矿物岩石学实验虚实结合教学模式改革探讨

黄宇琪 魏中举 张鹏 黄明达 杨军伟

摘 要：为推进我国教育信息化发展目标，适应新时代国家发展对地质类人才的新需求，地质工程实验课程教学模式应不断进行改革。矿物岩石学实验是地质工程专业的重要基础实验，具有专业性强、实验条件要求高、知识点庞杂等特点。推进矿物岩石学实验虚实结合教学模式改革，既能够解决实验课程的“时空”限制问题，又能够满足学生个性化学习需求，真正建立以学生为主导的实验课堂，切实提升实验教学质量。

关键词：虚拟仿真；实验教学；矿物岩石学

教育部在2018年发布的《教育信息化2.0行动计划》中指出“到2022年基本实现‘三全两高一大（教学应用覆盖全体教师、学习应用覆盖全体适龄学生、数字校园建设覆盖全体学校，信息化应用水平和师生信息素养普遍提高，建成‘互联网+教育大平台）”的教育信息化发展目标。随着计算机信息技术的不断发展，以数字实验室及虚拟仿真实验技术为代表的信息化实验教学手段与地质类专业基础实验课程的结合是地质类实验课程体系改革的必然趋势。虚拟仿真实验教学方法的引入将会改变传统实验教学模式，虚实结合式矿物岩石学实验教学能够解决矿物岩石实验岩矿标本获得难度大、实验内容多、学生自主学习难等多方面问题，推动地质工程实验教学信息化改革，提升实验教学质量，提高学生专业综合素质。

1 虚实结合式实验教学

虚拟实验是指根据具体教学需求和实验项目建立虚拟实验环境，运用各种虚拟仪器和设备，对虚拟实验模型进行实时仿真，构成新型实验教学的方法［14］。虚实结合式实验教学指将虚拟仿真实验教学与传统教学相结合的教学方式，是实验课程进行教育信息化改革的主要方式之一。教育部于2012年和2018年分別发布《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》和《教育信息化2.0行动计划》，明确提出“推动从教育专用资源向教育大资源转变、从提升师生信息技术应用能力向全面提升其信息素养转变、从融合应用向创新发展转变，努力构建‘互联网+条件下的人才培养新模式、发展基于互联网的教育服务新模式、探索信息时代教育治理新模式”等发展目标，为我国教育信息化发展指明了方向。国家教育资源公共服务平台、国家虚拟仿真实验教学课程共享平台等国家级信息化教学平台快速扩充课程资源，完善平台功能，爱课程、超星、优学院等教育部推出的线上课程平台自2020年运用至今，均已成为较为全面的信息化教学平台，为我国教育信息化精细化、规范化、科学化全面发展奠定基础。

与理论教学相比，实验教学的信息化程度相对偏低，主要由于实验教学的信息化需要依托完善的虚拟仿真实验平台、虚拟仿真实验项目、虚拟实验室建设成果。并且由于实验课程以实践为主要教学环节的特点，在信息化改革过程中需要平衡“虚”与“实”的比例。以教学目标和教学效果为导向，综合评估教学内容适合于以哪种方式开展。既不丢失传统实验教学方式过程中对学生动手能力、实践能力的培养，又能够借助信息化手段丰富教学资源，增强教学灵活性，降低教学成本，进而提高实验教学效果。

2 矿物岩石学实验课程现状

2.1 矿物岩石学实验课程特点

地质类专业基础实验课程大多具有专业性强、实验条件要求高、知识点庞杂等特点。其中，矿物岩石学实验是一门十分典型的地质学专业基础实验课程［58］，以观察识别各类矿物岩石的宏观、微观形态特征、物理性质、化学性质，进而鉴定矿物、岩石种类为主要实验内容。岩矿实验室则是开展矿物岩石学教学、科研实验的专业实验室。传统岩矿实验室以大量岩矿标本以及显微镜等鉴定设备为主，是开设地质类专业的高校以及开展地质研究的科研院所的必备实验室。由于矿物岩石学实验观察精度要求高、经验判断过程多、主观性较强，目前高校、科研院所仍然以传统岩矿实验室开展线下实验为主要教学方式，建成的数字岩矿实验室较少，虚拟仿真实验项目不足。

2.2 矿物岩石学虚拟仿真实验现状

根据调研，公共资源以各高校数字地质博物馆、中国数字地质博物馆、国家岩矿化石标本资源信息网等平台为主，具有成系统的矿物、岩石、化石标本线上信息资源，但整体以照片配合简单描述为主，具备矿物岩石学科普教育功能，但无法很好地承担地质专业课程教学任务。

随着实验教学模式的改变和线上教学需求的增加，各高校逐步开展了数字岩矿实验室的建设工作的探索。中国地质大学（武汉）［9］、长安大学［10］、北京大学［11］、长江大学［12］等地质高校均计划采用三维扫描建模或多视图立体视觉三维重建技术建立数字岩矿标本三维模型，在此技术上实现信息化岩矿实验室的构建与矿物岩石学虚拟仿真实验项目的开发。但目前，各高校实信息化数字实验室并未有开放，推测仍处在建设阶段或涉及保密问题不宜开放信息化实验平台。矿物岩石学虚拟仿真实验方面，各大高校也在积极开发，根据国家虚拟仿真实验教学课程共享平台资源信息，矿物岩石学相关虚拟仿真实验共3项，分别由中国石油大学（华东）、北京大学及河北地质大学开发。其中，中国石油大学（华东）虚拟仿真实验项目以矿物镜下观察鉴定虚拟仿真实验为主，能够实现单偏光、正交偏光观察实验（图1），北京大学虚拟仿真实验项目可进行矿物手标本观察鉴定和镜下观察鉴定虚拟仿真实验（图2），河北地质大学虚拟仿真实验项目可进行矿物手标本观察和基本物理性质测定（图3）。

根据调研结果不难发现，目前在数字岩矿实验室建设和矿物岩石学虚拟仿真教学方面，矿物薄片鉴定相关实验的完成度和实用性最强，能够实际承担一定实验教学任务，达到教学目的。这是由于显微镜镜下观察所见为矿物岩石的二维微观图像，且显微镜操作较为“公式化”，随机性较低，因此岩矿薄片标本的数字化和镜下鉴定虚拟仿真实验较为容易实现。同时，建设高校多为“研究型”高校，其人才培养目标多为“科研型”人才，其实验课程安排偏重于镜下鉴定，而对于矿物岩石手标本和岩石鉴定方面的虚拟实验项目还有待进一步完善。由于岩石组成、结构、构造复杂，手标本细节多，这导致对岩石标本和矿物手标本的建模难度较高，实验过程的观察点多且实验过程相对复杂，虚拟标本和虚拟仿真实验的还原度不高，这些特点导致岩石鉴定和矿物手标本鉴定方面的虚拟实验项目建设进展相对滞后，虚拟教学效果有待提高。

3 教学模式改革关键问题

（1）缓解矿物岩石学实验教学内容密度高，填补学生个性化学习需求缺口。目前，各高校培养方案改革均对人才培养方案进行了调整，对课程结构和课时量进行优化，增加了学生学习的自主性，贯彻“以学生为中心”的教学理念，这在一定程度上增加了矿物岩石学实验课程教学的内容密度。矿物岩石学实验本身已经具有知识点多、专业性强的特点，进一步增加教学内容密度，无疑会进一步增加课程难度。同时，由于学生对各知识点的掌握程度不同，其学习需求具有较大区别。在以往的课程调查问卷中，学生对于各实验内容及各实验环节的学习感受和自我评价有较大区别。这样的个性化学习需求在线下教学过程中较难实现，但在虚拟仿真实验中，学生的自主性高，能够对学习内容和学习过程进行个性化选择，从而满足各类不同的学习需求。

（2）发挥虚、实优势，切实提高实验教学效果。线上、线下实验课程具有不同特点。线下实验能够加强学生对实验设备具体认识和实际操作能力，有利于学生的动手能力和灵活应变能力的培养，但受实验条件、课程时间和师生比例的限制，学生大多以类似的方式和流程开展实验，个性化程度不高，实验时间、空间有限。虚拟仿真实验则具有灵活性高、教学资源丰富、学生自主性强等优势，但同时，部分实验具有随机性，不适合进行虚拟化建设，且虚拟仿真实验的“仿真”程度受到技术水平和硬件水平等方面的控制，而实验的“仿真”程度又能在很大程度上影响实验课程教学效果。虚拟仿真实验开发水平不高、比例过高或项目安排不合理等均可能会导致教学效果不佳。因此，在实际课程改革过程中，需要充分考虑实验内容特点、实验教学目标、虚拟仿真实验项目建设水平、实验室硬件条件、课程课时安排等多方面因素，充分平衡虚、实教学内容和比例，发挥虚、实两种实验教学方式的优点，以虚实结合的创新教学模式达到提高实验教学效果的改革目标。

（3）丰富课程评价体系，提高评价指标科学性和有效性。引入虚拟仿真实验教学环节后，课程评价体系也应随之调整。课程评价指标应能够兼顾线上实验和线下实验，能够综合评价学生在虚和实两大环节的学习、掌握情况。因此，在虚拟仿真实验项目建设过程中就应该考虑将评价系统融入实验平台，应能够反映学生学习次数、学习时间、操作情况、答题情况、考核情况等方面的情况，继而综合评价学生的线上实验学习情况和效果。线下实验评价体系也应进行改革，进一步丰富考核环节，从实验的各个环节综合评价学生的学习效果。

结语

随着我国高校办学水平不断提高和信息技术的不断进步，学校硬件条件提高的同时，虚拟仿真技术硬件门槛也逐渐降低。目前许多虚拟仿真實验平台在手机和个人电脑上均可以顺畅运行，这是虚拟仿真实验得以推广应用的重要条件之一。从开发者角度，随着网络技术、3D动画技术以及动态捕捉、三维建模等相关技术的不断进步，虚拟仿真实验的开发难度和开发质量快速提升，线上实验的“仿真”程度越来越高，这也是虚实结合的实验教学模式能够实际应用并取得符合预期的教学效果的技术前提之一。我国推进教学信息化改革和教育资源共享的发展目标，也为虚实结合的实验教学模式改革提出了需求和方向。综合来看，传统实验教学向虚实结合实验教学模式的转变具有理论可行性和技术可行性。

参考文献：

［1］杨峰，康志强，吴杰，等.基础地质虚实结合实验教学模式的探索与实践［J］.实验室科学，2021，24（03）：138140.

［2］宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景［J］.实验技术与管理，2005，22（1）：3537，47.

［3］兰水华，丁丽丽，张宝军，等.“虚实结合”实验教学模式的研究与实践［J］.实验室科学，2006（3）：1416.

［4］郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析［J］.实验室科学，2010（5）：175178.

［5］马莉燕，丁伟.矿物岩石学类课程虚拟仿真实验教学体系框架构建的思考［J］.教育教学论坛，2020（19）：316319.

［6］黄宇琪，张鹏，张太乐，等.应用型本科《矿物岩石学》实验教学改进探讨［J］.教育教学论坛，2020（09）：147148.

［7］王德利，汤海峰，孟威，等.数字化实验教学平台的构建［J］.实验技术与管理，2014，31（12）：152154.

［8］汤艳，刘云华，焦建刚，等.数字化岩石实验室的建设——以长安大学地学实验教学示范中心为例［J］.中国地质教育，2016，25（1）：9699.

［9］张强，梁奎，陈志军.多视图立体视觉的岩矿手标本三维重建与三维交互设计［C］.第十三届全国数学地质与地学信息学术研讨会论文集.

［10］汤艳，刘云华，焦建刚，等.数字化岩石实验室的建设——以长安大学地学实验教学示范中心为例［J］.中国地质教育，2016，25（01）：9699.

［11］郭艳军，陈斌，秦善，等.结晶学与矿物学虚拟仿真实验教学探索［J］.实验室研究与探索，2017，36（08）：161165+168.

［12］祁志武，李功权，刘欢.地质标本虚拟仿真学习平台［J］.计算机系统应用，2017，26（7）：110115.

基金项目：贵州省高等学校教学内容和课程体系改革项目（2020194）；六盘水师范学院教学内容和课程体系改革研究项目（LPSSYjg202134）；六盘水师范学院一流本科课程建设项目（LPSSYylkz202008）；六盘水师范学院专业综合改革试点项目（LPSSYzyzhggsd202001）；六盘水师范学院实验教学示范中心（LPSSYsyjxsfzx201802）

作者简介：黄宇琪（1990— ），女，汉族，江苏常熟人，硕士研究生，高级实验师，研究方向：地质工程实验教学及实验室管理。

*通讯作者：魏中举（1985— ），男，汉族，山东巨野人，硕士研究生，副教授，研究方向：采矿工程专业教学及实验室管理。