【理学论文】数字网络显微互动在植物学实验教学中的应用

    摘要:介绍了数字网络显微互动系统工程的组成、功能及在植物学教学科研中的应用。此系统具有纯数字传输、图像清晰,信息真正实现了师生双向互动功能,在植物学实验教学、科研中的显微图像的采集和处理方面具有广阔的应用价值。

   关键词:数字网络;显微互动;实验教学 引言显微观察是植物学等多门学科形态结构观察的必备实验手段,传统植物学实验显微观察都是教师先对有关实验内容通过黑板画图,教学挂图,示教镜,幻灯片或录像片,CAI教学法软件等教学手段做示教,然后学生在显微镜下观察描述或完成画图作业,学生个体间观察结果,很难实现师生间、学生间的交流。随着计算机技术的不断发展,将显微观察实现互动式教学,国内先后建立了显微互动实验室[1,2,3],从第一代的模拟信号传输发展到目前第2 代的纯数字信号传输。

   我校生物科学基础实验教学中心(省级)的数字网络显微互动系统是将显微观察的图像转换成数字信号,经计算机处理分析获取有用的图像信息。经处理后的图像具有精度高、可回放图像、师生间屏幕转播监视、遥控等特点,在教学演示、图像显示、打印、学术研讨及科研等方面有广泛的应用。其主要的应用领域是: (1)实验教学:充分利用数字网络显微互动系统,应用显微数字化手段创建教师数字化教学素材, 如实验课件数字录像、VCD制做等。 (2)科研应用:随着科研水平的不断提高,实验手段的不断更新,科研分支的不断细化,数字网络显微互动系统有更广泛的应用。 (3)生产应用:基于对X光、B超显微切片、植物病理切片的计算机图文数据库管理,便于对植物学标本、材料等的保存、检索,并可逐步过渡到植物学计算机信息管理系统。随着教改的深入,越来越重视师生间教与学的互动[4],山东农业大学通过数字网络显微互动在植物学实验教学方面进行了有益的尝试。

   数字网络显微互动分析系统组成及工作原理 (1)数字网络显微图像系统组成:以motic公司 (麦克奥迪实业集团有限公司)研发的数字网络显微互动分析系统为例,组成包括:光学显微镜(三目显微镜,物镜为消色差平场物镜,带0. 5×C接口)、 moticdigilabⅡ数字摄像机(教师机DMBA300-B型, 学生机DMAB200-B型),1/2CCD逐行扫描图像传感器/图像采集卡/微机、数字图像分析软件(教师图像处理Motic images advanced3. 2 ,学生图像处理 Motic images plus 2. 0ML)、3com和100M网络交换机等。 (2)工作原理:数字网络显微互动分析系统工作原理如图1所示。图1　motic数字网络显微互动分析系统信息的输入:显微样品的输入可由光学显微镜 (带0.5×C接口的显微镜)、moticdigilabⅡ数字摄像机(200万像素, 1/2CCD逐行扫描图像传感器, IEEE1394数字接口),直接拍摄获得,也可同步在电

   2008年第2期实验室科学2008年4月出版 *基金项目:山东省教育厅高校实验技术研究课题:农业高校《生物科学基础实验》课程教学内容的改革与实践;农学类专业实验教学改革与实验中心建设,资助(2004JX12-10, 2004-2006)视机、VCD或DVD中输出图像。信息的处理:由计算机专用软件-专业版图像处理软件处理,以显微样品的moticdigilabⅡ数字摄像为例:采样的图像的分辩率最大1600×1200像素, 传输速率达到30帧/秒,采集图像颜色深度为24位彩色/黑白,处理的基本单元为像素。可由行数字录像、屏幕录制,回放监控教师学生屏幕转播等。信息的输出,打印机打印色彩拷贝或由电视机、 VCD或DVD实现输出。 3.数字网络显微互动分析系统工程的特点分析的基本要素是采样获得的1600×1200, 24 位彩色/黑色图像,处理的基本点是像素,因此计算机输出能通对图像内所有像素信息的不同分析和综合处理,可以为各种不同的科研目的服务。学生对数字网络显微互动分析中的需求一般可分为静态和动态和实时图像分析3类。 (1)静态图像分析:静态图像分析的目的就是对捕获的图像或从软件上打开的图像进行测量,并对结果自动分析测量。通过moticdigilabⅡ数字摄像机的扫描图像传感器获取的图像在通过前期图像样预处理,编辑满意后,可用做定量测量,分析测量参数,得出实验结论,例如植物细胞结构观察(洋葱)。 (2)动态图像分析:通过学习获取连续的数字录像信息,分析提取录像中感兴趣的图像,测量比较前后变化情况。(如超级小麦种质资源的生理指标测定,在小麦开花后连续测量超级小麦某品种的茎维管束筛管,导管伤流液的分析)。

    实时动态视频下的图像观察和测量(微循环测量)图像分析系统支持动态数字录像,也可以边测量边提取任意多幅图像,以便分析、保存。处理特点:活体标本和图像均为动态变化,如在植物细胞减数分裂几个时期动态观察分析更为方便。 (3)实时图像分析,实时对互动变化的植物组织进行观测,数字网络显微互动分析系统按照一定的间隔(10-100ms)自动采样图像信息并分析处理, 实验结束即可马上获得结果(如胞饮作用)、活体跟踪(如超级小麦光合速率日变化与碳水化合物的运输)、测量分析。处理特点:对活体图像的分析必须适时,结果数据可立即给出。数据处理包括:植物学的形态自动分析,测定的领域如组织细胞形态学分析、测量与统计分析,边缘监测分析及打印报表。