岩石学和晶体光学实验课教学新模式探讨—显微数码互动实验室的应用

2015-11-09陈艳

中国地质教育 2015年4期

陈艳

中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083

作为地质学的主要学科之一，岩石学包括一系列专门课程和若干主干课程[1]；晶体光学则是（薄片）岩石学研究的基础[2]，其研究在透射光下，矿物晶体的光学性质。“岩石学”和“晶体光学”都是地质类专业中本科教学的重要基础课程，为实践与教学相结合的学科，其日常教学囊括了一系列显微镜的实验课程，用以帮助学生更好地学习、了解透明矿物的各种光学性质，进而分析不同种类岩石的成因。岩石学实验课学时数和讲课学时数的比例一般大于1，即实验课时数大于讲课学时数；对于晶体光学/光性矿物学课程，实验课学时数和讲课学时数的比例则达2∶1，可见显微镜镜下教学是岩石学与晶体光学日常教学的重中之重。

在地质类专业中，传统的显微镜实验课教学均应用普通光学显微镜，每个学生人手一台，由于功能上的局限，教师与学生对镜下图像的交流存在诸多不便，这阻碍了老师对学生的有效指导，且由于矿物的镜下光学性质具有一定抽象性，更使得学生对相关课程的理解和记忆产生困难。近年来，随着高速网络传输技术与数码化处理技术的应用，显微数码互动系统被应用于高等教育不同学科专业课的显微镜实验教学中，如生物学、医学等，并取得了优异的教学效果。对于地质学的相关专业，目前国内也有少量高校引入了该系统。实践表明，其使岩石学、晶体光学的实验教学模式发生了历史性改变，有效地提高了教学质量和教学效率，推动了显微镜实验课教学的发展。

一、地质学显微镜实验课的传统模式与其教学局限性

1.交流与共享存在障碍

在传统岩石学、晶体光学的显微镜实验教学中，师生间、学生间的沟通与交流由于设备的局限性，在时间、空间上都存在诸多障碍。在传统模式下，老师讲解后，学生便各自使用自己的显微镜，独自观察薄片内容，老师无法看到学生的镜下图像，无法获知学生是否观察正确或操作正确。同时，师生之间与学生之间也无法对镜下图像进行共享，这使得课堂自由沟通存在困难。在薄片观察过程中，教师则需行走于有问题的学生中，逐个进行辅导或示教，在有限的课堂时间内，必有很多提问的学生无法得到教师的有效指导，师生间无法通畅地交流。

此外，传统的光学显微镜由于不能进行图像的远距离传输和存储，一些典型的镜下图像或好的实验材料只能局限于某一次实验课中，无法即时保存与传输，日后的实验教学不能利用，教学资源无法共享。

2.无法实时监控

由于实验课上课人数一般较多，且人手单独一台显微镜，所以学生在观察薄片过程中遇到的困难或操作上的错误，教师往往无法第一时间察觉。加之岩石学与晶体光学的镜下课程本身具有一定抽象性，学生遇到的问题得不到及时有效地解决，加大了学习的难度。此外，传统模式下，教师无法实时监控学生在课堂上的相关实验行为，不仅不利于教学质量的提高，也不利于课堂秩序的规范及实验设备的维护。

3.效率低下

传统的岩石学、晶体光学显微镜实验课中，老师在课堂上除负责主场教学之外，其余有限时间多行走于学生之中进行个别指导，该过程耗时耗力，需要教师逐一到学生的显微镜下进行观察；而对于一些难点问题，如锥光镜下干涉图的观察，则常需要教师对显微镜一一进行调试，过程耗时且效率低下。从学生的角度而言，整堂实验课除了开始教师的讲解外，都在自行进行镜下观察，过程枯燥，遇到问题需要等待很久方可得到老师的指导，或根本得不到指导，教学质量低下。

二、显微数码互动实验室的组成与功能

显微数码互动实验室主要包含数码显微镜系统、计算机及其软件系统、图像处理系统以及语音问答系统等部分[3]，该系统建立在100M局域网平台上，实现了显微互动教室、语音室和多媒体微机室三个网络的有效结合，实现了三网合一。在功能上，其具有显微数码系统内置式、可选择性多向语音问答系统、多画面实时显示及其他强大的配套教学功能。在组成上，实验室配备N台（取决于实验室规模）学生用数码显微镜及1台教师用数码显微镜，通过软件与分配器，学生用显微镜内的数据被传输到教师端电脑上，每位学生与教师都配备有电子呼叫系统和耳机[4]。应用此数码互动系统后，上述岩石学与晶体光学实验教学的局限性都可得到解决。该互动系统的各主要功能见表1。

三、显微数码互动实验室在教学中的应用

显微数码互动实验室在岩石学和晶体光学实验教学中的应用能变革传统的教学模式，为这些课程的教学注入新的理念。

1.实现师生间的双向沟通

在显微数码互动实验室中，通过网络互动控制软件，教师只需通过其电脑工作站，即可显示和捕捉教师端200万像素的数码显微镜图像，同时还可控制学生端所有的显微镜图像，包括对其进行显示、捕捉、放大以及对每个实时图像进行单独调整（如图1）。该功能让教师对学生的学习进程了如指掌，有利于及时发现学生存在的问题，以便准确指导。教师端还可将其镜下图像传输给全体学生，以达到示教的作用，也可把任一学生图像传输到全体学生的电脑上，以达到示范的作用。将这些功能应用到“岩石学”和“晶体光学”的实验教学中，能让教师与学生间对镜下薄片图像进行畅通共享。

图1 显微数码互动系统的教师端电脑画面（以MiE显微图像处理软件为例）

此外，显微数码互动实验室强大的语音功能也极大方便了师生间的交流，其使沟通更方便，讨论内容更明确。学生端借助该系统即时向老师提出问题，教师可选择不同通话模式与学生进行交流，并可观察学生端电脑图像。语音交流中可选择师生对讲模式、全体广播模式、分组练习模式、学生示范模式、随意呼叫模式以及任意对话模式等（表1）。分组练习和师生对讲模式等新颖的教学方式活跃了课堂气氛，激发了学生的求知欲，实现了教师和学生间的双向沟通，有效提高教学质量[5]。

表1 显微数码互动实验室的主要功能简介

2.丰富实验课的教学内容

在岩石学、晶体光学的实验课中，观察薄片的典型镜下图像、全体的实时讨论和录制/观看相关镜下图像是课堂教学的三种有效方式，显微数码互动系统使该三种方式充分整合。在传统的晶体光学和岩石学实验教学中，多是教师先行对课本进行讲解，而后学生单独进行镜下观察、体会，由于很多课程内容都有一定抽象性，光靠口头讲解与课本插图很难让学生深刻理解，如矿物在单偏光镜下的多色性与吸收性、贝克线的移动、突起的变化以及等矿物在正交偏光镜下消光角的测定、延性符号的测定等。数码互动系统建立后，学生不仅可实时观察教师端镜下的活动影像，教师还可将上述难理解的课程内容及其他难点、重点录制成影像，使得抽象内容可视化，通过播放让学生对知识点进行巩固和加强，课后这些影像还可作为教学素材进行分享。

此外，学生也可自行对自己的镜下图像进行拍照、录像，并存储（图2）便于课后复习巩固。显微数码互动系统的这些功能，可变学生的被动学习为主动学习，极大提高了教学质量。

图2 显微数码互动系统的学生端电脑画面（以MiE显微图像处理软件为例）

3.革新实验课的考核模式

实验考核是反映学生能力和检测实验教学质量的必要手段，在显微数码互动实验室中，对学生的考核则可采取全新的方式。教师可按一定的顺序对学生分相同或不同的电子文档（如试题、练习题等）；学生也可将试卷、习题等以文档的形式提交给老师。互动实验室还可组织电子考场（图3）：系统题库自动生成A、B卷并进行分发，学生完成答题后对系统提交，系统可对客观题自动评分、统计并进行档案保存。该系统还支持多种考试管理模块和多种题型内置。其次，对于“晶体光学”和“岩石学”实验考核，可将现场薄片鉴定融入其中，例如，给学生们分发不同的岩石薄片，让其当场鉴定，并将鉴定结果及其典型薄片图像/录像一并提交，以此来考核学生的对实验内容的掌握情况及实际操作能力。

四、结语

显微数码互动系统是一种全新的实验室教学设备，目前国内多所高校已经投入使用，且在不同专业的显微镜实验教学中都取得了很好的教学效果。数码互动实验教学模式减少了演示、重复性实验和简单验证性实验，使矿物的镜下光学特征影像化、明朗化，增加了学生的动手操作，可纠正学生在课堂上仅重视实验结果而忽视实验过程的现状；更重要的是通过学生动手操作的过程，可增强他们对科学研究的热情，激发创新意识，培养观察问题和分析问题的能力，以及独立思考和创造性思维能力。总之，这种互动实验室能使晶体光学和岩石学的实验课教学方式发生历史性改变，对提高相关专业的教学质量和教学效率能起到很大的推动作用。