礦物巖石學(xué)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系框架構(gòu)建的思考

馬莉燕 丁偉

[摘 要] 近年來(lái)，虛擬仿真教學(xué)在課程教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用，然而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)尚在發(fā)展和摸索階段?；谡n程的主要內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)和重點(diǎn)難點(diǎn)，結(jié)合礦物巖石類課程特點(diǎn)，發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)實(shí)踐中逐步構(gòu)建和完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系框架，以促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。

[關(guān)鍵詞] 礦物巖石學(xué);虛擬仿真;教學(xué)體系;框架

[資助項(xiàng)目] 桂林理工大學(xué)教改項(xiàng)目“以專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向的資源勘查工程專業(yè)教學(xué)模式改革與實(shí)踐”（2017A17）;桂林理工大學(xué)教改項(xiàng)目“虛擬仿真技術(shù)在礦物及巖石學(xué)類課程教學(xué)中的應(yīng)用”（2017B04）

[作者簡(jiǎn)介] 馬莉燕（1984—），女，博士，桂林理工大學(xué)教師，研究方向：大地構(gòu)造、年代地球化學(xué);丁偉（1986—），男，博士，桂林理工大學(xué)教師，研究方向：礦床地質(zhì)學(xué)。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）19-0316-04? ? [收稿日期] 2019-09-06

一、引言

自教高司函〔2013〕94號(hào)文件指出：為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高〔2012〕4號(hào)）精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，經(jīng)研究決定開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作文件開始，國(guó)家已支持許多領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)、省級(jí)的礦物類或巖石類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，如側(cè)重采礦領(lǐng)域的虛擬仿真中心，如中南大學(xué)礦冶工程化學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的工科基礎(chǔ)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)、礦物分離與濕法冶金虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和高溫冶金與節(jié)能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)三個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。又如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程的“模塊化、層次化、多元化”的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建，這些虛擬仿真以難點(diǎn)要點(diǎn)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)采礦知識(shí)的難點(diǎn)和要點(diǎn)內(nèi)容的虛擬仿真。又如側(cè)重礦物化石等標(biāo)本模型虛擬模型的仿真中心，包括由中國(guó)地質(zhì)博物館、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所、中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所、吉林大學(xué)博物館、中科院南京地質(zhì)古生物研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）等六家單位合作完成的國(guó)家?guī)r礦化石標(biāo)本資源共享平臺(tái)（劉小洪等，2015）。然而，盡管早期有著眾多的礦物虛擬模型等實(shí)例，但是這些平臺(tái)和仿真的主要內(nèi)容是針對(duì)晶體認(rèn)識(shí)和礦物知識(shí)體系中的難點(diǎn)或者抽象部分，對(duì)于構(gòu)建完善的體系框架卻少有報(bào)道和研究，這就導(dǎo)致在實(shí)際教學(xué)使用中，這些虛擬仿真平臺(tái)的局限性;同時(shí)，各種虛擬仿真的中心建設(shè)中仍然存在不足，比如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)理念還需進(jìn)一步厘清和提升，即在建設(shè)的虛擬仿真中心普遍集中在基于技術(shù)層面的理念探討，缺乏基于教學(xué)實(shí)踐層面的理念探討（劉為滸 等，2016），對(duì)于礦物學(xué)巖石學(xué)相關(guān)應(yīng)用涉及不多，導(dǎo)致學(xué)生理解困難。因而，本文探討礦物巖石類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系框架構(gòu)建，為推動(dòng)礦物及巖石類實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提供建議。

二、礦物巖石學(xué)類相關(guān)定義、課程特點(diǎn)及體系構(gòu)建目標(biāo)依據(jù)

（一）課程定義

礦物學(xué)是研究礦物的化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外表形態(tài)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)、形成和變化的條件、時(shí)間與空間上的分布規(guī)律、形成與演化的歷史和用途以及它們之間關(guān)系的一門學(xué)科，是地質(zhì)學(xué)的分支學(xué)科（劉顯凡，2010;秦善 等2016）。

巖石學(xué)是地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支，它是研究巖石的礦物成分、化學(xué)成分、共生組合、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、分類、分布、產(chǎn)狀、時(shí)代、形成條件和成因機(jī)制、演化以及各種巖石在空間和時(shí)間上分布的規(guī)律性等方面的科學(xué)。目前巖石學(xué)正沿著巖漿巖石學(xué)、沉積巖石學(xué)和變質(zhì)巖石學(xué)三個(gè)主要的分支各自獨(dú)立的方向發(fā)展著。其中巖漿巖石學(xué)（magmatic petrology），著重研究巖漿巖的組成、共生組合，產(chǎn)狀分布、礦產(chǎn)關(guān)系、成因機(jī)制以及巖漿的形成、活動(dòng)、演化規(guī)律與全球構(gòu)造的關(guān)系等，此外，近年來(lái)巖漿巖石學(xué)的研究?jī)?nèi)容已擴(kuò)大到上地幔的巖石和宇宙星體巖石。沉積巖石學(xué)（sedimentary petrology）著重研究沉積物質(zhì)的形成、運(yùn)移、沉積和成巖作用，沉積礦產(chǎn)、沉積環(huán)境、沉積相等。變質(zhì)巖石學(xué)（metamorphic petrology）著重研究變質(zhì)巖的組成、分布，成因、成礦、原巖恢復(fù)、變質(zhì)相和相系、變質(zhì)作用和構(gòu)造活動(dòng)與地殼演化發(fā)展的關(guān)系等。

（二）課程特點(diǎn)

“礦物學(xué)”和“巖石學(xué)”是地球系統(tǒng)科學(xué)重要的基礎(chǔ)課和主干課。其對(duì)應(yīng)的課程可延伸至“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)”“晶體光學(xué)與造巖礦物”“巖漿巖巖石學(xué)”“沉積巖巖石學(xué)”“變質(zhì)巖巖石學(xué)”“巖石學(xué)”“礦物學(xué)與巖石學(xué)”“環(huán)境礦物學(xué)導(dǎo)論”“成因礦物學(xué)概論”“巖石顯微結(jié)構(gòu)分析”“巖礦物理化學(xué)”等11門相關(guān)課程組成（李勝榮等，2015）。但是，21世紀(jì)之初強(qiáng)調(diào)通用型人才培養(yǎng)，礦物學(xué)和巖石學(xué)課程的學(xué)時(shí)及其實(shí)踐性內(nèi)容曾被大幅刪減，導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)多而分散的礦物學(xué)巖石學(xué)類課程內(nèi)容難以記憶和消化。此外，大量需要野外實(shí)踐的課程，由于經(jīng)費(fèi)及安全的問(wèn)題無(wú)法安排相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)，或者分配更多的學(xué)時(shí)，使得學(xué)習(xí)效果大打折扣。然而，多數(shù)研究者認(rèn)為學(xué)好礦物巖石類課程的方法是要重視實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性（李勝榮 等，2015;程宏飛 等，2015）。另外，許多的地質(zhì)課程盡管在課程安排上它們是相互獨(dú)立的，然而實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)象的觀察和地質(zhì)問(wèn)題解決是所學(xué)課程的綜合應(yīng)用。

鑒于這些特點(diǎn)和需求，虛擬平臺(tái)能夠?yàn)槔碚撀?lián)系實(shí)際提供足夠的空間和平臺(tái)，使得學(xué)生融會(huì)貫通。虛擬仿真教學(xué)可以利用實(shí)物和計(jì)算機(jī)軟件共同模擬出真實(shí)的情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。這種教學(xué)方法生動(dòng)形象，很接近現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)景，有利于提高學(xué)生興趣，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入相應(yīng)情境，真實(shí)的體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中進(jìn)行操作的感覺，以達(dá)到更快掌握操作技能的目的，因而，礦物巖石類虛擬仿真教學(xué)的主要目標(biāo)就是加強(qiáng)需要實(shí)踐對(duì)象的認(rèn)識(shí)、實(shí)踐與互動(dòng)。

（三）課程框架體系構(gòu)建依據(jù)

盡管目前已經(jīng)建成多種虛擬仿真中心和相關(guān)資源，但是這些虛擬仿真中心各自有自身的特點(diǎn)和針對(duì)性。如何開發(fā)并充分使用現(xiàn)有的資源來(lái)構(gòu)建平臺(tái)，是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系框架構(gòu)建極為重要。著名教育家陶行知說(shuō)：“事怎么樣做就怎么去學(xué)，怎樣學(xué)就怎樣教;教的法子要根據(jù)學(xué)的法子，學(xué)的法子要根據(jù)做的法子?！彼?，從課程定義出發(fā)，礦物巖石學(xué)類課程的教學(xué)內(nèi)容要求虛擬仿真重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)礦物認(rèn)知與鑒定以及巖石認(rèn)知、特點(diǎn)形成過(guò)程及其應(yīng)用。這些要求可以按照實(shí)現(xiàn)的結(jié)果分為兩類：一類是可視化和可以操作的工具類平臺(tái)，另一類則是掌握規(guī)律為主的應(yīng)用平臺(tái)。工具類平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)礦物與巖石基本性質(zhì)認(rèn)知和識(shí)別。而應(yīng)用類則基于實(shí)際生產(chǎn)或者課程理論研究為目標(biāo)利用工具類各種平臺(tái)達(dá)到目的，即理解礦物巖石的相關(guān)規(guī)律并應(yīng)用礦物巖石基本性質(zhì)于生活生產(chǎn)的目的。

三、礦物巖石學(xué)類課程虛擬仿真教學(xué)體系構(gòu)建模型初探

（一）礦物巖石學(xué)類課程虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建模型初探

根據(jù)以上的分類，結(jié)合目前現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上可以整合相關(guān)的工具類虛擬仿真平臺(tái)。這些資源包括動(dòng)畫、計(jì)算軟件、模擬軟件、虛擬測(cè)試軟件、虛擬仿真等內(nèi)容。而應(yīng)用類虛擬仿真平臺(tái)要求在互動(dòng)方面做得有吸引力，可以引入和借鑒，如“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”“項(xiàng)目建設(shè)”的互動(dòng)設(shè)計(jì)模式（劉為滸等，2015）。平臺(tái)分類見下圖。

“工具類的平臺(tái)”又可根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容中以認(rèn)識(shí)為主的部分進(jìn)行劃分礦物類和巖石類兩個(gè)部分：礦物類包括礦物外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和物理性質(zhì)等4個(gè)模塊平臺(tái)，而巖石類包括礦物共生組合、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和時(shí)代4個(gè)組成部分。礦物外部形態(tài)可以通過(guò)可視性的虛擬仿真模型和標(biāo)本平臺(tái)（1）和虛擬仿真掃描電鏡儀器系統(tǒng)（2）認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí);內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊平臺(tái)可以整合以《結(jié)晶學(xué)》為基礎(chǔ)的虛擬仿真顯微鏡系統(tǒng)（3）和晶體3D虛擬仿真模型（4）以及研究礦物或物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的儀器系統(tǒng)（5）（如X射線衍射儀，拉曼光譜等）;化學(xué)成分平臺(tái)可以納入相關(guān)礦物化學(xué)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)（6）以及相關(guān)的目前常用的電子探針虛擬仿真儀器模擬分析系統(tǒng)（7）;礦物的物理性質(zhì)模塊可以引入各種展示礦物重要物理性質(zhì)的動(dòng)畫（比重、磁性、導(dǎo)熱、熒光等）（8）和各種檢測(cè)礦物物理性質(zhì)的虛擬仿真類儀器系統(tǒng)（9）。

巖石類平臺(tái)的礦物共生組合由不同地球圈層對(duì)應(yīng)背景下不同巖石類型的礦物組合虛擬仿真圖和動(dòng)畫卡通圖（10）及能夠模擬不同系統(tǒng)和條件下離子和礦物相互關(guān)系以研究礦物共生組合理論的相關(guān)軟件（如GWB軟件程序是Geochemist's Workbench的簡(jiǎn)稱和Thermocal軟件程序）（11）;化學(xué)成分平臺(tái)則包含常見不同背景下不同巖石類型的參考圖表（12）、常用主量元素分析虛擬仿真儀器（如XRF）（13、14常用微量元素分析虛擬仿真儀器如ICPMS）（14）及同位素元素分析虛擬仿真儀器（如MC-ICPMS）（15）;結(jié)構(gòu)構(gòu)造平臺(tái)可包含三大巖石類型常見和特別的巖石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造可視三維模型（16）和虛擬仿真顯微鏡（3、17共享）;時(shí)代平臺(tái)可包含介紹目前含前沿的三大巖石類型的定年技術(shù)原理動(dòng)畫;（18）、虛擬仿真同位素定年的相關(guān)儀器（15、19共享）。

“應(yīng)用類平臺(tái)”則是以探索其形成規(guī)律和生產(chǎn)應(yīng)用為主要目的的平臺(tái)，包括理論礦物學(xué)和應(yīng)用礦物學(xué)以及理論巖石學(xué)及應(yīng)用巖石學(xué)等方面的應(yīng)用。其中理論礦物學(xué)依據(jù)礦物的研究目的，下分3個(gè)子平臺(tái)：礦物成因（20）、礦物共生組合與分布（21）和礦物演化（22）;在應(yīng)用礦物學(xué)平臺(tái)劃分為5個(gè)子平臺(tái)：礦物鑒定系統(tǒng)（23）、礦物寶石學(xué)（24）、礦物各種物理性質(zhì)（25）、礦物化學(xué)成分功能應(yīng)用（26）和礦物學(xué)與交叉學(xué)科的應(yīng)用（27）。理論巖石板塊包含3個(gè)子平臺(tái)，分別是：巖石成因機(jī)制（28）、巖石演化規(guī)律（29）和巖石與全球構(gòu)造的關(guān)系（30）;應(yīng)用巖石學(xué)下設(shè)4個(gè)子平臺(tái)：巖石鑒定系統(tǒng)（31）、巖石成分的應(yīng)用（如水泥制備）（32）、巖石物理性質(zhì)的應(yīng)用（33）和巖石學(xué)與交叉學(xué)科的應(yīng)用（34）。

（二）礦物巖石學(xué)類課程虛擬仿真教學(xué)體系構(gòu)建模型初探

盡管內(nèi)容框架看似簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的體系框架還要包括場(chǎng)景建設(shè)，基本的教學(xué)內(nèi)容體系，互動(dòng)設(shè)計(jì)模式，評(píng)價(jià)和考核，數(shù)據(jù)庫(kù)，操作系統(tǒng)等復(fù)雜內(nèi)容。依據(jù)課程內(nèi)容提出相關(guān)板塊的建議。

1.場(chǎng)景建設(shè)。地質(zhì)場(chǎng)景以自然場(chǎng)景為輔結(jié)合地質(zhì)場(chǎng)景為主，包括與巖漿巖密切相關(guān)的：火山口、上地殼和下地殼，上地幔;與沉積巖對(duì)應(yīng)的：高原、丘陵、河流、湖泊、海洋、沙漠;與變質(zhì)巖對(duì)應(yīng)的造山帶：沿海山脈（如南北美洲大陸西部的科迪勒拉山造山帶）、（秦嶺造山帶）、蘇魯大別造山帶，以及與學(xué)校教學(xué)相關(guān)的巖礦鑒定室、化學(xué)分析室、磨片室、前處理室和實(shí)驗(yàn)室等。

2.互動(dòng)設(shè)計(jì)模式。教學(xué)的藝術(shù)不在于傳授本領(lǐng)，而在于激勵(lì)、喚醒、鼓勵(lì)學(xué)生。在虛擬仿真中與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”“項(xiàng)目建設(shè)”模型得到很多同行的認(rèn)同和贊許（劉小洪等，2015;趙瑜等，2015）?；诘刭|(zhì)自然場(chǎng)景下，將教學(xué)內(nèi)容融于場(chǎng)景中，同時(shí)以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”“項(xiàng)目建設(shè)”為主要互動(dòng)模式開展學(xué)習(xí)，同時(shí)結(jié)合實(shí)物共同學(xué)習(xí)，做到虛實(shí)結(jié)合。“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”，如“以砂金的尋找金礦礦藏的來(lái)源”為任務(wù)，可模擬水系河流地區(qū)，選擇不同的水系分支河流砂金統(tǒng)計(jì)收集點(diǎn)，依據(jù)水系分支統(tǒng)計(jì)數(shù)量，結(jié)合水系實(shí)際地理位置分布推測(cè)金礦礦源位置。依次過(guò)程的互動(dòng)，使學(xué)生加深風(fēng)化作用（上圖中第28子平臺(tái)：巖石成因機(jī)制子平臺(tái)）和礦物比重的性質(zhì)（上圖中第25子平臺(tái)：礦物各種物理性質(zhì)子平臺(tái)）在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。其任務(wù)或項(xiàng)目可依據(jù)專業(yè)需要，從應(yīng)用平臺(tái)中選擇相關(guān)內(nèi)容開展設(shè)計(jì)，每次認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)時(shí)間控制在30～45分鐘為宜。

3.教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容以知識(shí)點(diǎn)為單位進(jìn)行模塊化（見上圖），在設(shè)計(jì)的過(guò)程中又可根據(jù)專業(yè)需要和重點(diǎn)，對(duì)照各課程教學(xué)大綱來(lái)選擇不同知識(shí)模塊重組。實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)建立在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段及方法基礎(chǔ)上，包括結(jié)晶學(xué)部分晶體模型分析，晶體光學(xué)部分顯微鏡實(shí)驗(yàn)操作，礦物學(xué)、巖石學(xué)部分手標(biāo)本鑒定及顯微鏡下鑒定等。虛擬仿真儀器為輔，主要是加深理解。