智能時(shí)代礦物巖石學(xué)課程教學(xué)模式改革與創(chuàng)新

何小芳

（中國礦業(yè)大學(xué)〔北京〕 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083）

引言

“礦物學(xué)”和“巖石學(xué)”是地球系統(tǒng)科學(xué)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，無論從事基礎(chǔ)理論研究，還是開發(fā)利用地下資源或解決工程地質(zhì)問題，都需要具備扎實(shí)的巖礦基礎(chǔ)知識(shí)［1］。其延伸課程包括“晶體光學(xué)與造巖礦物”“巖礦分析與鑒定”“巖礦物理化學(xué)”等多門相關(guān)課程［2-3］。這類課程具有專業(yè)性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多和實(shí)踐性強(qiáng)等特征，其中實(shí)踐性是最為突出的特點(diǎn)。在地球科學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)過程中，理論知識(shí)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相輔相成、密不可分。學(xué)生需要通過大量的實(shí)踐學(xué)習(xí)，包括野外實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)，才能將復(fù)雜抽象的理論知識(shí)融會(huì)貫通。

實(shí)踐教學(xué)對(duì)提升學(xué)生綜合專業(yè)素質(zhì)、培養(yǎng)科學(xué)思維和分析及解決問題的能力十分重要，因此，在以往的“礦物學(xué)”“巖石學(xué)”教學(xué)過程中，實(shí)踐教學(xué)一直占據(jù)較大比重［4］。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)步，國家對(duì)通用型人才的需求逐步增加，要求培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高的具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人［5］。然而，部分通識(shí)課程的學(xué)時(shí)增加，使部分專業(yè)課的學(xué)時(shí)受到了一定壓縮，給專業(yè)教育帶來了一定的挑戰(zhàn)。在這樣的前提下，為保證教學(xué)質(zhì)量，對(duì)礦物巖石學(xué)類課程教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新性改革，尤其對(duì)實(shí)踐教學(xué)部分進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化就顯得十分必要。

本課程于2020年開始授課。根據(jù)人才培養(yǎng)需求，結(jié)合本校特色，借鑒多門教材和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在“礦物學(xué)”“巖石學(xué)”先導(dǎo)課程的基礎(chǔ)之上，秉持“以學(xué)生為中心、以實(shí)踐教學(xué)為主體、以地質(zhì)學(xué)為特色、以學(xué)術(shù)綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)”的教學(xué)理念，充分把握新時(shí)代學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)開展教學(xué)活動(dòng)和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。上述過程的實(shí)現(xiàn)，不僅能夠極大地豐富和深化相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加深刻，而且能夠開闊學(xué)生的視野，提高學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、互動(dòng)學(xué)習(xí)、創(chuàng)新學(xué)習(xí)提供資源和平臺(tái)，為復(fù)合型人才的培養(yǎng)創(chuàng)造條件。

一、課程簡介及學(xué)情分析

本校“巖礦分析與鑒定”課程針對(duì)大三學(xué)生開設(shè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，其關(guān)鍵技能可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。課程目標(biāo)旨在幫助學(xué)生深化理論課程內(nèi)容，加強(qiáng)鑒定礦物巖石的實(shí)踐操作技巧，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)具有一定的綜合研究和獨(dú)立解決問題的能力，有助于學(xué)生在地質(zhì)類學(xué)科競賽中取得好成績，并為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)。

從教學(xué)對(duì)象來看，本課程學(xué)生群體有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)：（1）有一定的專業(yè)理論基礎(chǔ)，但專業(yè)技能有待進(jìn)一步提升。本科三年級(jí)的學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)了“礦物學(xué)”“巖石學(xué)”等基礎(chǔ)專業(yè)課程，在此基礎(chǔ)上開展“巖礦分析與鑒定”課程，有助于學(xué)生鞏固前期理論知識(shí)體系，并加以實(shí)踐運(yùn)用。（2）綜合分析和解決實(shí)際問題能力較為欠缺。大學(xué)三年級(jí)學(xué)生多已開展了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，其研究工作與地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)技能密切相關(guān)，在研究工作中經(jīng)常遇到許多實(shí)際問題。

從教學(xué)內(nèi)容和考核方式來看，本課程教學(xué)存在兩個(gè)挑戰(zhàn)。一是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過于傳統(tǒng)。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式仍然以實(shí)驗(yàn)室成套標(biāo)本為主，而這些標(biāo)本大多產(chǎn)地不明、地質(zhì)背景不清楚，且手標(biāo)本與薄片標(biāo)本缺乏對(duì)應(yīng)關(guān)系。學(xué)生僅限于學(xué)習(xí)顯微鏡下礦物巖石類型、結(jié)構(gòu)的初步鑒定，難以掌握宏觀地質(zhì)體特征，更難以對(duì)巖石成因展開綜合分析。二是教學(xué)和實(shí)際科研生產(chǎn)工作結(jié)合不緊密。一方面，學(xué)生的認(rèn)識(shí)僅限于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)存標(biāo)本，而實(shí)際的巖石類型則復(fù)雜得多，學(xué)生很難將所學(xué)技能與實(shí)際科研生產(chǎn)結(jié)合起來；另一方面，在傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)過程中偏重對(duì)巖石組合、結(jié)構(gòu)構(gòu)造的鑒定，缺乏在宏觀上對(duì)巖石成因機(jī)制和地質(zhì)背景進(jìn)行綜合分析，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和綜合分析能力未得到有效鍛煉。

二、教學(xué)改革與創(chuàng)新主要內(nèi)容

基于上述學(xué)情分析，本課程自授課以來，改變傳統(tǒng)的學(xué)生學(xué)習(xí)、教師講授的教學(xué)模式，從多個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)改革和創(chuàng)新的探索和實(shí)踐，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）思想政治教育融入課堂，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

本課程從地質(zhì)學(xué)實(shí)際出發(fā)，探索本學(xué)科課程思政建設(shè)元素，結(jié)合專業(yè)特色和領(lǐng)域時(shí)事，將思想政治教育元素融入課堂，如通過介紹本領(lǐng)域優(yōu)秀礦物巖石學(xué)家的突出貢獻(xiàn)，提升學(xué)生的學(xué)科自豪感，弘揚(yáng)學(xué)科精神［6-7］。又如通過“黑色黃金”油頁巖的發(fā)展歷程，引發(fā)學(xué)生對(duì)國際能源態(tài)勢(shì)及格局的討論，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注時(shí)事、緊跟時(shí)代的科學(xué)素養(yǎng)。

另外，本課程思政元素強(qiáng)調(diào)課程學(xué)習(xí)在個(gè)人職業(yè)成長、服務(wù)社會(huì)中的重要性，讓學(xué)生從思想上重視該課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐［6］。依托本課程教改項(xiàng)目，筆者對(duì)北京市中小學(xué)開展了兩次礦物巖石學(xué)相關(guān)的線下科普教育活動(dòng)，并積極進(jìn)行線上科普宣傳工作。通過多種方式相結(jié)合，有助于點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的熱情，陶冶學(xué)生的地學(xué)文化情操，堅(jiān)定學(xué)生為祖國地質(zhì)事業(yè)做貢獻(xiàn)的決心與信心。

（二）利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，突破教學(xué)時(shí)空限制

礦物巖石學(xué)類課程的實(shí)踐教學(xué)在很大程度上依賴于顯微鏡設(shè)備和輔助資源，從傳統(tǒng)教科書、顯微鏡、實(shí)驗(yàn)室到在線數(shù)據(jù)庫，這些資源在學(xué)術(shù)水平、可用性、設(shè)計(jì)和規(guī)模上高度不同。在過去幾十年的改革中，地質(zhì)類課程實(shí)踐教學(xué)條件得到了極大的改善，已從以往的“第一課堂”——傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)逐步過渡到“第二課堂”——線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的階段［8-9］。適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變，本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入了多媒體互動(dòng)顯微鏡教學(xué)軟件，將礦物巖石鑒定現(xiàn)象通過投屏或廣播教學(xué)的方式供學(xué)生觀看學(xué)習(xí)，取得了良好的教學(xué)效果。隨著智能時(shí)代的到來，線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)逐漸在實(shí)踐教學(xué)中得到運(yùn)用，它可以突破實(shí)驗(yàn)室條件、標(biāo)本數(shù)量及授課時(shí)間等諸多限制，有助于及時(shí)學(xué)生鞏固課堂理論知識(shí)，與線下實(shí)驗(yàn)課相輔相成、互相補(bǔ)充，極大地提高了教學(xué)效果［8-9］。目前在其他學(xué)科領(lǐng)域，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)扮演著越來越重要的角色，然而此類平臺(tái)在地質(zhì)學(xué)類課程中的應(yīng)用仍不夠充分。因此，本課程在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊。

1.結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字化平臺(tái)，如國家?guī)r礦化石標(biāo)本資源共享平臺(tái)包含國內(nèi)及部分國外典型礦物、巖石、礦石標(biāo)本數(shù)字資源，有利于學(xué)生分類進(jìn)行可視化查詢，并對(duì)一些精美的典型礦物巖石展品進(jìn)行互動(dòng)操作，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

2.充分利用國外已有的礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如麥考瑞大學(xué)開發(fā)的虛擬巖石顯微鏡Virtual Petrographic Microscope軟件和英國地質(zhì)協(xié)會(huì)研發(fā)的Virtual Microscope在線互動(dòng)巖石平臺(tái)等［10-11］。這些虛擬巖石實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集合了全球經(jīng)典樣品數(shù)據(jù)庫，學(xué)生可以離線安裝虛擬顯微鏡、下載巖石樣品數(shù)據(jù)，也可以在線進(jìn)行手標(biāo)本3D掃描、偏光顯微鏡互動(dòng)觀察等，不受實(shí)驗(yàn)室條件、樣品類型限制，真正做到了隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，極大地拓寬了學(xué)生的學(xué)習(xí)廣度和深度。同時(shí)，這些互動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可擴(kuò)展第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源或自建課程資源，為各類院校建立自己的科普實(shí)驗(yàn)基地提供了良好的平臺(tái)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊注重學(xué)習(xí)任務(wù)的高階性和創(chuàng)新性，重在提高學(xué)生的綜合分析能力。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要求學(xué)生查閱資料，對(duì)巖石成因進(jìn)行綜合分析，保證學(xué)生不僅能進(jìn)一步熟悉礦物巖石學(xué)的理論知識(shí)，而且能夠練習(xí)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中掌握的基礎(chǔ)鑒定技巧，真正做到了虛實(shí)結(jié)合，讓學(xué)生主導(dǎo)學(xué)習(xí)過程。

3.突破傳統(tǒng)教學(xué)標(biāo)本局限，科教融合教學(xué)。礦物巖石鑒定的學(xué)習(xí)常常與實(shí)際地質(zhì)問題相關(guān)，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和實(shí)際地質(zhì)問題往往存在脫節(jié)現(xiàn)象，學(xué)生難以理解巖石特征與巖石成因之間的邏輯關(guān)系，且課程涉及礦物種類較多、巖石類型較復(fù)雜，現(xiàn)有標(biāo)本多為統(tǒng)一購買的成套標(biāo)本，其巖性不夠全面，部分標(biāo)本存在不典型甚至標(biāo)注錯(cuò)誤等問題；因此，建立一套宏觀微觀相結(jié)合的教學(xué)用標(biāo)本十分關(guān)鍵。本課程依托“雙一流”課程建設(shè)專項(xiàng)資助，通過野外實(shí)地采集、同行捐贈(zèng)的方式獲取了一批典型的礦物巖石手標(biāo)本和薄片。這些巖礦手標(biāo)本和薄片能夠互相對(duì)應(yīng)，且產(chǎn)地明確、地質(zhì)背景清楚，有較好的研究基礎(chǔ)，有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將巖礦鑒定與實(shí)際地質(zhì)問題相結(jié)合，訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維。

另外，任課教師在“巖礦分析與鑒定”課程教學(xué)過程中引入自身和同行的科研成果，把抽象的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為具體的科研案例進(jìn)行解釋和說明，將枯燥的巖相學(xué)描述和動(dòng)態(tài)的地質(zhì)過程結(jié)合起來，有利于學(xué)生建立繁雜的礦物巖石學(xué)知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，既保證了教學(xué)質(zhì)量，又促進(jìn)了精品課程建設(shè)［12］。

三、教學(xué)改革與創(chuàng)新初見成效

本課程結(jié)合知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)及當(dāng)代學(xué)生依賴網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以培養(yǎng)專業(yè)人才為宗旨，在把握基礎(chǔ)性教學(xué)的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合我國對(duì)地質(zhì)類專業(yè)高級(jí)人才的實(shí)際需求，運(yùn)用現(xiàn)代化的教學(xué)手段進(jìn)行課程內(nèi)容的講解。一方面，將思政元素引入課堂，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性；另一方面，充分利用國內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開展學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)與線下面授有機(jī)結(jié)合的混合式教學(xué)模式，打破學(xué)習(xí)時(shí)空、標(biāo)本類型的限制，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅僅局限于課堂，有效提高了教學(xué)質(zhì)量，并為學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)可視化巖石礦物數(shù)據(jù)資源綜合平臺(tái)，為逐步建立專業(yè)教學(xué)、科研及科普基地打下了良好的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了課程教學(xué)的高階性。同時(shí)，在保證理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性的前提下，通過不斷融入新內(nèi)容，包括一些前沿性的科研成果，使學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際地質(zhì)問題聯(lián)系起來，提高了學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，體現(xiàn)了課程教學(xué)的創(chuàng)新性。

經(jīng)過近兩年的實(shí)踐，科教融合模式顯著地激發(fā)了學(xué)生對(duì)巖石成因的興趣，鞏固了學(xué)生的巖礦鑒定技能，并將教學(xué)成果推向了綜合應(yīng)用的高度。從教學(xué)反饋來看，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用給予了積極評(píng)價(jià)。另外，多項(xiàng)涉及礦物巖石學(xué)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練受到了資助。在最近一屆全國大學(xué)生地質(zhì)技能競賽選拔中，我校取得了較好的成績，這充分顯示了良好的教學(xué)效果。

從國家對(duì)人才培養(yǎng)的需求及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)來看，將思政元素融入課堂、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科人才培養(yǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是智能時(shí)代背景下實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。本研究強(qiáng)調(diào)了在礦物巖石學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用在線互動(dòng)學(xué)習(xí)資源的必要性和益處，對(duì)提高教材的靈活性、包容性和可獲得性具有積極意義。當(dāng)一些不可抗力導(dǎo)致線上學(xué)習(xí)不可避免時(shí)，這種混合式教學(xué)方法則更具有突出優(yōu)勢(shì)。另外，本研究中使用的教學(xué)改革方法和平臺(tái)可適用于其他學(xué)科領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。