巖石學(xué)和晶體光學(xué)實驗課教學(xué)新模式探討—顯微數(shù)碼互動實驗室的應(yīng)用

陳 艷

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

作為地質(zhì)學(xué)的主要學(xué)科之一，巖石學(xué)包括一系列專門課程和若干主干課程[1]；晶體光學(xué)則是（薄片）巖石學(xué)研究的基礎(chǔ)[2]，其研究在透射光下，礦物晶體的光學(xué)性質(zhì)?！皫r石學(xué)”和“晶體光學(xué)”都是地質(zhì)類專業(yè)中本科教學(xué)的重要基礎(chǔ)課程，為實踐與教學(xué)相結(jié)合的學(xué)科，其日常教學(xué)囊括了一系列顯微鏡的實驗課程，用以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)、了解透明礦物的各種光學(xué)性質(zhì)，進而分析不同種類巖石的成因。巖石學(xué)實驗課學(xué)時數(shù)和講課學(xué)時數(shù)的比例一般大于1，即實驗課時數(shù)大于講課學(xué)時數(shù)；對于晶體光學(xué)/光性礦物學(xué)課程，實驗課學(xué)時數(shù)和講課學(xué)時數(shù)的比例則達2∶1，可見顯微鏡鏡下教學(xué)是巖石學(xué)與晶體光學(xué)日常教學(xué)的重中之重。

在地質(zhì)類專業(yè)中，傳統(tǒng)的顯微鏡實驗課教學(xué)均應(yīng)用普通光學(xué)顯微鏡，每個學(xué)生人手一臺，由于功能上的局限，教師與學(xué)生對鏡下圖像的交流存在諸多不便，這阻礙了老師對學(xué)生的有效指導(dǎo)，且由于礦物的鏡下光學(xué)性質(zhì)具有一定抽象性，更使得學(xué)生對相關(guān)課程的理解和記憶產(chǎn)生困難。近年來，隨著高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)與數(shù)碼化處理技術(shù)的應(yīng)用，顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)被應(yīng)用于高等教育不同學(xué)科專業(yè)課的顯微鏡實驗教學(xué)中，如生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等，并取得了優(yōu)異的教學(xué)效果。對于地質(zhì)學(xué)的相關(guān)專業(yè)，目前國內(nèi)也有少量高校引入了該系統(tǒng)。實踐表明，其使巖石學(xué)、晶體光學(xué)的實驗教學(xué)模式發(fā)生了歷史性改變，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，推動了顯微鏡實驗課教學(xué)的發(fā)展。

一、地質(zhì)學(xué)顯微鏡實驗課的傳統(tǒng)模式與其教學(xué)局限性

1.交流與共享存在障礙

在傳統(tǒng)巖石學(xué)、晶體光學(xué)的顯微鏡實驗教學(xué)中，師生間、學(xué)生間的溝通與交流由于設(shè)備的局限性，在時間、空間上都存在諸多障礙。在傳統(tǒng)模式下，老師講解后，學(xué)生便各自使用自己的顯微鏡，獨自觀察薄片內(nèi)容，老師無法看到學(xué)生的鏡下圖像，無法獲知學(xué)生是否觀察正確或操作正確。同時，師生之間與學(xué)生之間也無法對鏡下圖像進行共享，這使得課堂自由溝通存在困難。在薄片觀察過程中，教師則需行走于有問題的學(xué)生中，逐個進行輔導(dǎo)或示教，在有限的課堂時間內(nèi)，必有很多提問的學(xué)生無法得到教師的有效指導(dǎo)，師生間無法通暢地交流。

此外，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡由于不能進行圖像的遠(yuǎn)距離傳輸和存儲，一些典型的鏡下圖像或好的實驗材料只能局限于某一次實驗課中，無法即時保存與傳輸，日后的實驗教學(xué)不能利用，教學(xué)資源無法共享。

2.無法實時監(jiān)控

由于實驗課上課人數(shù)一般較多，且人手單獨一臺顯微鏡，所以學(xué)生在觀察薄片過程中遇到的困難或操作上的錯誤，教師往往無法第一時間察覺。加之巖石學(xué)與晶體光學(xué)的鏡下課程本身具有一定抽象性，學(xué)生遇到的問題得不到及時有效地解決，加大了學(xué)習(xí)的難度。此外，傳統(tǒng)模式下，教師無法實時監(jiān)控學(xué)生在課堂上的相關(guān)實驗行為，不僅不利于教學(xué)質(zhì)量的提高，也不利于課堂秩序的規(guī)范及實驗設(shè)備的維護。

3.效率低下

傳統(tǒng)的巖石學(xué)、晶體光學(xué)顯微鏡實驗課中，老師在課堂上除負(fù)責(zé)主場教學(xué)之外，其余有限時間多行走于學(xué)生之中進行個別指導(dǎo)，該過程耗時耗力，需要教師逐一到學(xué)生的顯微鏡下進行觀察；而對于一些難點問題，如錐光鏡下干涉圖的觀察，則常需要教師對顯微鏡一一進行調(diào)試，過程耗時且效率低下。從學(xué)生的角度而言，整堂實驗課除了開始教師的講解外，都在自行進行鏡下觀察，過程枯燥，遇到問題需要等待很久方可得到老師的指導(dǎo)，或根本得不到指導(dǎo)，教學(xué)質(zhì)量低下。

二、顯微數(shù)碼互動實驗室的組成與功能

顯微數(shù)碼互動實驗室主要包含數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)、計算機及其軟件系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)以及語音問答系統(tǒng)等部分[3]，該系統(tǒng)建立在100M局域網(wǎng)平臺上，實現(xiàn)了顯微互動教室、語音室和多媒體微機室三個網(wǎng)絡(luò)的有效結(jié)合，實現(xiàn)了三網(wǎng)合一。在功能上，其具有顯微數(shù)碼系統(tǒng)內(nèi)置式、可選擇性多向語音問答系統(tǒng)、多畫面實時顯示及其他強大的配套教學(xué)功能。在組成上，實驗室配備N臺（取決于實驗室規(guī)模）學(xué)生用數(shù)碼顯微鏡及1臺教師用數(shù)碼顯微鏡，通過軟件與分配器，學(xué)生用顯微鏡內(nèi)的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)浇處煻穗娔X上，每位學(xué)生與教師都配備有電子呼叫系統(tǒng)和耳機[4]。應(yīng)用此數(shù)碼互動系統(tǒng)后，上述巖石學(xué)與晶體光學(xué)實驗教學(xué)的局限性都可得到解決。該互動系統(tǒng)的各主要功能見表1。

三、顯微數(shù)碼互動實驗室在教學(xué)中的應(yīng)用

顯微數(shù)碼互動實驗室在巖石學(xué)和晶體光學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用能變革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，為這些課程的教學(xué)注入新的理念。

1.實現(xiàn)師生間的雙向溝通

在顯微數(shù)碼互動實驗室中，通過網(wǎng)絡(luò)互動控制軟件，教師只需通過其電腦工作站，即可顯示和捕捉教師端200萬像素的數(shù)碼顯微鏡圖像，同時還可控制學(xué)生端所有的顯微鏡圖像，包括對其進行顯示、捕捉、放大以及對每個實時圖像進行單獨調(diào)整（如圖1）。該功能讓教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)進程了如指掌，有利于及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題，以便準(zhǔn)確指導(dǎo)。教師端還可將其鏡下圖像傳輸給全體學(xué)生，以達到示教的作用，也可把任一學(xué)生圖像傳輸?shù)饺w學(xué)生的電腦上，以達到示范的作用。將這些功能應(yīng)用到“巖石學(xué)”和“晶體光學(xué)”的實驗教學(xué)中，能讓教師與學(xué)生間對鏡下薄片圖像進行暢通共享。

圖1 顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)的教師端電腦畫面（以MiE顯微圖像處理軟件為例）

此外，顯微數(shù)碼互動實驗室強大的語音功能也極大方便了師生間的交流，其使溝通更方便，討論內(nèi)容更明確。學(xué)生端借助該系統(tǒng)即時向老師提出問題，教師可選擇不同通話模式與學(xué)生進行交流，并可觀察學(xué)生端電腦圖像。語音交流中可選擇師生對講模式、全體廣播模式、分組練習(xí)模式、學(xué)生示范模式、隨意呼叫模式以及任意對話模式等（表1）。分組練習(xí)和師生對講模式等新穎的教學(xué)方式活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，實現(xiàn)了教師和學(xué)生間的雙向溝通，有效提高教學(xué)質(zhì)量[5]。

表1 顯微數(shù)碼互動實驗室的主要功能簡介

2.豐富實驗課的教學(xué)內(nèi)容

在巖石學(xué)、晶體光學(xué)的實驗課中，觀察薄片的典型鏡下圖像、全體的實時討論和錄制/觀看相關(guān)鏡下圖像是課堂教學(xué)的三種有效方式，顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)使該三種方式充分整合。在傳統(tǒng)的晶體光學(xué)和巖石學(xué)實驗教學(xué)中，多是教師先行對課本進行講解，而后學(xué)生單獨進行鏡下觀察、體會，由于很多課程內(nèi)容都有一定抽象性，光靠口頭講解與課本插圖很難讓學(xué)生深刻理解，如礦物在單偏光鏡下的多色性與吸收性、貝克線的移動、突起的變化以及等礦物在正交偏光鏡下消光角的測定、延性符號的測定等。數(shù)碼互動系統(tǒng)建立后，學(xué)生不僅可實時觀察教師端鏡下的活動影像，教師還可將上述難理解的課程內(nèi)容及其他難點、重點錄制成影像，使得抽象內(nèi)容可視化，通過播放讓學(xué)生對知識點進行鞏固和加強，課后這些影像還可作為教學(xué)素材進行分享。

此外，學(xué)生也可自行對自己的鏡下圖像進行拍照、錄像，并存儲（圖2）便于課后復(fù)習(xí)鞏固。顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)的這些功能，可變學(xué)生的被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，極大提高了教學(xué)質(zhì)量。

圖2 顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)的學(xué)生端電腦畫面（以MiE顯微圖像處理軟件為例）

3.革新實驗課的考核模式

實驗考核是反映學(xué)生能力和檢測實驗教學(xué)質(zhì)量的必要手段，在顯微數(shù)碼互動實驗室中，對學(xué)生的考核則可采取全新的方式。教師可按一定的順序?qū)W(xué)生分相同或不同的電子文檔（如試題、練習(xí)題等）；學(xué)生也可將試卷、習(xí)題等以文檔的形式提交給老師。互動實驗室還可組織電子考場（圖3）：系統(tǒng)題庫自動生成A、B卷并進行分發(fā)，學(xué)生完成答題后對系統(tǒng)提交，系統(tǒng)可對客觀題自動評分、統(tǒng)計并進行檔案保存。該系統(tǒng)還支持多種考試管理模塊和多種題型內(nèi)置。其次，對于“晶體光學(xué)”和“巖石學(xué)”實驗考核，可將現(xiàn)場薄片鑒定融入其中，例如，給學(xué)生們分發(fā)不同的巖石薄片，讓其當(dāng)場鑒定，并將鑒定結(jié)果及其典型薄片圖像/錄像一并提交，以此來考核學(xué)生的對實驗內(nèi)容的掌握情況及實際操作能力。

四、結(jié)語

顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)是一種全新的實驗室教學(xué)設(shè)備，目前國內(nèi)多所高校已經(jīng)投入使用，且在不同專業(yè)的顯微鏡實驗教學(xué)中都取得了很好的教學(xué)效果。數(shù)碼互動實驗教學(xué)模式減少了演示、重復(fù)性實驗和簡單驗證性實驗，使礦物的鏡下光學(xué)特征影像化、明朗化，增加了學(xué)生的動手操作，可糾正學(xué)生在課堂上僅重視實驗結(jié)果而忽視實驗過程的現(xiàn)狀；更重要的是通過學(xué)生動手操作的過程，可增強他們對科學(xué)研究的熱情，激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)觀察問題和分析問題的能力，以及獨立思考和創(chuàng)造性思維能力?？傊?，這種互動實驗室能使晶體光學(xué)和巖石學(xué)的實驗課教學(xué)方式發(fā)生歷史性改變，對提高相關(guān)專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率能起到很大的推動作用。

圖3 顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)的電子考場系統(tǒng)畫面（以MiE顯微圖像處理軟件為例

當(dāng)然，顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)功能強大，有許多功能還待進一步開發(fā)，我們應(yīng)在日常教學(xué)應(yīng)用中不斷探索，以便其為“巖石學(xué)”和“晶體光學(xué)”的實驗課程更好地服務(wù)。

[1]路鳳香，桑隆康.巖石學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社， 2002.

[2]汪相.晶體光學(xué)（彩色版）[M].南京：南京大學(xué)出版社， 2009.

[3]季鳳清，孫海梅，李保紅，等.組織學(xué)實驗課教學(xué)新模式—顯微數(shù)碼互動實驗室的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)， 2005， 19（1）：40-41.

[4]徐輝，郭慕依.顯微鏡數(shù)碼互動實驗室的介紹[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報（基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版）， 2004， 6（4）：411

[5]杜麗堅， 冷靜.Motic 數(shù)碼顯微互動實驗室在病理學(xué)實驗課教學(xué)中的應(yīng)用[J].南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）， 2005（4）：368-370.