數碼偏光顯微互動實驗教學在地學類學科中的應用與發展

朱章雄 賴富強 達雪娟 劉衛華 王鑫

摘要：將傳統地學類學科中的晶體光學、礦物巖石學、古生物學以及寶玉石鑒定等課程中的單目偏光顯微鏡，升級換代為數碼偏光互動顯微系統。該系統把現代顯微光學、計算機圖像、網絡及軟件系統集成于現代地學教學中，能在共享鏡下清晰顯微圖像的同時，進行語音互動交流，并且還能實現鏡下圖像實時存儲及遠程互動教學等功能。這種互動實驗新模式，使地學實驗在形式和內容上都發生了根本變化，教學效果及質量得到極大提高。為實驗教改、科研及學生學習興趣和實踐能力的提升奠定了扎實基礎，為應用型人才培養搭建了良好平臺。

關鍵詞：數碼偏光顯微互動;地學類學科;實驗教學新模式;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）18-0251-02

晶體光學與礦物巖石學是地學類專業（資源勘查、地質學等專業）學生最早學習的專業基礎課程，是地學專業學生的必修課程，課程不但理論課時高，還有大量的實驗課時配套，基本要求是每位學生都會用偏光顯微鏡，對巖礦標本進行微觀形貌分析;通過觀察描述各種、礦物晶體及巖石薄片的結構組成、形態特征，加強理論與實際的結合，為后續《構造地質學》等專業課學習打基礎。

地學專業的礦巖實驗最常用的儀器設備是偏光顯微鏡，但由于傳統顯微鏡設計是單人單鏡單筒觀察，上課過程中，每位學生一臺，教師也只能一對一指導，在目前大班教學過程中，師生單獨互動交流效率低，實驗教學效果較差;隨著數碼偏光顯微互動實驗室的引進，礦巖實驗教學發生了根本變化。隨著廈門麥克奧迪公司提供的Motic數碼顯微互動實驗室的建成，經過五年多的教學實踐及經驗反饋，教學過程發生改變，整體效果良好，師生廣泛認可，且該實驗室因此成為國家級實驗示范中心下屬分室。

一、數碼偏光顯微互動實驗平臺簡介

本套教學平臺由40臺學生用數碼偏光顯微鏡與HP電腦配套聯機、1臺教師用數碼偏光顯微鏡、MOTIC DIGITAL LAB軟件、MOTICVOICE語音系統、MULTIPIC圖像分析、NEC多媒體高清投影、思科48口交換機等軟硬件系統配套構成（見圖1）。在做晶體光學與礦物巖石學（晶體光學、礦物學、巖石學、古生物與地史學等）實驗課堂上，任課教師可在教師工作站上實時觀察在座學生的鏡下圖像，而不必像傳統教學中走到學生顯微鏡前指導，這樣教師可及時發現每位學生的問題，并及時通過電腦屏幕控制和語音指導學生改正。學生也可在座位上主動提問請求教師幫助。偏光顯微鏡通過三目頭高清CCD，把薄片微觀圖像信號輸出到電腦顯示器及NEC高清投影儀上，通過這種方式教師可對所有學生進行圖像分析和解釋討論，同時還能進行圖像處理、實時錄像，進而作定量分析與資料備份[1]。

二、數碼偏光顯微互動實驗室特色及地學應用

該實驗室系統能把實驗圖像、影像、聲音、視頻等教學媒體方式合為一體，從根本轉變了傳統地質學實驗教學模式，使地學類實驗教學特色更鮮明，實驗更高效，形式更有新意，傳統學科也與時代結合，展現新的氣象。

1.數碼偏光顯微鏡系統。數碼偏光顯微鏡是模塊化、集成化的現代偏光顯微鏡，其操作使用更方便，圖像顯示更清晰精準，色彩更逼真，還能通過高清數碼CCD攝像實時轉換為數字切片及傳輸至教師端互動，學生能在配套電腦上實時觀察描述所見鏡下薄片，還可同時作分析測量，使圖像生動形象，從而達到良好的學習效果。

2.圖像采集及處理系統。數碼偏光顯微互動實驗室配有一臺教師用數碼偏光顯微鏡及配套HP工作站和40臺學生用偏光數碼顯微鏡及40臺配套電腦及軟件。通過專業MOTIC圖形顯卡來保障高品質圖像輸出。Motic Live Imaging Module來實現鏡頭相片的合并、切換，教師機總共可接入64路畫面，最多可支持64臺顯微鏡下畫面的同時顯示。所有的控制指令和圖像數據都通過MoticDIGILABⅡ教師端來傳輸。教師工作站通過思科交換機控制學生端DIGILABⅡ計算機的工作方式，實現不同類型顯微鏡畫面的顯示。采用MOTIC DIGILABⅡ軟件的圖像色彩、對比度、數量、尺寸測量等功能對鏡下照片進行全方位分析。在地學類實驗中，因每一塊礦巖薄片標本普遍具有的差異性和唯一性，通過此套系統的使用，讓每位同學在一次實驗課程中可觀察學習的礦巖薄片標本都不再局限于手邊的幾塊，外加教師顯微鏡調用示范演示系統，可通過全體示范在每個顯示屏和大屏幕上指出任意一臺顯微鏡中的任意位置圖像，保證每位同學都能看到任何一臺顯微鏡下的畫面，從而達到更高效的學習與交流。

3.實時語音互動系統。教師機與學生機都配備高清呼叫應答系統，可進行全體示范、師生對講、分組練習、個別輔導等模式的交流對講，教師既能全體示范演示，也可單獨“一對一”個別輔導，還可分組討論，從而加強師生互動，達到高效率“點到面”的教學模式[2]，抓住“以學生為中心”的思想，改變以往那種實驗課教師來回奔波于各學生之間，而且還無法做出及時有效示范的實驗場景，這樣既有利于學生積極性和興趣的調動，同時也提高了教師教學工作效率。

4.配套MOTIC軟件圖像處理系統。這套系統是麥克奧迪獨立研發的具有自主知識產權的圖像系統，除了具有基本的捕捉圖像、攝像和各組分測量分析功能外，還能對多目標分割、過濾及自動化的捕捉、計數、曝光和白平衡功能，使畫面鮮艷逼真，教師端還能下發作業，同時學生端也可網絡提交實驗報告。因此在教學質量控制上主要用于實驗考核，學生在觀察分辨鏡下影像后將圖像拍攝并素描下來，在自己的配套電腦上用MOTIC專業鏡下分析軟件處理，做出專業解釋、得出分析結論然后提交實驗報告，上傳提交到教師工作站的作業文件夾下，同時教師還可進行網上隨堂考核，實時批閱報告，改變傳統紙質考核及素描作業方式，極大提高教師工作效率。

三、在地學實驗中數碼顯微互動系統的不足之處

在采用數碼偏光顯微互動系統這種全新教學法過程中，仍然發現一些問題，還需和MOTIC公司的工程師不斷深入溝通交流，以作進一步改進和完善。

1.從互動系統來看，數碼顯微鏡的圖像雖已采用高分辨率攝像，但由于網絡及信號傳輸的原因出現顏色部分失真，色彩不豐富，攝像頭像素偏低，實時教學中出現滯后拖尾現象，尤其是學生機，因為是通過網絡連接教師主機，再投影到大屏幕，導致圖像邊緣不夠清晰，在觀察典型礦物的“突起程度”、“貝克線”及“干涉色”過程中因網絡滯后及色差造成不同鏡下圖像切換速度較慢，色彩還原不夠真實。根據實際情況，40人左右一個班，實驗室按1∶1配備學生機，這樣可以更大程度上提高教學效率。

2.從教師角度看，需轉變原有觀念，充分利用數碼和互動系統的優勢，開展全新教學大綱及課程設計，讓教學過程互動起來，通過數字資源上傳教學工作站及實驗教學中心網站，開發新實驗項目，開設對應精品課程，順應網絡化趨勢，創造多學習環境，激發學生專業課的學習興趣，以興趣為導向，以技能為基礎，滿足應用型技能人才培養要求。

3.以學生角度來看，通過電腦及高精觀測儀器應用能力的培養，動手能力得到提高，通過課前實驗內容的預習，上實驗課時現象觀察與分析結合，對照巖礦特征加強記憶，以視域圖像記憶方式，其應用能力也能得到大大加強。

4.從管理角度分析，該套系統需配備專職實驗員管理，課前課后必須與任課教師進行交接，實驗過程中巡回指導，發現系統問題及時解決，以確保實驗課程正常開展，保障教學秩序。在管理體制上做到面向全校師生、面向校外人士、面向科研全開放式運行。

數碼偏光互動顯微鏡系統的推廣使用，是地學實驗教學的新手段，有利于互動式教學、個性化教學和遠程教學的開展，有利于學生探究式學習、自主式學習方式的轉變，能使地學實驗水平得到不斷提高，促進實驗課教改的不斷深入。通過類似系統的推廣，地學類實驗課一定會展現出更現代、更實用、更具特色的現代科學前景。

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