顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

胡國元，胡 婧，朱雄偉，孫 煒

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，綠色化工過程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)將數(shù)碼顯微鏡與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等相互結(jié)合，創(chuàng)造了師生之間類似語音教室的交流手段，這一系統(tǒng)將傳統(tǒng)的由教師個(gè)別地手把手教學(xué)生用顯微鏡進(jìn)行微觀形態(tài)觀察實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，變?yōu)閹熒?dòng)、圖像共享、高效率的教學(xué)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(gè)別學(xué)生給予指導(dǎo)或幫助；還可發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖像處理和保存功能，并與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)圖像和資訊的異地實(shí)時(shí)共享。這些都為生物形態(tài)教學(xué)方式帶來了革命性的變化[1]。武漢工程大學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了Motic顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng),并成功應(yīng)用于微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

1 傳統(tǒng)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的基本要求是通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生必須學(xué)會(huì)顯微鏡的使用技術(shù)、無菌操作技術(shù)、微生物的制片與染色技術(shù)、微生物大小測定和計(jì)數(shù)方法、培養(yǎng)基制備與滅菌技術(shù)、微生物的純培養(yǎng)技術(shù)等，而微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的大部分微觀形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)課都離不開顯微鏡的使用。傳統(tǒng)的微生物形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是在課堂上學(xué)生們各自使用顯微鏡,孤立地做各自的標(biāo)本或制片觀察,存在的主要問題如下：

1.1 教學(xué)效率低且?guī)熒鷾贤ㄉ賉1-4]

傳統(tǒng)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式注重對理論知識的驗(yàn)證,忽視綜合實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。在課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，教師除了負(fù)責(zé)主場教學(xué)外，在所剩不多的時(shí)間內(nèi)，教師只能指導(dǎo)有限的幾個(gè)學(xué)生，大部分的學(xué)生不能得到有效而及時(shí)的輔導(dǎo)。

教師與學(xué)生及學(xué)生之間的溝通和交流受到時(shí)間、空間的限制，使得教師不得不經(jīng)常重復(fù)回答不同學(xué)生提出的相似問題；而學(xué)生由于只能單獨(dú)觀察操作自己的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，看不到老師或其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程，經(jīng)常發(fā)生學(xué)生排隊(duì)等老師回答問題的情況。

1.2 教學(xué)內(nèi)容局限和教學(xué)資源缺乏共享[1-2]

由于傳統(tǒng)顯微鏡功能的限制，使學(xué)生在每一次課堂教學(xué)中，只能觀察到有限的幾種材料的微觀圖像。微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容嚴(yán)重受限制。

微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源無法共享也是傳統(tǒng)顯微鏡教學(xué)中的一大弊病。由于在傳統(tǒng)微觀教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，不能實(shí)現(xiàn)圖像的遠(yuǎn)距離傳送和儲存，一些好的材料、好的現(xiàn)象和好的結(jié)果只能局限于某一次實(shí)驗(yàn)課或某一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，而無法在另外的時(shí)間或不同的實(shí)驗(yàn)中再現(xiàn)，更談不上校際資源共享。

2 Motic數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)包括數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、語音問答系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)。

Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)特點(diǎn)有：Motic系列高品質(zhì)顯微鏡；量身定制專業(yè)內(nèi)置式顯微數(shù)碼系統(tǒng)；多畫面實(shí)時(shí)顯示(可選擇1～128臺顯微鏡);Motic獨(dú)創(chuàng)的交談式顯微鏡LED指針系統(tǒng)；雙向語音問答系統(tǒng)；Motic專業(yè)數(shù)碼顯微鏡軟件；強(qiáng)大的圖像處理功能；專業(yè)的測量技術(shù)；實(shí)用報(bào)表報(bào)告生成工具(http://www.motic.com.cn)。

2.1 數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)

Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)教室配置的顯微鏡包括學(xué)生用顯微鏡及教師用顯微鏡；其中學(xué)生用顯微鏡內(nèi)置數(shù)碼480TV-lines的Motic攝像系統(tǒng)；教師用顯微鏡內(nèi)置200萬有效像素，高分辨率數(shù)碼攝像系統(tǒng)，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(shù)據(jù)的快速傳輸[1-4]。

2.2 圖像系統(tǒng)

Motic標(biāo)準(zhǔn)版數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室圖像系統(tǒng)包括Motic Processer和Motic Multiplexer專業(yè)圖像處理硬件，保證了Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)教室的高品質(zhì)圖像；Motic Multiplexer實(shí)現(xiàn)顯微鏡圖像的合并、切換；Motic Processer是計(jì)算機(jī)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(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室圖像系統(tǒng)包括教師通道、學(xué)生通道1、學(xué)生通道2、學(xué)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(gè)學(xué)生通道可同時(shí)顯示16臺學(xué)生顯微鏡的圖像,也可以用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊任一圖像,單獨(dú)全屏顯示1臺顯微鏡的圖像。同時(shí)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(jīng)過處理后輸入計(jì)算機(jī),利用顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)軟件,可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)

Motic標(biāo)準(zhǔn)版數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室語音問答系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生間的雙向溝通。學(xué)生借助Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的語音問答系統(tǒng)向老師提出問題，老師則可以選擇通話模式與學(xué)生進(jìn)行交流。顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的語音問答系統(tǒng)可采用4種交流模式(http://www.motic.com.cn):全通話模式、學(xué)生示范模式、師生討論模式和分組練習(xí)模式。

2.4 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)包括人性化界面設(shè)計(jì)，圖像顯示、捕捉及放大，學(xué)生端和教師端圖像的白平衡，圖像除噪，學(xué)生端和教師端圖像增加動(dòng)態(tài)紅、蘭、灰、綠和反轉(zhuǎn)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(bào)表功能，實(shí)現(xiàn)圖片的遠(yuǎn)程共享和遠(yuǎn)程教學(xué)，不同教師擁有獨(dú)立的用戶權(quán)限，實(shí)現(xiàn)分班級圖片資料管理，方便的出廠默認(rèn)值和用戶默認(rèn)值的設(shè)置(http://www.motic.com.cn)。

軟件系統(tǒng)包括Digiclass1.2部分和Advanced 3.2部分。上實(shí)驗(yàn)課時(shí)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(bào)告。該系統(tǒng)不僅提供基本的捕捉圖像和對圖像進(jìn)行各種測量的功能,還可以對選定目標(biāo)進(jìn)行過濾處理、分割及自動(dòng)計(jì)數(shù),具有自動(dòng)捕捉靜態(tài)圖像、設(shè)置各種捕捉參數(shù)、自動(dòng)曝光和自動(dòng)白平衡功能,能還原圖像的真實(shí)彩色和高分辨率、高清晰度并預(yù)覽實(shí)時(shí)圖像[4]。

3 Motic數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

武漢工程大學(xué)使用的Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)連接36臺數(shù)碼顯微鏡，與教師使用的計(jì)算機(jī)相連，該系統(tǒng)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用改變了以教師為中心的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,營造了以學(xué)生為中心的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,為師生提供了多個(gè)教學(xué)互動(dòng)的信息平臺，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合起來，有效調(diào)動(dòng)了提高學(xué)生學(xué)習(xí)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性，尤其增強(qiáng)了微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)顯微觀察教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)效果，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3.1 對實(shí)驗(yàn)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(shí)際圖像講解實(shí)驗(yàn)的目的、原理、實(shí)驗(yàn)、內(nèi)容以及注意事項(xiàng)，有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)操作中的學(xué)習(xí)效率，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

通過高清晰度畫面顯示，教師手中的主機(jī)可同時(shí)控制所有數(shù)碼顯微鏡的動(dòng)態(tài)情況。教師端利用顯微鏡LED指示功能，通過教師計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)點(diǎn)擊學(xué)生通道，實(shí)時(shí)瀏覽和監(jiān)控每一臺學(xué)生顯微鏡下的圖像，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)準(zhǔn)確指導(dǎo)每一位學(xué)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(gè)學(xué)生顯微鏡下的經(jīng)典圖像切換到大屏幕，讓全體同學(xué)共享。

語音交流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了師生的雙向溝通：在全通話模式下，老師通過耳機(jī)話筒授課，全體學(xué)生用耳機(jī)收聽；師生討論模式時(shí)，老師可與學(xué)生一對一或最多可多達(dá)6位的對話，但只有被選擇的學(xué)生才可以收聽或發(fā)言；學(xué)生示范模式時(shí)，教師可選擇一位同學(xué)對話，所有學(xué)生都可以聽到談話內(nèi)容，但不可發(fā)言；最特別的是分組練習(xí)模式，它將學(xué)生分為4人一組，組內(nèi)學(xué)生可互相通話,老師也可隨時(shí)加入。比如在觀察細(xì)菌莢膜時(shí)，有一位學(xué)生很快找到莢膜的位置，而另外3位學(xué)生還在四處搜尋；教師發(fā)現(xiàn)這一情況后，可選定這4位學(xué)生，先由第一位學(xué)生介紹經(jīng)驗(yàn)，然后由教師點(diǎn)評，這樣另3位學(xué)生也很快找到觀察目標(biāo)。師生對話及學(xué)生互相通話的靈活互動(dòng)方式激發(fā)了學(xué)生的求知欲，發(fā)掘了實(shí)驗(yàn)課帶來的快樂。

3.2 對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的豐富

Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)將抽象復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容通過圖像、聲音以及顯微鏡下內(nèi)容直觀、準(zhǔn)確地表達(dá)出來，教師可以實(shí)時(shí)插播實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的錄像、圖片等視頻資料，使學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)最大程度地接受信息，并掌握所學(xué)知識，達(dá)到事半功倍的效果。

Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)教師端和學(xué)生端對圖像均可進(jìn)行靜態(tài)捕捉、自動(dòng)定時(shí)捕捉和動(dòng)態(tài)錄像捕捉。這樣教師可以選擇實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)對學(xué)生進(jìn)行鞏固和加強(qiáng)；學(xué)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(jì)算機(jī)的個(gè)性化顯微圖譜中，便于自己及時(shí)復(fù)習(xí)鞏固；同時(shí)使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

另外，不同班級或不同年級的同學(xué)的個(gè)性化顯微圖譜可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。在實(shí)驗(yàn)過程中，筆者經(jīng)常把上一個(gè)班或往屆班級學(xué)生做得好的照片，展示給下一個(gè)班級的學(xué)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(jìn)行點(diǎn)評，分析成功的經(jīng)驗(yàn)，激勵(lì)學(xué)生做出更高質(zhì)量的裝片，讓教師拍到更高質(zhì)量的圖片。

3.3 對學(xué)生顯微觀察能力的強(qiáng)化

在數(shù)碼顯微互動(dòng)教學(xué)中,筆者引導(dǎo)學(xué)生細(xì)致觀察，在觀察中思考和分析問題，從互動(dòng)中發(fā)現(xiàn)問題，提出問題的解決辦法。例如在觀察根霉的形態(tài)時(shí),先引導(dǎo)學(xué)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(shù)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(shí)，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(xué)生要觀察到典型的顯微圖片，務(wù)必注意微生物制片的每一環(huán)節(jié)。又如在進(jìn)行細(xì)菌的革蘭氏染色法實(shí)驗(yàn)時(shí)，制片與染色環(huán)節(jié)非常重要，否則會(huì)出現(xiàn)相反的染色結(jié)果。另外由于每個(gè)學(xué)生的圖片會(huì)在屏幕上出現(xiàn)，這也激發(fā)學(xué)生一定要做出高質(zhì)量的圖片，這一平臺無疑強(qiáng)化了對學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。通過數(shù)碼顯微互動(dòng)教學(xué),學(xué)生能夠把書本知識與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果結(jié)合,加深對微生物學(xué)知識的理解。

傳統(tǒng)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，要檢查學(xué)生的制片水平，必須一個(gè)一個(gè)的檢查，其效率低；Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，為對學(xué)生平時(shí)顯微觀察能力、制片能力等的考核提供了技術(shù)平臺，教師可同時(shí)全程觀察多個(gè)學(xué)生的制片情況，并可拍照存檔，為每個(gè)學(xué)生建立平時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果電子檔案，以作為平時(shí)實(shí)驗(yàn)考核依據(jù)。

Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是一個(gè)十分先進(jìn)且具有現(xiàn)代化特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)備，它使武漢工程大學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的方式發(fā)生了根本改變，同時(shí)也提高了微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)功能強(qiáng)大,有許多功能需要進(jìn)行不斷的摸索和開發(fā)。如何充分發(fā)揮數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢,是一個(gè)新的課題，需要教師、學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室工作人員在應(yīng)用中去熟練掌握和開發(fā),讓Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)更好地為微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。

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