培養學生實踐創新能力的礦物巖石實驗教學改革

牛花朋，謝慶賓，孫 晶，李 壯，王春英，焦小芹

（中國石油大學（北京）地球科學學院，北京102249）

0 引 言

實踐能力和創新性思維是拔尖創新人才培養的核心指標［1-2］。根據教育部等部門聯合印發的《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》（教研［2018］5號）和《教育部等六部門關于實施基礎學科拔尖學生培養計劃2.0的意見》（教高［2018］8號），隨著“六卓越一拔尖”人才培養計劃2.0方案的實施，對高層次應用人才和拔尖創新人才的培養提出了更高的要求［3-4］。

我校資源勘查工程專業肩負著為祖國培養油氣資源勘查優秀人才的使命。依托一流建設學科“地質資源與地質工程”，該專業已建設成為石油地質特色鮮明、在國內有較高知名度的國家級特色專業，是教育部綜合改革試點專業和實施第二批卓越工程師教育培養計劃的專業。礦物巖石類課程是資源勘查工程專業重要的專業基礎課，涵蓋結晶學、晶體光學、礦物學、礦相學、巖漿巖石學、變質巖石學、沉積巖石學等知識模塊，重點是培養學生掌握造巖礦物和三大類巖石的鑒定方法以及鑒定特征。但是，面對該類課程“課時容納性高、實踐性強”的特點，如何通過創新實驗模式、提高教學效率是迫在眉睫的任務。

為了激發每個學生的特長和潛能，培養實踐創新能力，在以往教學改革的基礎上［5-9］，教學團隊以資源勘查工程專業礦物巖石類課程為例，創新實驗教學體系，轉變教學理念，加強實驗教學資源建設和過程考核機制改革，實現了室內教學與室外教學并行、驗證性學習到探索性學習的提升，大大提高了實驗教學效果，充分鍛煉了學生對礦物巖石實踐鑒定的能力和創新應用的能力。該成果被石油高校普遍認可和采用，具有很好的引領作用。

1 創立“三融合”的實驗教學模式

礦物巖石類課程總學時僅104學時，為提高教學效率和學生礦物巖石鑒定能力，結合課程特點和教學規律，改變傳統地質院校礦物巖石學習順序，對實驗教學模式進行了調整。

1.1 晶體光學與礦物學相融合

“晶體光學”是研究可見光通過透明晶體時所產生的一系列光學性質及其原理的一門科學，是研究、鑒定造巖礦物和巖石的重要方法［10］。為了讓理論學習與實踐應用緊密結合，按照礦物實驗標本的光學性質具有可對比性的原則，將晶體光學與礦物學充分融合，對晶體光學實驗項目進行了重新設計。例如，在單偏光鏡下進行礦物多色性、解理觀察時，設計了4種常易混淆的暗色礦物黑云母、角閃石、輝石、橄欖石進行對比觀察，由于4種礦物具有明顯不同的多色性和解理特征，既可以讓學生快速掌握多色性和解理的觀察方法，同時又讓學生掌握了4種礦物的多色性和解理識別特征，尤其是掌握利用多色性和解理等不同光學性質組合鑒別礦物的方法，可以說是一舉多得。

1.2 礦物鑒定與巖石鑒定相融合

傳統地質院校一般是先進行“結晶學與礦物學”學習，之后再進行“巖石學”學習，并且進行礦物學實驗時，一般會選擇鑒定特征典型的單礦物體進行［11］。鑒于巖石是由造巖礦物或部分天然玻璃組成的固態集合體，受生長條件影響，組成礦物的鑒定特征大多與單礦物在理想條件下發育時形成的特征不同，甚至是大相徑庭（如石英理想形態為六方柱狀，但在巖石中大多呈現他形粒狀），造成學生對巖石的礦物組成識別困難，致使“巖石學”學習效果大打折扣。為了解決這一矛盾，將礦物學實驗項目進行了系統優化，共設計了4個綜合性實驗項目，分別是巖漿巖中常見礦物的鑒定、變質巖中常見礦物的鑒定、沉積巖中常見礦物的鑒定以及不透明礦物的鑒定。該優化方案將礦物鑒定與巖石鑒定相融合，實現了礦物單體識別和集合體識別相統一，充分鍛煉了學生對礦物知識的綜合應用和分析能力。

1.3 肉眼鑒定與顯微鏡鑒定相融合

眾所周知，手標本肉眼鑒定特征和顯微鏡下晶體光學性質都是未知礦物巖石重要的鑒定特征，前者從宏觀角度對礦物巖石進行整體鑒定，后者更擅長微觀鑒定特征的觀察。問卷調查顯示，學生對手標本觀察和顯微鏡下鑒定同時進行表達了高度肯定和認可，認為宏觀與微觀相互配合才能系統掌握礦物巖石的鑒定特征，利于及時進行相互佐證，可以有效避免教學內容的脫節和重復［12］。礦物透明度觀察就是很好的例子，有些礦物在手標本上觀察看似為半透明、甚至不透明，而顯微鏡下卻顯示透明，通過這一現象，可以讓學生充分意識到透明度觀察是以0.03mm厚度觀察結果為準的。

2 構建“三課堂”的實驗教學體系

礦物巖石類課程知識點多、涉及內容繁多復雜，枯燥難懂，實驗教學是理論知識轉化為實踐應用的關鍵步驟［13-14］。在不斷強化室內驗證性實驗的基礎上，將實驗教學進行延伸，構建了室內實驗-課內實踐-自主實踐一體化的實驗教學體系。

2.1 室內實驗教學（第1課堂）

室內實驗教學作為第1課堂，是學生能夠及時理解和掌握基礎理論知識的重要途徑，也是系統掌握礦物巖石鑒定方法和特征的最基本的教學方法，以1次理論課1次課內實驗課為特色。根據“以學生為中心”的理念，在加大實驗教學資源建設的基礎上［6-7］，重點對實驗項目側重點和實驗教學授課方式進行了調整。其中，對涉及知識點較多、專業性較強的實驗項目適當增加課內學時，并針對學生實驗過程中遇到的問題，教師全程輔導答疑；而對一些重在掌握方法、需要在實踐中反復鍛煉的實驗項目，則采用學生在開放實驗室自主完成與集中答疑、研討相結合的方式進行，以不斷提升學生學習自主性。

2.2 課內野外實踐（第2課堂）

資源勘查工程本源存在于實地的勘測、分析，脫離了本源環境的紙上談兵對學生專業思考能力的培養以及科研方向的視角都是不利的［15］。對于學生來說，僅僅完成第1課堂的室內實驗也是遠遠不夠的，與實驗室內觀察到的標本相比，野外實際工作中遇到的礦物巖石在發育規模、新鮮程度、產出狀態等方面存在相當大的差別。若僅限于室內實驗教學，就會造成與實際工作脫節，使學生無法真正掌握礦物巖石鑒定特征，更不利于培養學生發現問題和解決問題的能力。因此，在第1課堂的基礎上，教師利用學校地處北京郊區的優勢，充分挖掘周邊良好的粗粒花崗巖、石英砂巖、灰巖等露頭，建立了多條礦物巖石課內實踐基地（第2課堂）。相比普通地質實習，課內實踐課具有更強的針對性和及時性。在實習之前，教師設計相關問題，讓學生參與到思考中去，帶著問題來到野外；在野外實習的過程中，通過分組討論，在實踐中找到答案；實習結束后，撰寫實習報告，進行專題答辯。可以說第2課堂將室內教學擴展到野外，實現了室內教學與室外教學并行、驗證性學習到探索性學習的提升，大大提高了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

2.3 自主實踐創新（第3課堂）

研究型大學的地學教育擔負著為國家能源戰略培養拔尖研究型人才的歷史責任，本科教育中科學思維的培養對學生非常重要［16］。在室內驗證性實驗和野外實踐教學的基礎上，借助油氣與探測國家重點實驗室等各級實驗平臺，油氣勘探與開發實驗教學中心以及大量的地質類博物館等教學資源，編寫自主實踐創新指導書，鼓勵學生走出校方教學計劃安排的課堂，積極開展自主實踐（第3課堂），要求每人至少完成1項。倡導大學4年游遍北京市地質博物館活動，建議學生課余時間，本科一年級參觀學習中國地質博物館，本科二年級參觀學習中國地質大學（北京）地質博物館，本科三年級參觀學習北京自然博物館，本科四年級參觀學習中國國家博物館。除此之外，積極鼓勵學生根據個人興趣積極申請國家級、北京市級或校級大學生科技創新項目，參加各層面的地質類競賽。通過自主實踐與科技創新，可以拓寬學生們的眼界，激勵創新思維，不斷增強學生勇于創新的研究能力，取得更高層面的學習和研究成果，大大提高科研素養。

3 構建基于探索與研究的教學方式

積極推進“以教為中心”向“以學為中心”的教學理念轉變，建立了“以學生為主體、以教師為主導”的基于探索和研究的教學模式。

（1）建立WWH體系。每次實驗開始前，利用3～5 min時間，通過Why、What、How 三問，向學生灌輸為什么學、學什么和如何學思維模式，使學生快速掌握實驗目的與意義，以及實驗重點和實驗方法，引導學生學會思考。

（2）根據教學內容的差異，設計多種教學方法。由于礦物巖石鑒定特征知識點多而龐雜，對于室內驗證性實驗廣泛采用類比法、排除法、聯想法等學習方法示例講授，引導學生研究各種礦物巖石鑒定特征的異同點，收到很好的教學效果。例如，云母片巖和云英巖兩種巖石在礦物成分上非常相似，均是由云母和石英組成，但是前者云母類礦物往往定向排列，發育片理構造，后者則無定向性。野外實踐教學和自主實踐則廣泛采用啟發式、研討式教學方法，通過對地質現象共同探討推理，大大提高大學生解決實踐問題的能力和創新能力。

（3）開創礦物學“讀書報告會”。教師事先提出備選問題，5～6人自由組合為團隊，通過紙質報告+口頭匯報的形式，匯報讀書成果，最后由任課教師和團隊相互打分相結合的方式，評選出最佳報告及最佳團隊，該方法對培養團隊合作的意識、學習查找文獻的能力以及鍛煉語言表達的水平發揮了重要作用。

4 健全過程考核與評價機制

礦物學和巖石學類課程均是實踐性很強的課程，除了本學科理論外，培養扎實的巖礦鑒定基本功是課程重點要求之一，因此，礦物巖石類課程重點通過加大過程性評價的比例進一步提高學習效果。①課前要求預習的實驗內容不再重復講解，通過直接提問進行檢驗，檢驗效果直接計入平時成績；② 由于室內實驗教學均是小班化授課，教師采用隨堂批改、隨時反饋的方式100%批改所有實驗（實踐）報告，這樣既可以讓教師及時準確了解每位學生對實驗內容的掌握情況，又可以將發現的問題及時反饋給學生，學生通過反復操作，達到真正領會貫通的目的，避免了“夾生飯”；③實驗分組進行，小組成員間可以充分討論，相互評閱實驗報告，起到揚長避短的作用；④ 總成績中適當加大了實驗報告考核成績的比重，由原來的30%增加到40%，且實施平時實驗成績“一票否決制”，如果實驗平時成績不合格，則實驗成績不能為優秀，從側面進一步督促學生要重視和抓緊平時每一個環節的學習，提高實驗學習積極性和主動性。

5 結 語

礦物巖石實驗教學改革已運行5年，得到師生廣泛認可。通過該成果的應用，培養了學生主觀能動性和創新性，顯著提高了學生解決實際問題的能力和創新能力，我校在“第五屆全國大學生地質技能大賽”中榮獲“野外地質技能”特等獎1項、一等獎2項，“地質標本鑒定”二等獎1項，實現新的突破。1名教師2015年被評為北京市教學名師，1位教師2017年榮獲校青年教師教學效果卓越獎，“造巖礦物學”2018年被評為校級品牌課，學生評教多門次名列全校20%以內，形成了由北京市教學名師、校青年卓越獎教師、校品牌課教師、校青年拔尖人才組成的優秀教學團隊。教學成果顯著，榮獲校教學成果獎1等獎1項、二等獎2項。