手機(jī)版無線體視成像互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)

李玉明，麻彩萍，王菁蘭，李 鵬，鄭 馳，張貴友

（1. 清華大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，北京 100084；2. 寧波永新光學(xué)股份有限公司，浙江 寧波 315100）

近年來，隨著新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，顯微成像技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。通過提供微觀成像、圖像采集、傳輸和數(shù)據(jù)分析等功能，顯微成像技術(shù)以客觀真實(shí)和軟件分析功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)率先在科研工作中得到應(yīng)用并快速發(fā)展[5-8]，其中不乏徠卡、奧林巴斯、蔡司等國(guó)際高端產(chǎn)品。從提升教學(xué)水平和學(xué)與研相結(jié)合的角度來看，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的手繪制圖方式已不適合現(xiàn)代教學(xué)，必將隨著成像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用逐漸被數(shù)字顯微成像方式所取代。因此，將數(shù)字顯微成像技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)將為提高教學(xué)水平提供更好的支撐和保障。

科研級(jí)體視成像系統(tǒng)能很好地配合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采集圖像，進(jìn)行教學(xué)演示，但因?yàn)閮r(jià)格昂貴、占用空間大而限制了設(shè)備的數(shù)量，上課時(shí)學(xué)生往往需要排隊(duì)等候較長(zhǎng)時(shí)間。顯微互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)[9-12]一定程度上解決了上述問題；但需要對(duì)每臺(tái)顯微鏡進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)布線，配置電腦或平板及安裝與更新軟件，增大了設(shè)備管理投入；為了避免計(jì)算機(jī)染毒，只能由助教統(tǒng)一上傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生下載后才能使用圖片完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，經(jīng)費(fèi)、空間要求高，且浪費(fèi)了學(xué)生不少課上、課下時(shí)間。如能設(shè)計(jì)一套性能符合教學(xué)要求的無線成像互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，既能擺脫添置設(shè)備，占用實(shí)驗(yàn)室空間的困擾，又能保證每位學(xué)生人手一臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)采集圖像和下載實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將能很好地解決目前的問題。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應(yīng)用及近年來手機(jī)等移動(dòng)客戶端不斷普及，人們的生活、學(xué)習(xí)方式都在不斷地發(fā)生改變。這些變化也為進(jìn)一步提升教學(xué)水平、滿足師生需求、推進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革與創(chuàng)新提供了契機(jī)。2017 年作者單位正式啟動(dòng)“手機(jī)版無線體視成像互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)” 研制項(xiàng)目。研制目標(biāo)是：達(dá)到教學(xué)要求的單機(jī)體視成像效果；全無線連接方式，便于移動(dòng)設(shè)備的使用；使學(xué)生手機(jī)或其他移動(dòng)終端進(jìn)入課堂成為實(shí)驗(yàn)儀器；保證一定數(shù)量的學(xué)生同時(shí)使用時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)乃俣燃胺€(wěn)定性；節(jié)省實(shí)驗(yàn)室空間、降低成本、減輕實(shí)驗(yàn)室管理工作。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單機(jī)體視顯微圖像的采集和多臺(tái)單機(jī)與教學(xué)終端的交互功能。系統(tǒng)由學(xué)生移動(dòng)終端、學(xué)生用體視成像系統(tǒng)、無線路由器系統(tǒng)、教學(xué)終端、相關(guān)軟件等組成，如圖1 所示。

圖1 手機(jī)版無線體視成像互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 學(xué)生移動(dòng)終端

移動(dòng)終端包括手機(jī)、平板電腦等，用于接收由體視成像系統(tǒng)傳到無線路由器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像，以及與教學(xué)終端互傳文件。

1.2 學(xué)生用體視成像系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括體視顯微鏡、電荷耦合器件（CCD）、控制器、無線接入點(diǎn)，利用原有體視顯微鏡改造而成（見圖2），可實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像及其數(shù)字轉(zhuǎn)換、連接無線路由器等功能。

1.3 無線路由器系統(tǒng)

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖2 體視成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改造

（1）圖像采集功能。將體視鏡下的光學(xué)成像通過數(shù)字傳感器處理成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)固定IP 地址的無線接入點(diǎn)發(fā)送到無線路由器系統(tǒng)，學(xué)生移動(dòng)終端連接到無線路由器系統(tǒng)，通過軟件中的登錄功能實(shí)現(xiàn)與某個(gè)指定IP 的連接，即可得到對(duì)應(yīng)的體視鏡下的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像（見圖1 中右側(cè)黑色實(shí)線所示）。

（2）圖像傳輸功能。所有體視鏡下圖像經(jīng)無線路由器系統(tǒng)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇虒W(xué)終端的圖像傳輸模塊（見圖1 中右側(cè)紅色虛線所示）。

（3）課堂互動(dòng)功能。通過無線路由器系統(tǒng)，學(xué)生手機(jī)終端與教學(xué)終端的課堂互動(dòng)模塊無線連接，實(shí)現(xiàn)文件的傳輸（見圖1 中左側(cè)綠色虛線所示）。

1.4 教學(xué)終端

教學(xué)終端包括圖像傳輸模塊和課堂互動(dòng)模塊。兩模塊通過無線路由器分別與體視成像系統(tǒng)和學(xué)生移動(dòng)終端無線連接，以瀏覽所有學(xué)生鏡下圖像和進(jìn)行文件互傳。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）JSZ6 體視顯微鏡連續(xù)變倍比為6.1∶1，物鏡變倍范圍0.8～5.0。

（2）數(shù)據(jù)傳感器采用靜態(tài)500 萬像素CCD，動(dòng)態(tài)分辨率最高達(dá)2k 像素（支持1 080 P 和2k 像素切換）。

（3）無線路由器系統(tǒng)由POE 交換機(jī)、無線接入控制器、無線路由器、多個(gè)無線接入點(diǎn)四部分組成。無線路由器支持5G 和2.4G Wi-Fi，通過信道隔離技術(shù)，以保證信號(hào)之間互不干擾。2.4G Wi-Fi 作為備用，服務(wù)于不支持5G Wi-Fi 的學(xué)生移動(dòng)終端。

（4）教學(xué)終端Nowlab 2.0 軟件用于控制圖像傳輸模塊和課堂互動(dòng)模塊。

（5）教學(xué)終端的圖像傳輸模塊可訪問并實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生鏡下動(dòng)態(tài)圖像。

（6）教學(xué)終端的課堂互動(dòng)模塊與每一臺(tái)學(xué)生移動(dòng)終端連接，實(shí)現(xiàn)屏幕廣播、接收作業(yè)及下發(fā)報(bào)告。

（7）學(xué)生移動(dòng)終端用于鏡下圖像的觀察、拍照，與教師終端交互圖像或文件。

（8）通過掃碼連接應(yīng)用市場(chǎng)下載、安裝和更新操作軟件Touchscope Pro。

（9）使用操作軟件實(shí)時(shí)顯示體視顯微鏡下的成像結(jié)果，并與教學(xué)終端進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)。

（10）操作軟件支持IOS、Android、Windows 等操作系統(tǒng)。

（11）操作軟件包括相機(jī)、文件、拍照、微觀圖像、查看圖片、上課、宏觀圖像、截屏、中英文切換等功能模塊。

（12）微觀圖像模塊用于拍照，測(cè)量，保存和上傳圖片，調(diào)節(jié)曝光值、增益、亮度、對(duì)比度、銳度、白平衡、HDR、紅增益、綠增益、藍(lán)增益。

（13）宏觀圖像模塊用于拍攝當(dāng)前標(biāo)本圖像，上傳至教學(xué)終端。

（14）拍照模塊用于點(diǎn)擊學(xué)生移動(dòng)終端屏幕自動(dòng)拍照保存至相冊(cè)。

（15）截屏模塊用于一鍵實(shí)時(shí)記錄課堂重要內(nèi)容。

（16）實(shí)驗(yàn)步驟圖像可傳送到教學(xué)終端，實(shí)時(shí)記錄整個(gè)上課過程。

3 系統(tǒng)操作

3.1 學(xué)生移動(dòng)終端使用

課前通過學(xué)生微信群和網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂公布軟件下載二維碼和軟件使用說明書；學(xué)生提前下載安裝軟件。到實(shí)驗(yàn)室后，按照?qǐng)D3 的流程，無線連接體視鏡與手機(jī)，進(jìn)行微觀、宏觀圖像的采集，圖片的保存與查看等操作（見圖4）。

圖3 圖像采集流程（以IOS 系統(tǒng)為例）

圖4 Touchscope Pro 軟件登錄界面與功能模塊（學(xué)生移動(dòng)終端）

3.2 教學(xué)終端使用

安裝運(yùn)行Nowlab2.0 軟件；打開軟件后需要綁定固定IP 地址；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況修改安裝路徑下的“IPList.ini” 文件，設(shè)置學(xué)生移動(dòng)終端的IP 地址；打開軟件之后新建實(shí)驗(yàn)以啟動(dòng)軟件其他功能，或加載已建立的實(shí)驗(yàn)；進(jìn)入軟件的主功能區(qū)（見圖5）。

圖5 Nowlab2.0 軟件中微觀圖像界面（教學(xué)終端）

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

該系統(tǒng)已在清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院開設(shè)的 “普通生物學(xué)實(shí)驗(yàn)” 課程正式使用，用于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 “花的解剖結(jié)構(gòu)觀察”（見圖6、7）。針對(duì)這套系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，將該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改進(jìn)為互動(dòng)教學(xué)模式，每學(xué)年服務(wù)于300 名來自生命科學(xué)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、藥學(xué)院、化學(xué)系等院系的學(xué)生。并且該系統(tǒng)引起了其他課程教師的興趣，部分開設(shè)全校選修課程的老師已有計(jì)劃將這套系統(tǒng)納入課程的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃。相關(guān)人員使用后反饋如下。

圖6 學(xué)生使用手機(jī)采集圖像

圖7 學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告截圖

（1）任課教師認(rèn)為：成像效果能夠達(dá)到目前教學(xué)要求，互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的使用對(duì)教學(xué)方式的改進(jìn)有促進(jìn)作用。通過教學(xué)終端軟件的 “微觀圖像” 可以使用任何一臺(tái)學(xué)生用體視成像系統(tǒng)進(jìn)行示教，鏡下的操作演示可以通過軟件的 “強(qiáng)制廣播” 實(shí)時(shí)發(fā)送到學(xué)生手機(jī)上或通過投影儀進(jìn)行全班演示。某位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以通過同樣的方式分享給全班同學(xué)。能夠動(dòng)態(tài)掌握全班同學(xué)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情況，發(fā)現(xiàn)并匯總常見問題，進(jìn)行集中講解或提示學(xué)生操作，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)。針對(duì)個(gè)別問題，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)而主動(dòng)指導(dǎo)學(xué)生。該系統(tǒng)保證了每位學(xué)生單獨(dú)使用一臺(tái)儀器，提高了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）學(xué)生認(rèn)為：手機(jī)掃碼下載軟件方便，軟件操作簡(jiǎn)單、采集圖像清晰、快速。課堂上可以隨時(shí)采集圖片并保存在手機(jī)上。只需要將拍好的圖片適當(dāng)?shù)貥?biāo)注即可在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，省時(shí)省力。

（3）實(shí)驗(yàn)室管理人員認(rèn)為：本套系統(tǒng)將硬件整合到原有體視鏡內(nèi)部，既節(jié)約了成本又達(dá)到了采集圖像的目的。無線連接保證了多臺(tái)體視成像系統(tǒng)能同時(shí)穩(wěn)定工作，并避免了實(shí)驗(yàn)室大量布線。成像系統(tǒng)不用單獨(dú)配備電腦等顯示、控制設(shè)備，由學(xué)生的手機(jī)取代，占地空間小，便于移動(dòng)收放，減少了儀器設(shè)備管理工作。軟件安裝到學(xué)生手機(jī)便于升級(jí)、不存在設(shè)備染毒問題。

5 結(jié)語(yǔ)

手機(jī)版無線體視成像互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的最大亮點(diǎn)是將手機(jī)、平板電腦等引入課堂，成為采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果的教學(xué)儀器，并借助全無線連接方式進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)。這套系統(tǒng)性能優(yōu)良、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，更重要的是適合人數(shù)較多的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，切實(shí)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高起到了保障與支撐的作用。