虚拟病理学实验教学管理系统的设计与实现

来源:用户上传      作者:徐晓艳 范鹏程

　　摘 要：病理学实验教学对于医学院校的学生具有重要意义，但因为受到教学资源和环境所限，没有充足的学习实践机会。本研究分析了虚拟病理学实验教学中的主要构成要素，以虚拟切片和三维大体标本模型为基础，设计并实现了一个虚拟病理学实验教学软件平台，为开展基于教育信息化的病理学教学改革提供一种思路与实践。
　　关键词：病理学；实验；教学；虚拟学习环境
　　病理学被人们称为“权威诊断”，在临床医学中占有不可替代的重要地位，同时具有很高的人工技术含量。因而，实验教学在病理学教学中占有重要的地位。但由于医学院校的实验条件所限，不能为学生提供足够多的实验轮次和足够数量的实验标本。这使得病理学实验教学不能够得到充分的开展。本研究借鉴国际最新的研究成果，结合先进的信息技术，通过虚拟病理大体标本、虚拟病理切片、病理学知识库等的建立，打造一个不受时间、地域、人数限制的病理实验教学系统。也为开展远程病理诊断创造一个良好的平台环境。
　　一、 虚拟病理实验系统研究与设计现状
　　随着图像数字化和互联网传输技术的进步，基于“虚拟切片”的病理诊断和教育等新的概念和实践相继涌现，“远程病理学”也因此被“虚拟病理学”所取代。今天，虚拟病理学正在被广泛用于医学教育领域。国际上许多医学院校的病理学课程正在逐步采用数字化课程替换原有的教学模式，并正在实现全数字化的虚拟切片实验室建设，有一些实用的基于虚拟病理学的教学系统已经出现并进入到医学教育中。如美国桑德兰大学的医疗准备训练系统，英国格拉斯哥卡利多尼亚大学的心脏组织病理虚拟实验系统等。印度昌迪加尔市医学教育研究所在建立远程虚拟病理实验系统的基础上还实现了虚拟显微病理图像的分析，实现了一定程度的辅助诊断功能。国内虚拟现实技术与病理学结合进行教学研究开展较晚，但也有部分院校进行了这方面的探索与尝试，如南方医科大学基础医学院建立了病理学远程虚拟实验室，探讨了其对病理学实验教学模式的变革和实验环境改善所产生的深远影响。大理学院基础医学院将虚拟病理切片引入教学实践中，取得了良好的效果。这些成功的应用范例为我们进行虚拟病理学实验室建设提供了很好的参考。
　　二、 系统设计
　　本系统是建立在信息化建设基础上的病理学虚拟实验教学管理系统，旨在为医学院校师生提供一个界面良好、功能丰富的病理学实验教学平台，使管理员、教师和学生都能够更加方便地对病理学实验教学进行有效管理和查询。从而使得教学资源的限制变得不再存在，学生所需要的只是一台电脑，便可以在任何时间任何地方进行浏览、学习和实践。病理学实验教学和实验的效果可以得到广泛的发展和提升，从而更加有利于病理学教育的发展。同时，还可以成为欠发达地区基层医疗机构进行病理学知识培训的一个良好途径。
　　系统功能概述如下：
　　（1） 本系统是病理学实验教学过程中涉及的主要方面进行信息化管理，系统的主要内容为学生信息的注册、查询，教师信息的管理，教学信息的发布、在线测验等；
　　（2） 本系统实现了病理实验中所需要病理诊断图片的数字化處理，为学生进行远程学习研究提供方便。
　　（3） 系统应具有多用户功能，具有教师、学生管理功能，并提供相应的系统功能；
　　（4） 对管理员提供管理用户功能。
　　（一） 系统结构设计
　　根据具体的教学需求，虚拟病理实验管理系统设计如下：按照用户权限的不同，系统共分为三个主要的功能模块：管理员模块、教师模块、学生模块。其中管理员模块包括教师信息管理、学员信息管理、虚拟实验设备管理、课程信息管理、考试管理等功能；教师模块主要包括成绩的录入与修改，虚拟实验设计与发布，教学过程管理等功能；学生模块主要包括学生注册、在线学习、作业考试信息提交等功能。各个模块之间相互联系，有效提高了虚拟实验教学系统的教学效率和管理质量。在学习过程中，不同身份的用户可以通过个人账户与密码进入系统，即可在自己的权限范围内进行相关的操作。
　　（二） 数据库设计
　　根据系统设计的功能，首先需要进行设计的就是系统中的数据库结构。在本系统中，需要使用到管理员信息、教师信息、学习者信息、虚拟切片信息、标本库、试题库等方面的各种数据表共计8个，其中各类人员的信息管理表结构与大多数信息管理系统相同，下面只就两个核心的表：虚拟病理切片表、试题库表进行说明：
　　1. 虚拟病理切片表
　　虚拟病理实验中的大多数教学任务都是建立在虚拟病理切片的基础上，因而虚拟病理切片表在整个系统中占据着核心的地位。由于虚拟病理数字切片需要的存储容量特别大，因而在设计数据库对于虚拟切片进行管理时就需要做出特殊的设计。根据需要，本系统中虚拟病理切片可以分为两类，一类对于精度要求并不太高的应用，例如用于预览、出卷或者是结合课本进行讲解的场合，则可以普通的较高质量的图片格式存储于数据库表中；另一类是在进行虚拟实验过程中需要按倍数放缩的全扫描图片，这类图片进行管理时不方便直接放入虚拟切片管理表，而是存储于服务器中，将其文件以链接的方式存储在数据表中，一旦有需要，则从指定的链接位置进行调入，减少了数据库表打开、信息检索时的时间和空间消耗。为了便于在实验教学中使用，表中根据知识点、对应章节、病种等信息进行详细记录。
　　2. 试题库表
　　试题库是虚拟实验教学质量考核的基础，可以方便教师在教学过程中实现对学生学习状况的检测并完成自动组卷功能。为达到实现要求，特按照如下的结构建立试题库表：科目号、问题、知识点、答案、难度、区分度、状态、提取时间、相近题目编号。并且根据不同的要求，设置了包括选择、填空、判断、问答等在内的多种题型。在组卷过程中，通过“状态”字段记录试题抽取与否，并根据提取时间去选择距离目前较远的时间，上次提取时间太近，则不被作为本次选择的题目。“相近题目编号”的设置则是为了防止在选题时虽然题目不同但内容过于接近的问题。这样就可以避免出现考点重复的现象。 　　（三） 系统功能的实现
　　本系统采用C/S模式实现，数据存储及处理在后台服务器进行，各级管理人员的操作以及学习者练习及考试在客户端进行。各模块的功能实现详述如下：
　　1. 病理实验内容学习模块
　　病理实验学习模块是本系统中的主要功能，主要为学生提供通过計算机模拟的病理学虚拟实验过程。首先，通过学生对于所提供的实验进行选择并在后台数据库中检索，将相关的数字化病理标本图片在学生端进行显示，学生便可以通过相应的调节按钮（或者菜单项）进行图片的放缩、旋转、平移等操作，从而实现对镜下观察病理切片的过程的模拟，训练学生的读片能力。
　　病理实验选择界面如图2所示：
　　2. 教师模块
　　教师管理模块主要实现对于实验的添加、修改、删除，以及实验测验的设计与成绩的管理。其中重点功能是试题库制作及自动组卷，其选择如图3所示：
　　自动组卷时，用户根据试卷中题目的分配填写组卷条件：在题型列表中选择题型，并填好要求的难度与题目数。题目的分值会根据不同的题型自动变化，用户也可以自己改写分值，当以上项目填完后，“总题数”与“总分值”会自动更新，用户可以根据这两项内容掌握所出题目的数量和分值上是否满足要求。然后，点击“添加”按钮，完成对该种类型题目的选定。重复以上步骤，直到所有的题目都已指定好。最后，点击“组卷”按钮，完成组卷操作。组好的试卷会将对应题目的题号记录到试卷库中，在考试时，根据要求发放到学生端，学生端读取对应的试题号，则可完成试题的呈现，从而使学生可以在规定的时间内进行在线答题。如果需要组织线下考试时，试题也可以在组卷完成后，通过word格式进行保存，以方便用户修改、打印使用。
　　如用户选择的是手动组卷功能，则需要在所选的题目范围内进行逐一查找试题，当找到合适的题目时，点击“选中”按钮，则可将题目添加到临时组卷文件中，当所有题目都选择完后，点击“完成”，即可将组好的试卷题号存储到组卷库中，需要时发送到学生端以供在线答题，或者以word格式保存，以供用户组织线下考试时进一步处理。
　　3. 管理员模块
　　管理员模块主要实现教师信息管理和学习者信息管理，其具体功实现方式与一般的信息管理系统相同，在此不再赘述。
　　三、 总结
　　虚拟病理实验管理系统是一款高效的病理学实验教学管理软件，它在一定程度上解决了目前医学院校病理学实验教学中存在的诸多问题。为教师的教学、考核与学生的学习、考试都提供了有力的工具，既提高了教学管理的效率，也提高了教学的质量，并为学生所喜闻乐见。该系统的初步研发，是对医学院校实验教学改革的一次有益的尝试。
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　　作者简介：
　　徐晓艳，内蒙古自治区呼和浩特市，内蒙古医学院基础医学院病理教研室；
　　范鹏程，内蒙古自治区呼和浩特市，内蒙古师范大学数学科学学院。
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