2020年春，疫情波及全国各地，各地高校的教学计划都被打乱，线上教学成为主要授课模式。海军军医大学也迅速制定线上课程计划应对突如其来的疫情，生物物理学教研室开展的透射电镜制样实验课程也需由现场授课改为线上教学。笔者研究了线上主流直播课平台，如腾讯课堂、钉钉等的教学模式，发现这类平台对于理论授课比较合适，但无法满足实验课的理论讲授与实践操作紧密结合的教学需求。为适应疫情防控常态化形势下的实验课线上教学，笔者通过多源互动教学设备的研制，结合了数码显微互动、无线图传、可穿戴设备等成熟技术，通过显微镜电子目镜将镜下的视野转换成数字影像，通过多角度高清摄像头等设备同步采集制样手法视频，实时上传到自主研发的多源教学互动平台，实现了基于网络的显微镜下图像实时共享，镜下图像和操作方法的同屏显示，同时支持文字弹幕提问和共享白板标注等在线交互方式[1-2]，从而为开展实验课的线上教学奠定了平台基础和应用经验。
1系统架构
1.1系统总体设计
多源互动教学系统首先要能支持多种类型的摄影摄像设备，包括显微镜电子目镜、相机串行接口（CameraSerialInterface，CSI）标准的摄像单元、通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）标准的摄像头以及支持实时消息传输协议（RealTimeMessagingProtocol，RTMP）协议的视频采集设备等（图1）。其次，设备要体积小巧，不需对场地进行改造就可以便捷部署，支持有线、无线方式接入网络。第三是跨平台应用，学生可用各种智能终端接入网络，不需安装专用软件或APP，直接通过浏览器就可以实时查看视频，进行师生互动[1]。
1.2系统主机
系统采用树莓派（RaspberryPi，RPi）作为主机，RaspberryPi作为只有信用卡大小的微型电脑，其系统基于Linux，具备2.4GHz蓝牙接收器，内置802.11bgn无线网卡，以64GTF卡作为存储，有4个USB2.0接口以及高清多媒体接口（HighDefinitionMultimediaInterface，HDMI）接口，输入电流为12V/5A。
1.3实验操作采集设备
多源互动教学设备应用于透射电镜制样实验课程时，采用了两路实验操作采集设备，分别为头戴式摄像设备，用于摄录使用者主观视角的高清操作视频，通过USB接口接入主机；另一路为支架式摄录设备，用于观察样品块不同角度的切面形态及手部精细操作，采用CSI接口接入树莓派主机。
1.4镜下图像采集设备
显微镜下图像采集设备选用江南THDCE电子目镜。该电子目镜为生物显微镜、体视显微镜上的专用相机，配有多种型号显微镜套筒，免驱动安装，即插即用，支持多种分辨率，具有500万像素，最大分辨率可达2560×1920，支持自动白平衡、自动曝光等功能。
1.5教学视频采集设备
摄像头选用罗技LogitechC525/B525高清网络摄像头，以USB接口连接迷你控制主机。该摄像头自动执行对焦、曝光、取景，支持全高清1080p30fps直播，摄像头自带麦克风便于教师讲课。
2实验理论与操作教学
2.1教学示教准备
授课前做好样品块修块、半薄切片的示教工作。用丙酮将新的刀片上的油脂擦净，将样品块置于体视镜下修块，手持刀片去掉过多的无用树脂，仅保留少量树脂，修好样品块形似金字塔型，使其具有稳定的基部。制备好玻璃刀刀槽，用超薄切片机（LeicaEMUC6）将样品块切成1μm的薄片，用自制金属环将薄片从水槽的水面中捞取[3]。将薄片置于盛有水滴的载玻片上，用烘片机将水滴烘干，滴上中性树胶，用镊子轻压盖玻片排除空气，载玻片置于相差显微镜（LeicaDM1000）下待观察。
2.2实验理论讲解
理论教学中，将挑选出的切片用全自动数字切片扫描仪进行扫描，做好编号和名称整理，形成数字切片数码互动系统，实验课教学随时可以调用数据库资源[4]。运用系统共享白板的功能中展示数码切片图片，标记并讲解细胞结构形态及功能。实时教学中，将切好的半薄切片放入载玻片在显微镜下观察，将显微镜的镜头（物镜和目镜）都调换成最低倍数，并打开显微镜的电光源，调节焦距，然后取下目镜换上电子目镜，通过实时采集的镜下图像指导学生发现组织的特殊形态，经过比对形态定位找准目标。
2.3定位操作演示
现场电镜制样的定位操作教学中，在体视镜下的操作手法往往因为观察角度窄小无法展示。在本教学系统中，教师使用固定支架式高清摄像头完整展示定位操作的技术手法，并实时采集传输至主机，学生通过网络可同步观看。在实际教学中，以肾组织块精确定位肾小球为例，要求学生能够结合理论学习掌握的实验操作技巧，通过在显微镜下观察肾组织块的半薄切片以及在体视镜下观察样品块的形态特征，正确判断肾小球在样品块的具体位置并进行精确定位。实验教学演示中，将样品块置在体视镜下，体视镜目镜放大倍数调整至1.5～2.0倍，教师一手握持底座，一手持刀片进行切块定位，演示利用冷光源灯光对标本切面的反光判断其形态，同时观察相差显微镜下的半薄切片形态[5]。根据半薄切片在显微镜中观察到的所需部位，用准备好的单面刀片将肾小球所在的组织块修成梯形，所要观察的部位应尽量定位在梯形的中央。组织块梯形的底边一般修成长为0.5mm，高为0.2mm。最后用双面刀片将块面切成等腰梯或直角梯形。整个实验操作教学过程中，摄像头采集操作者手法，电子目镜采集镜下图像，以网页形式同屏展示在学生的智能终端。
2.4线上师生交互
采用超文本标记语言5（HyperTextMarkupLanguage，HTML）的基于画布（Canvas）的网页绘图技术，使用JavaScript脚本通过函数处理关系完成鼠标或触摸在Canvas画布的上绘图、标识等操作，实现Web页面界面的实时绘图标注[6]。教师可以选择以预先定义的视频显示矩形区域或整个屏幕作为交互白板，实现线上的师生图形化交互以及实时弹幕问答。
3小结
树莓派作为一个微型计算机，可以承担数据处理、音频视频输出及互联网接入等任务[7]，利用通用显微镜电子目镜采集显微镜镜下高清数字图像，利用多角度的摄像器材采集常规电镜技术如修块、定位等狭小的空间内的手部精细入微的动作和样品块表面形态，通过头戴式摄录设备采集操作者第一视角实时视频，并通过网络传输至服务器。学生利用各类智能终端连接互联网，无需安装专用软件或APP，直接打开指定网址，访问主机，就可以清晰地观看到实时直播的多路实验视频，相较线下实地教学，学生观看更加直接，不会因角度问题错过细节。学生跟随老师的讲解，可以清楚地观察病变组织结构，按需放大细节图像，针对性强，更容易集中注意力。另外在教学过程中如果发现典型案例，教师不仅可以实时保存，也可通过共享白板在视频上进行标记，让每名学生都能观察到。教师与学生的线上互动形式也不再是低效的单人提问，师生以线上弹幕形式问答，或以触屏标注的形式进行交互，都极大地提升了学习效率，增加了实验课学习的现场感。疫情背景下开展线上教学，要求教师以学生为中心设计新的教学理念和教学方法，培养学生自主学习技巧和能力。教师要把握“实用为原则”的教学组织，在疫情来临时及时更新教学资源，结合网络教学和实验教学特点，把握未来学习发展方向。
本文所设计的教学模式使用了自主研发的多源直播教学互动设备，将视频图像采集传输技术与网络直播技术应用于实验教学，实现了多源视频的实时采集与无线传输、多终端共享与互动等功能，弥补了目前线上实验教学视频来源单一、操作示教难以看清等不足，为不改造现有教学场地即可实现智慧教学，也为线上教学的师生互动提供一种人性化可视性的解决途径。
作者：林方兴 李天 胡适 雷长海 单位：海军军医大学生物物理学教研室