与以上同行的工作相比，笔者构建的组织学数字切片教学网络系统在实验课教学方面取得了同样的效果，所不同的是，笔者还将该系统应用于整合课程教学、教材和图谱编写、医学科普以及科学研究等领域，拓展了系统的作用，提升了系统的效能。通过六年的实践，我们总结数字切片的优势体现在以下四个方面。

4.1 助学优势

传统模式下，每次实验课教师所准备的玻璃切片数量有限，学生往往无法观察到足够多的标本，而数字切片数据库能汇集大量的组织学图片，增加了学生观察切片的数量，丰富了教学资源^[10]，学生能更全面地对组织切片进行辨识及解读，有助于学生对组织学前后知识的融会贯通和深度整合。传统玻璃切片由于制作人员和制作批次的不同，会导致学生拿到的玻璃切片质量参差不齐，影响其观察效果，而数字切片给所有学生呈现的图像信息完全一致，充分保证了实验教学过程的公平性。数字切片容易观察，学生可轻松实现不同放大倍数的流畅观察，能更好地理解各器官整体与局部的关系；切片中的典型结构经过标示和备注，学生能更快速、准确地辨认光镜结构，提高了学习效率，并方便后期复习。数字切片技术亦可以实现自动对比、标注和测量等功能，培养学生的数字内容创作能力。另外，学习活动不再局限于校园内，学生通过互联网访问数字切片即可进行跨时空学习^[11]，这极大地提高了教学的灵活性，使学生能够依据自身需求与学习进度能动地进行个性化学习，从而培养其自主学习的能力和树立终身学习的理念。总之，切片数字化为“以学生为中心的学习”这一教学模式的变革奠定了坚实的基础。

4.2 助教优势

传统实验课教学需要教师提前挑选和准备玻璃切片，而数字切片库的应用使得教师可以直接从平台上获取切片，节省了准备时间，提高了教学效率^[12-13]。资源共享还有助于推动教学方法的创新，教师可以利用数字切片库中的丰富资源尝试新的教学方式，如翻转课堂、PBL 教学和混合式教学等，对组织学理论课和实验课进行改革，以提高学生的学习兴趣和参与度^[14]。因此，组织学数字切片库的建立对于提高教学效果和促进组织学实验课教学的发展都具有重要的意义和应用价值。

4.3 助管优势

传统组织学切片教学资源有限。常规切片制作需要耗费专业技术人员的大量时间和精力，且受到器官样本来源、组织制备技术以及保存条件等多种因素的制约，导致玻璃切片的数量和质量难以满足教学需求^[15]，这在一定程度上限制了学生观察和学习的广度。组织学数字切片库的建立改善了切片资源的保存和管理模式，无需大量制作玻璃切片，无需专人定期查阅切片质量变化，这不仅有助于避免由于切片损坏或丢失导致的资源损失，还可以确保切片数据的完整性和可复制性。并且，将所有数字切片按照教学章节分类存储于服务器中，使得对切片的管理和利用更加便捷高效。

4.4 助研优势

在组织学研究中，数字切片的引入为科研人员带来了极大的便利。利用数字切片进行组织学研究具有显著的优势，主要体现在以下几个方面：①高效便捷的数据访问。数字切片允许研究人员在任何时间、任何地点通过互联网访问组织样本的图像数据。这极大提高了研究的灵活性，使得研究人员可以更加高效地管理和利用数据。②无限次的重复使用。传统的组织切片在使用过程中可能会损坏或丢失，而数字切片可以被无限次地重复使用，极大地节约了实验成本。③高质量的图像分析。数字切片可以通过图像处理软件进行增强和分析，以提取更多有价值的信息。这些软件可以自动识别细胞结构、测量细胞尺寸和数量等，从而提高定量分析的准确性和效率。④易于存储和共享。数字切片易于在服务器或云端进行存储和备份，还可以通过电子邮件和云盘等方式进行传递，促进了科研协作和数据共享。⑤便于长期跟踪和回顾。数字切片可以长期保存、随时回顾和重新分析，方便研究人员在后续研究中继续利用之前的数据，进行深入的分析和比较。⑥支持模式识别。数字切片技术结合图像处理和机器学习算法，可以实现更高级别的定量分析和模式识别，有助于科研人员发现新的生物学模式、疾病标志物或治疗靶点。⑦促进跨学科研究。数字切片作为一种数字化资源，不仅限于组织学研究领域，还可以被其他学科（如生物信息学、计算生物学等）的研究人员所利用，促进跨学科合作和研究。

4.5 不足

虽然组织学数字切片教学网络系统具有传统实验教学模式无可比拟的优势，但仍存在不足之处，表现在：①技术依赖性和成本高。数字切片教学依赖于稳定的互联网连接和先进的设备，一旦出现网络系统故障或设备故障，则会影响教学的顺利进行，此外，构建和维护数字切片库也需要一定的成本投入。②学生学习深度受限。虽然数字切片提供了丰富的视觉信息，但过于依赖视觉材料可能导致学生对理论知识的学习不够深入。③缺乏师生情感交流。传统教学模式中，师生面对面交流有助于建立情感联系，及时发现和解决学生存在的问题，而数字切片学习无法实现这一点^[16]，学生难以取得面授的教学效果。④显微镜操作能力降低。传统模式下，学生通过显微镜观察真实切片，可以培养显微镜操作技能和镜下观察能力，而数字切片无法提供相应的训练和显微镜下的实际操作经验，无法享受亲自动手操作显微镜的乐趣^[17]。

建立组织学数字切片教学网络系统是笔者对教学资源数字化及其与其他教学技术融合建设的初步探索，这是一项既富有成效又充满挑战的工作。高等教育数字化是世界各国高等教育领域的关注焦点，是影响中国高等教育高质量发展的重大命题。为应对数字化转型所带来的多维度现实挑战，医学教育研究者尚须提升师生的数字思维与胜任力、加强场景驱动智联环境的建设，并强化数字化切片教学法的研究与实践，从而最大程度地释放数字教育的价值潜力，充分体现其公平、包容、开放和共享等优势^[18]。西安交通大学医学部数字切片教学网络系统的建设为组织学实验课的数字化教学奠定了基础，为深化组织学实验教学改革创造了条件。随着数字切片应用软件功能的不断优化和完善，将数字切片与玻璃切片有机结合起来进行实验课教学，必将有效提高组织学整体教学质量。

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