ЦИФРОВОЙ МИКРОСКОП И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ НА УРОКАХ БИОЛОГИИ

      В современном мире цифровых технологий, оптические микроскопы считаются устаревшими, на смену им пришли цифровые аналоги. Это дает как преимущества, так и недостатки. Но, несомненно, у цифровых микроскопов больший потенциал и возможности, использовать которые теперь может любой ученик.

      Микроскоп — лабораторная оптическая система для получения увеличенных изображений малых объектов с целью рассмотрения, изучения и применения на практике. Совокупность технологий изготовления и практического использования микроскопов называют микроскопией.

     С помощью микроскопов определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов, а также микроструктуры макрообъектов.

    История создания микроскопа в целом заняла немало времени. Постепенно развитее оптических технологий привело к появлению более качественных линз, более точных удерживающих устройств.

    К концу 20 века оптические микроскопы подошли к вершине своего развития. Следующим этапом стало появление цифровых микроскопов, в которых объектив был заменен на цифровую камеру.

    Собственно, главное отличие цифрового микроскопа от обычного – отсутствие окуляра, через который наблюдается объект человеческим глазом. Вместо этого установлена цифровая камера, во-первых, не дающая искажений (уменьшается кол-во линз), во-вторых, улучшается цветопередача, а так же изображения получаются в цифровом виде, что позволяет проводить дополнительную постобработку, а так же хранить огромные массивы фотографий всего лишь на одном жестком диске.

Цифровой микроскоп Digital Blue QX5 приспособлен для работы в школьных условиях. Он снабжен преобразователем визуальной информации в цифровую, обеспечивающим передачу в компьютер в реальном времени изображения микрообъекта и микропроцесса, а также их хранение, в том числе,  в форме цифровой видеозаписи. Микроскоп имеет простое строение, USB-интерфейс, двухуровневую подсветку. В комплекте с ним шло программное обеспечение с простым и понятным интерфейсом.

При скромных, с современной точки зрения, системных требованиях он позволяет:

Увеличивать изучаемые объекты, помещённые на предметный столик, в 10, 60 и 200 раз (переход осуществляется поворотом синего барабана)

Использовать как прозрачные, так и непрозрачные объекты, как фиксированные, так и нефиксированные

Исследовать поверхности достаточно крупных объектов, не помещающихся непосредственно на предметный столик

Фотографировать, а также производить видеосъёмку происходящего, нажимая соответствующую кнопку внутри интерфейса программы

Фиксировать наблюдаемое, не беспокоясь в этот момент о его сохранности – файлы автоматически оказываются на жёстком диске компьютера.

Задавать параметры съёмки, изменяя частоту кадров – от 4-х кадров в секунду до 1 в час

Производить простейшие изменения в полученных фотографиях, не выходя из программы микроскопа: наносить подписи и указатели, копировать части изображения и так далее.

Экспортировать результаты для использования в других программах:

графические файлы - в форматах *.jpg или *.bmp, а видео файлы – в формате *.avi

Собирать из полученных результатов фото - и видеосъёмки демонстрационные подборки-«диафильмы» (память программы может хранить одновременно 4 последовательности, включающих до 50 объектов каждая). Впоследствии подборку кадров, временно неиспользуемую, можно спокойно разобрать, так как графические файлы остаются на жёстком диске компьютера

Распечатывать полученный графический файл в трёх разных режимах:

9 уменьшенных изображений на листе А4, лист А4 целиком, увеличенное изображение, разбитое на 4 листа А4

Демонстрировать исследуемые объекты и все производимые с ними действия на мониторе персонального компьютера и/или на проекционном экране, если к компьютеру подключён мультимедиа проектор

Что даёт учителю и ученику цифровой микроскоп, применительно к урокам биологии?

     Одна из самых больших сложностей, подстерегающих учителя биологии при проведении лабораторной работы с традиционным микроскопом, это практически отсутствующая возможность понять, что же в действительности видят его ученики. Сколько раз зовут ребята совсем не к тому, что нужно – в поле зрения либо край препарата, либо пузырёк воздуха, либо трещина…Хорошо, если для проведения подобных обязательных по программе работ есть постоянный лаборант, либо подготовленные общественные помощники. А если Вы один - на 25 человек и 15 микроскопов? А стоящий посередине парты (один на двоих!) микроскоп нельзя сдвигать – иначе все настройки света и резкости сбиваются, при этом результаты работы (а также время и интерес) теряются.

    Те же занятия проходят значительно легче и эффективнее, если проведение лабораторной работы предваряется вводным инструктажём, проведённым с помощью цифрового микроскопа.

     В этом случае реально производимые и одновременно демонстрируемые через проектор действия с препаратом и получаемое при этом изображение – лучшие помощники. Они наглядно предъявляют ученику правильный образ действия и ожидаемый результат. Резкость изображения и в компьютерном варианте микроскопа достигается с помощью поворота винтов. Важно и то, что можно указать и подписать части препарата, собрав из этих кадров слайд-шоу. Сделать это можно как сразу на уроке, так и в процессе подготовки к нему.

     После такого вводного инструктажа проведение лабораторной работы с помощью традиционных оптических микроскопов становится легче и эффективнее.Если у Вас нет луп, то данный микроскоп можно использовать как бинокуляр (увеличение в 10 или 60 раз). Объектами исследования являются части цветка, поверхности листьев, корневые волоски, семена или проростки. А плесени – хоть мукор, хоть пеницилл? Для членистоногих – это все их интересные части: лапки, усики, ротовые аппараты, глаза, покровы (например, чешуйки крыльев бабочек). Для хордовых – чешуя рыбы, перья птиц, шерсть, зубы, волосы, ногти, и многое-многое другое. Это далеко не полный список.

     Важно и то, что очень многие из указанных объектов после исследования, организованного с помощью цифрового микроскопа, останутся живы: насекомых – взрослых или их личинок, пауков, моллюсков, червей можно наблюдать, поместив в специальные чашечки Петри (их в наборе с каждым микроскопом две + пинцет, пипетка, 2 баночки с крышечками для сбора материала). А любое комнатное растение, поднесённое в горшке на расстояние около 2-х метров к компьютеру, легко становится объектом наблюдения и исследования, не теряя при этом ни одного листочка или цветочка. Это возможно благодаря тому, что верхняя часть микроскопа снимается, и при поднесении к объекту работает как веб-камера, давая 10-кратное увеличение. Единственное неудобство состоит в том, что фокусировка при этом осуществляется только за счёт наклона и приближения-удаления. Зато, поймав нужный угол, Вы легко выполните фотографию, не тянясь к компьютеру – прямо на части микроскопа, находящейся у Вас в руках, есть необходимая кнопка: нажали раз – получили фотографию, нажали и удерживаете – осуществляется видеосъёмка. Качество получаемых с помощью цифрового микроскопа графических файлов.

Эпидермис листа

     Эпидермис листа - это покровная ткань листа, иначе ее называют кожицей. Она образована одним слоем плоских клеток, которые плотно прилегают друг к другу. Эти клетки под микроскопом кажутся светлыми, прозрачными из-за того, что значительный объем в них занимает центральная вакуоль, заполненная клеточным соком. Вакуоль оттесняет к периферии клетки ядро и все клеточные органоиды. Тем не менее, ядро хорошо видно в каждой клетке, в нем хранится вся наследственная информация. Хлоропласты в основных клетках эпидермиса листа обычно отсутствуют. Среди основных клеток кожицы выделяются клетки другой формы, они лежат попарно, образуя устьица. Каждое устьице состоит из двух замыкающих клеток бобовидной формы, и между этими клетками имеется щель в виде линзы. Эта щель называется устьичной щелью и представляет собой межклеточное пространство. Форма устьичной щели и ее размер могут изменяться в зависимости от того, насколько плотно прилегают друг к другу замыкающие устьичные клетки. В замыкающих устьичных клетках можно увидеть ядро, и в них всегда присутствуют хлоропласты, осуществляющие процесс фотосинтеза. С внешней поверхности каждая клетка кожицы листа покрыта особым защитным слоем - кутикулой. Кутикула может быть толстой и жесткой. В ее состав могут входить жироподобные вещества и воск. Кутикула должна быть прозрачной, чтобы не препятствовать проникновению солнечного света к внутренним тканям листа, где активно проходит процесс фотосинтеза. Эпидермис выполняет очень важную роль в жизнедеятельности листьев. Он защищает лист от повреждений и высыхания. Через открытые устьичные щели внутрь листа поступает воздух, он необходим для дыхания и фотосинтеза. Также через открытые устьичные щели выделяются кислород, который образуется в процессе фотосинтеза, и пары воды. Если растение испытывает недостаток воды, например, в жаркую сухую погоду, то устьичные щели закрываются. Так растение защищает себя от излишней потери воды. Ночью устьица так же обычно бывают закрыты.

Зародыш семени

     Зародыш - это самая главная часть семени. Фактически - это микроскопическое растение, у которого есть все органы: зародышевый побег с зародышевым стеблем, зародышевыми листьями и зародышевой верхушечной почкой, а так же зародышевый корень. На препарате зародышевый побег направлен в одну сторону, зародышевый корень ориентирован строго противоположно. На участке между зародышевой почкой, прикрытой зародышевыми листьями, и корнем находится зародышевый стебель. Непосредственно к зародышу с одной стороны примыкает семядоля. Ее клетки по интенсивности окрашивания такие же, как клетки стебля. Семядоля - это особый лист зародыша. Семядоли защищают зародышевую почку, первыми появляясь на поверхности почвы. На препарате видно одну семядолю, следовательно, данный зародыш относится к однодольным растениям. Зародыш семени лучше рассматривать под малым увеличением микроскопа, чтобы он смог поместиться в поле зрения микроскопа целиком.

Кожица чешуи лука

      Луковица - это видоизмененный побег с коротким плоским стеблем (донцем) и мясистыми сочными листьями чешуями. Поэтому кожица лука представляет собой эпидермис листа, который развивается в темноте без доступа света, в результате чего в клетках кожицы лука отсутствуют хлоропласты. Вместо хлоропластов в этих клетках имеются бесцветные пластиды - лейкопласты. Клетки кожицы лука имеют удлиненную форму, близкую прямоугольной. Границы клеток хорошо видны, они представлены прозрачными оболочками, достаточно твердыми, чтобы поддерживать форму клеток. По клеточным оболочкам возможна передача воды от клетки к клетке, а так же растворенных в воде веществ. Клетки выглядят светлыми прозрачными, благодаря тому, что значительный их объем занимает большая центральная вакуоль с клеточным соком. Вакуоль - это место запаса воды в клетке. В ней в растворенном виде могут находиться запасные питательные вещества, пигменты, растворы органических кислот, минеральных солей и разнообразные продукты жизнедеятельности растительной клетки. Вакуоль оттесняет ядро и цитоплазму к периферии клетки, при этом цитоплазма разделяется на отдельные тяжи. Тяжи цитоплазмы выявляются под микроскопом при большом увеличении в виде узких лент, отходящих лучами от ядра. В тяжах цитоплазмы проявляется зернистая структурированность, что связано с наличием в цитоплазме разнообразных органелл.

Корневой чехлик

      Верхушка корня вытянута в конус и направлена к центру Земли. Она защищена корневым чехликом, который представляет собой колпачок на верхушке корня. Он состоит из нескольких слоев клеток. Эти клетки играют очень важную роль при углублении корня в почву. С поверхности чехлика клетки слущиваются, при этом выделяется слизь, которая смазывает почву и обеспечивает скольжение корня в глубину. С внутренней поверхности корневого чехлика идет постоянное пополнение клеток. Своей внутренней поверхностью корневой чехлик примыкает к самой верхушечной части корня, где постоянно происходит деление клеток, то есть находится образовательная ткань. За счет образовательной ткани верхушки корня и происходит постоянное пополнение клеток корневого чехлика. На препарате зона корневого чехлика хорошо отличается от верхушки корня. Корневой чехлик в виде короны обрамляет образовательную зону корня. Клетки в нем лежат более рыхло, чем на верхушке корпя. Наружный край неровный за счет слушивания клеток. Толщина слоя корневого чехлика в самом объемном месте - несколько десятков клеток.

Пыльца цветкового растения

      Пыльца образуется внутри пыльника тычинки цветущего растения. Созревшая пыльца принимает участие в процессе опыления, то есть переносится с тычинок на рыльце пестика. Если опыление не произойдет, то плодов не образуется. Пыльца переносится ветром или насекомыми, в зависимости от того, к какому опылению приспособлен цветок. Пыльца может переноситься на рыльце пестика того же цветка, где она созрела (самоопыление), на рыльца пестиков других цветков того же растения, а так же на рыльца пестиков цветков других растений того же вида (перекрестное опыление). При анализе под микроскопом пыльца выявляется в виде зернышек с ярко выраженной морфологией. Поверхность пылинки покрыта сложной защитной оболочкой, па которой могут выявляться выступы или бугорки разнообразной формы. Эти структуры являются морфологическим видовым признаком растения. Под оболочками пыльцевого зерна находятся живые клетки. Одна клетка называется вегетативной. Когда пыльцевое зерно прорастает, попав на рыльце пестика, она образует пыльцевую трубку. Пыльцевая трубка проходит через отверстие в оболочке пыльцевого зерна и растет, продвигаясь внутрь рыльца и столбика пестика, по направлению к завязи. Кроме вегетативной клетки, в прорастающем пыльцевом зерне имеются мужские половые клетки - спермин, их два. Вот они-то и участвуют в процессе оплодотворения, перемещаясь по пыльцевой трубке к завязи.

Срез ветки дерева

      Ветвление дерева - это процесс образования новых побегов. Увеличение числа побегов приводит к возрастанию поверхности листьев, обеспечивающих процесс фотосинтеза, с помощью которого растение производит все необходимые ему органические вещества. Длинную ось каждого побега составляет стебель. На поперечном срезе хорошо видно, что снаружи стебель покрыт кожицей, которая защищает стебель от воздействия окружающей среды. К кожице изнутри прилегает пробка - многослойная ткань, в которой нет живых клеток. На срезе в составе пробки видны толстые оболочки клеток, они не проницаемы для воды и воздуха. В некоторых местах пробки встречаются участки, где клетки не плотно прилегают друг к другу, а расположены рыхло. Это чечевички, структуры, через межклетники которых осуществляется газообмен. Под пробкой стебля находится кора. Она образована разными тканями. По самому краю корм залегают живые клетки с утолщенными оболочками и зернами крахмала. Внутренняя часть коры называется лубом, который включает проводящую ткань, паренхимные клетки и лубяные волокна. Главный проводящий элемент луба - ситовидные трубки с клетками спутницами. Ситовидные трубки образованы длинными живыми клетками, расположенными строго друг над другом. В местах соединения этих длинных клеток имеется множество мелких отверстий, совокупность которых напоминает сито, что объясняет название этих клеток. Ситовидные трубки собраны в пучки, между которыми находятся паренхимные клетки и лубяные волокна. Ситовидные трубки проводят вещества, синтезированные в листьях, к более низко расположенным частям растения. К центру от луба расположена древесина. Это другая проводящая ткань, она проводит воду и растворенные в ней минеральные и органические вещества от подземных органов - к надземным. Проводящую функцию в древесине выполняют сосуды и трахеиды. Сосуды состоят из мертвых клеток, оболочки которых утолщенные и одревесневшие. Перегородки между клетками отсутствуют, и, фактически, сосуд представляет собой трубку с многочисленными порами в стенке. Трахеиды так же состоят из мертвых клеток, но с перегородками. Клетки трахеид сильно вытянуты в длину и имеют заостренные концы, которые и образуют косые перегородки. Стенки трахеид так же одревесневшие, в них и в перегородках имеется множество пор. К центру от древесины расположена сердцевина. Она образована живыми паренхимными клетками, сходными с паренхимными клетками коры. Эти клетки выполняют запасающую функцию. Между лубом и древесиной залегает тонкий слой клеток, способных к делению, - это камбий. Благодаря делению клеток камбия стебель растет в толщину. Большее количество клеток камбия превращается в древесину, меньшее - в луб. Прирост древесины за год по толщине стебля называется годичным кольцом. По количеству годичных колец можно подсчитать возраст спиленной ветки.

Срез стебля травянистого растения

      У травянистых растений отсутствуют прямостоячие надземные стебли, способные пережить зимы. Их стебли являются мягкими, сочными, одревеснение, если и наблюдается, то слабое. Основная масса стебля представлена паренхимой, камбий в проводящих пучках отсутствует или его деятельность выражена слабо. На данном препарате представлен поперечный срез однодольного травянистого растения. Снаружи стебель покрыт кутикулой. Это тонкая защитная пленка из жироподобных веществ, которая покрывает эпидермис, образованный клетками, лежащими в один слой. Под эпидермисом находится тонкий слой клеток, в которых могут быть хлоропласты. Глубже этого слоя находится основная ткань стебля - паренхима, в которой нет подразделения на кору и сердцевину. В паренхиме расположены проводящие пучки, в состав которых входят ситовидные трубки с клетками спутницами и 2 - 3 крупных сосуда. По периферии стебля пучки более мелкие, ближе к центру стебля - они гораздо крупнее. По сосудам поднимается вода из почвы с растворенными в ней минеральными и органическими веществами. По ситовидным трубкам происходит отток веществ, синтезированных в листьях, к более низким частям растения.

Поперечный срез корня

      Корень - это вегетативный орган растения, который расположен в почве. Корень выполняет очень важные функции. Он закрепляет растение в почве, поглощает воду с растворенными в ней минеральными и органическими веществами, некоторые вещества, синтезированные в листьях растения, откладываются в клетках корня в запас. По длине корень делится на несколько зон, каждая из которых выполняет свои специфические функции. На данном препарате представлен срез корня через зону всасывания. Это зона корневых волосков. Корневые волоски представляют собой выросты клеток покровной ткани корня. Они могут достигать 1 см в длину. Эти структуры увеличивают всасывательную поверхность корня. К покровным тканям корня относятся 1 - 2 ряда клеток, покрывающих корень снаружи. Эти клетки плотно прилегают друг к другу и выделяют слизь. Под ними в глубине корня находится кора. Оболочки наружных слоев клеток коры опробковевают и выполняют защитные и опорные функции. Под этим защитным слоем клеток находится паренхима, представленная живыми клетками с тонкими стенками. В этих клетках откладываются запасные питательные вещества. Кора окружает центральный цилиндр корня. На границе центрального цилиндра залегает слой клеток, способных к делению, благодаря чему могут образовываться боковые и придаточные корни. Основную часть центрального цилиндра занимают проводящие ткани: сосуды и ситовидные трубки. Тяжи этих тканей тянутся вдоль всего корня и проходят, не прерываясь, в другие органы. По сосудам вода с растворенными минеральными солями поступает к надземным органам. По ситовидным трубкам растворы органических веществ, образованных в листьях в процессе фотосинтеза, поступают в паренхиму корня.

      В условиях перехода общего образования к профильному обучению учащихся на старшей ступени школы повышение качества биологического образования, уровня биологических знаний учащихся и выпускников общеобразовательных школ может быть достигнуто при внедрении в практику школ использования цифрового микроскопа.

      Цифровой микроскоп может быть использован при проведении лабораторных работ элективных курсов повышенного уровня в которых углубленно изучают отдельные разделы основного курса биологии. Такие работы выходят за рамки базового образования и включают практические и лабораторные работы, проведение которых с использованием цифрового микроскопа позволит учащимся почувствовать себя исследователями при изучении тканей растений, животных, человека.

      Использование на уроке биологии цифрового микроскопа совместно с  компьютером позволяет получить увеличенное изображение изучаемого объекта (микропрепарата) на экране монитора (при работе в группе или в классах с малым числом учащихся) или на большом экране (при работе с целым классом) с помощью выносного проекционного устройства, подключаемого к компьютеру.

Цифровой микроскоп позволяет

·  изучать исследуемый объект не одному ученику, а группе учащихся одновременно;

·  использовать изображения объектов в качестве демонстрационных таблиц для объяснения темы или при опросе учащихся;

·  применять разноуровневые задания для учеников одного класса;

·  создавать презентационные видеоматериалы по изучаемой теме;

·  использовать изображения объектов на бумажных носителях в качестве раздаточного или отчетного материала.

     Использование цифрового микроскопа при проведении школьных биологических исследований дает ощутимый дидактический эффект в плане мотивации, систематизации и углубления знаний учеников, то есть формирования так называемых обучающих возможностей, развития способностей учащихся к приобретению и усвоению знаний.

В условиях дистанционного обучения детей цифровой микроскоп позволяет:

- превращать самые обычные окружающие предметы в объекты исследования;

- формировать необычные изображения различных предметов на экране компьютера;

- создавать презентации со специальными эффектами и музыкальным сопровождением;

- просматривать изображение на экране монитора или с помощью мультимедийного проектора передавать его на большой экран;

- делать видеозаписи;

- составлять коллекции различных изображений и видеосюжетов;

- осуществлять собственные исследования не выходя из дома;

- почувствовать значимость свою и своей деятельности;

- самореализоваться.