多維融合的造巖礦物學課程教學創新與實踐

李 壯，劉小平，王俊輝，牛花朋，朱世發，高麗明

（中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249）

0 引言

“造巖礦物學”是地質類專業基礎必修課，是培養學生運用地質思維“發現、提出、分析、解決”問題的能力和創新能力，為后續巖石學、構造地質學、儲層地質學等本科生和研究生課程學習提供堅實的理論和實踐基礎［1-7］。我校礦物巖石教學團隊經過多年不懈努力，結合專業培養特點，創新教學方法和講授內容［8-11］，努力提高課堂教學質量，逐步形成“造巖礦物學”課程特色，教學效果逐年提升，實現了學生從“被迫學”→“主動學”→“勤于學”→“精于學”的學習態度轉變，實則就是為課堂教學“去痛”的過程，“痛點”主要體現在“教”與“學”兩個方面。

1 課堂教學“痛點”

1.1 “教”的問題

從教師“教”的層面分析，存在以下三方面“協調與融合”問題：①世界范圍內礦物資源相關的新領域、新理論、新技術、新方法等不斷涌現，要求“造巖礦物學”主講教師在教學上與時俱進，及時更新教學內容以適應時代要求。更新過程并非是對以往教學內容的全盤否定，需要處理好課程思政與專業教育之間的協調與融合問題、傳統經典知識傳承與新理論新技術更新之間的協調與融合問題［9，12］。②隨著高等教育教學改革不斷向縱深推進，有效教學設計（BOPPPS）、基于設計的研究（DBR）、以問題為導向（PBL）、翻轉課堂、探究式、案例式等教學新方法、新模式受到廣大師生的青睞，但在教學過程中并非新模式運用越多教學效果越好，需要將教學新方法與造巖礦物學“講授式”傳統教學方法進行合理的協調與融合才能達到事半功倍的效果［13-14］。③教學資源及教學組織上，如何將線上慕課等教學資源與線下課堂授課和虛擬與現實在時間、內容上進行有機協調與融合，以彌補線下課堂學時數少，最大程度發揮線上線下教學資源的優勢，值得深入探究［1］。

1.2 “學”的問題

從學生“學”的層面分析，學生在“造巖礦物學”課程學習過程中存在以下“三低與三不足”問題，制約了課程教學效果：①“造巖礦物學”是研究組成巖石的礦物的一門課程，巖石是儲存油氣和金屬及非金屬礦產的主要載體。近年來，在低油價和碳達峰、碳中和背景下，一些學生對地質類專業前景認識產生誤區，認為礦物、巖石和相關油氣等資源勘探是夕陽產業，專業認同感較低，對課程學習目的不明確，缺乏學習興趣，學習積極性和主動性嚴重不足［9］。②地質學專業大一學生雖然完成地質學導論、普通地質學、野外地質實習等基礎課程的學習，但專業知識面還較窄，知識積累不足，而且專業知識在學生大腦中呈碎片化，其相互關聯性尚不清晰，未形成礦物學的系統知識結構，更不知道在礦物資源勘探實踐中如何應用，即專業知識結構化程度低，實踐應用能力不足［15］。③“造巖礦物學”是一門實踐性很強的課程，需要多工種、多學科協同聯動，優秀的礦物學研究者需要具備很強的哲學思維能力，以往學習過程中，學生多停留在知識的記憶和理解層面，創造性高階能力的培養和訓練嚴重不足［9］。

2 創新理念及思路

針對“教”和“學”兩個層面存在的突出問題，基于建構主義教學觀，秉承以學生發展為中心和以學生產出為導向的理念，堅持問題導向和目標導向相結合，從課程教學目標重建、教學內容重構、教學方法創新、教學資源創設、課程思政融入、教學評價革新等多維度對“造巖礦物學”課程教學全過程進行創新與實踐，構建可推廣、可復制的“多維一體”線上線下混合式教學體系，以增強學生專業認同感、激發學生學習興趣、提升學生自主學習能力、培養學生礦物學研究哲學思維，鍛造學生分析、評價和創造的高階能力：①家國情懷引領、提高專業認同、塑造礦物學的科學觀。資源行業是關乎國計民生的龍頭，其意義之大毋庸置疑。通過課程思政融入，加強課程科學性和趣味性，助力塑造學生正確的三觀和培養學生學習興趣。②BOPPPS 與翻轉課堂變“被動接受”為“主動構建”。實現“以學生為中心，厚基礎，重實踐，強能力”，把問題拋給學生，學生自主預習、調研，通過翻轉課堂輸出，形成學生眼動、手動、腦動的多維度學習教學新模式，改變“被動接受”式的教學狀況。③強化“實驗—實踐—實訓”、實現探究性學習。鞏固相關理論學習，突出教學活動中的實踐環節，鍛煉學生動手能力，促進新舊經驗結構的有效整合，重塑新的認知結構。基于發現學習法的基本要求，組織室內實驗和野外剖面實踐教學，使學生所學有的放矢，提高學生的專業認同感和成就感［16］；④豐富線上教學資源，打造生動和有吸引力的虛擬仿真資源。教學創新以線上資源為支撐，進一步固化知識體系，打破了時間、空間、內容的局限，使學生隨時隨地都可以進行課前預習、課堂學習、課后復習，最大程度滿足了學生多樣化的教育需求，為BOPPPS 教學、翻轉課堂、探究性學習提供方便，將學生的創新成果納入教學內容，促進教學迭代優化，實現教與學充分有效的互動反饋，打造優質高效教學閉環。

3 創新方案及舉措

3.1 “被迫學”→“主動學”

將BOPPPS教學模式與線上線下混合式教學模式進行深度融合。BOPPPS 課堂教學過程分為以下前后銜接的六個階段：①導入（bridge-in），結合當前國內外礦物學研究熱點，融入課程思政，導入所學章節內容，提高學生的專業興趣與學習積極性；②學習目標（objective）介紹，讓學生明確課堂學習的知識、能力、素質目標；③前測（pre-assessment），雨課堂隨堂測試，檢驗學生課前慕課學習效果；④參與式學習（participatory learning），利用智慧教學工具展開各種課堂活動，如翻轉課堂、分組討論、案例分析、雨課堂測試等，讓學生深度參與課堂教學活動；⑤后測（postassessment），通過雨課堂答題、隨機點名問答等形式檢驗學生課堂學習效果；⑥總結（summary），由學生和教師共同完成對課堂講授內容和知識點的回顧與總結，安排下一階段學習任務及課后作業。課堂教學中，翻轉課堂、分組討論、雨課堂測試等與傳統教學模式相結合，課堂氣氛活躍，學生參與度高，同時又保證了教師有足夠時間在重難點知識上給學生進行深度講解。

依托線上慕課和雨課堂平臺進行了線上線下混合式教學改革，主要方法如下：①課前。學生進行線上慕課和雨課堂自學，并完成慕課和雨課堂練習題；教師發放重點、難點知識點調查問卷，了解學生學習情況；依據調查問卷，結合詞云分析，歸納重點、難點知識點。②課中。線下課堂，一是利用雨課堂開展隨堂練習，檢驗學生慕課和雨課堂學習效果；二是通過翻轉課堂形式由學生講解相關知識點；三是針對重點、難點知識點，運用案例式等教學方法給學生進行重點剖析；四是采用探究式教學方法，讓學生進行分組研討，提高學生分析、評價、創造能力。③課后。一是讓學生開展慕課和雨課堂的預習和復習；二是配套造巖礦物學課程設計，對學生進行課程設計部署與設計專項訓練；三是布置課后作業，作業形式包括練習題、實訓、拓展閱讀、撰寫讀書報告、制作匯報PPT（課程中約2 學時研討課，如“礦物能組成哪些巖石”的主題研討課，以學生答辯＋學生提問＋教師評述的模式進行，將學生的創新成果納入教學內容，促進教學迭代優化和打造教學閉環）等多種訓練形式進一步鞏固所學知識，提升學生的能力和素質。學生對慕課和雨課堂學習并不感到冗長乏味，自主學習積極性高，實現學生從“被迫學”→“主動學”的學習態度轉變。

3.2 “主動學”→“勤于學”

對傳統教學內容進行了一定程度的精簡，同時增加了嫦娥5 號月球樣品的礦物學特征及研究進展、中國古代陶器和瓷器的顯微鏡下礦物特征及相關中國優秀的傳統文化研究進展等內容至課堂教學（見圖1），實現高階性、創新性和挑戰度教學內容與傳統教學內容相融合。由于新增內容多處于研究探索階段，尚未形成系統的理論方法體系，同時考慮大一本科生的專業知識基礎，新增內容的授課學時控制在8 學時以下。貫徹理論教學與實踐教學交替進行的方法，建成了“國家級實驗教學示范中心”，擁有了完備的教學手標本和礦片，配套了百臺顯微鏡及軟件教學平臺，夯實了學生的“認”“描”“量”“畫”“析”等基本功。引導學生從實驗室的微觀世界走出去，在宏觀尺度特征上認識礦物、巖石及其形成過程，增加了野外實踐環節，搭建了基于“課堂理論—微觀特征—宏觀表現”的立體化教學環境。為了重演礦物組成巖石的過程，于近年建成了現代化的沉積水槽模擬實驗室等，有力支撐了教學高質量發展。針對傳統教學中“重描述、輕機理，重定性、輕定量”等常見問題，追根溯源深挖延展礦物形成過程的物理原理，引入物理模擬和數值模擬視頻，增加理論教學的直觀性和動態性，建成視頻資料庫與富媒體教材，學生自主學習的積極性進一步提高，實現學生從“主動學”→“勤于學”的學習態度轉變。

3.3 “勤于學”→“精于學”

將課程思政內容融于課堂，引導學生心系國家，將知識與學科實踐聯系起來，助力學生樹立正確的人生觀。圍繞立德樹人根本任務，以教育改革為途徑，以全面提高學生創新能力為突破口，“造巖礦物學”教學過程中實施“課程思政”具有得天獨厚的條件和便利性：①礦物鑒定講解時，除傳統的介紹礦物的鑒定特征外，還提供給學生與礦物相關的典故和成語，也鼓勵學生自主挖掘，師生共建促進教學閉環。扎根中國大地，深入挖掘繼承經典的思政元素，通過引入歷史典故和成語故事，如干戈玉帛、米芾拜石、完璧歸趙等，生動形象，以史為鑒，在情感維度引導學生樹立正確三觀。②打造“軍都山麓好探究，學霸陪伴宜聆聽”活動，邀請優秀的青年學者講述他們的礦物學研究歷程，增強學生的專業自信，讓學生堅信經過幾年的努力，學生也可以成為甚至超越這些優秀的青年學者。③在素養維度上，將哲學、科學精神與教學完美契合，如唯物論與地球物質組成、辯證法與地球不斷變化，實現思政教育與專業教育同向同行，融入晶體光學部分。④探索讀書報告會、參觀博物館等課程思政新模式，推動了專業教學與課程思政實踐教育有機結合。⑤在知識維度上，激活課程與時俱進的思政元素，如綠水青山就是金山銀山、碳中和、碳達峰、珍貴的嫦娥五號月球的礦物樣品（見圖1）等，融入結晶學部分。⑥室內實驗、野外實踐、現場實訓，創設教師和學生近距離接觸的場合，在能力維度上將知識傳授與價值引領有機結合。踐行以學生為中心的教學理念，學生主動參與和實踐檢驗，深刻領悟創新成果的價值，充分發揮課程實踐優勢并融入整個教學設計，使學生成為地質通識教育工作的重要參與者與見證者。

探索課程知識點與思政教育之間的結合方式，依據各章節具體內容“因地制宜”地無縫融合。在面向國家、社會和人民需求、先進人物和故事、造巖礦物學的科學性等方面總結了思政元素，融入各章節中，開展情景融入式的課程思政，達到一種潤物細無聲的境界。學生自主學習積極性提高并且具有愛國情懷和志愿服務精神，實現學生從“勤于學”→“精于學”的學習態度轉變，學生利用課程知識巧用公眾號推進科普信息化，進行科普宣講和志愿服務，以李四光講師團走進中小學等形式，實現線上線下聯動，學生獲優秀志愿者獎和“互聯網＋”大學生創新創業大賽金獎等榮譽。

3.4 綜合性考核

多途徑教學評價，注重過程和能力的綜合性考核。課程考核采用課堂實訓、研討課、線上答辯、野外考察、線上期中考試、期末考試等多樣化考評方法（見圖2），重點考核學生掌握知識、綜合應用知識以及實踐操作的能力。優化考核方式，調整實驗報告批改、增加實驗考核內容、方式和成績權重，加入線上研討課和野外實踐課答辯成績，提高學習的積極性和主動性，克服了學生平時不用功，臨考搞突擊的弊病。組織地質技能大賽，包含鑒定礦物等教學內容，培養學生應用技能和團隊合作精神，提高綜合專業素養。構筑多元化創新型人才高地，培養學生自主學習能力，提升學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，相較于灌輸理論知識更具現實意義，教學實踐表明綜合性考核評價體系能夠科學地評價學生的學習效果。

圖2 綜合性多樣化考核方式

始終以學生為中心開展“造巖礦物學”教學活動，一套完整的教學活動包含13 個環節，實現了教學閉環（見圖3）：課前3 個環節，主要是知識回顧和解決預習測驗中的問題，以提問、線上答題、翻轉課堂的形式實現；課中7 個環節是主體，從案例引入問題、介紹重點、講授過程中適時穿插提問前后知識、以課堂小結串聯知識點、分析和研討典型的案例、學生小組匯報，實現翻轉課堂；課后3 個環節主要是布置開放性的思考題、課后實訓作業及預習研究，以自主學習和網絡學習為主實現有效教學設計。

圖3 13個環節實現教學閉環

4 創新效果及成果

本課程被認定為省部級精品課、省部級高校優質本科生課程和校級優質金課等，主講教師獲得全國青年教師地質課程教學比賽特等獎等榮譽。

4.1 學生的評價

近5 年，本課程學生評教多次位于全校前10%，得到了學生普遍認可。學生評價集中如“老師認真、負責、有耐心，授課方式多樣，深入淺出，重難點突出，關心學生的學習狀況，注重理論聯系實際和能力培養”等。指導20 余項相關的大學生科技創新項目，包括了國家級項目、省部級和校級項目，并完成科技論文。

4.2 學生的學習主動性

融入課程思政的“多維一體”混合式教學改革極大提高了學生對專業的認同感，學生學習積極性和主動性大大提高。學生由原來的基本不主動預習，轉變為現在的課前進行慕課和雨課堂預習，BOPPPS、翻轉課堂、研討式、案例式教學模式極大調動了學生課堂參與度，課堂師生、生生互動成為新常態。線上課堂教師集中講解重點和難點知識，有效地解決了過去課堂教學由于學時數少而導致重點難以突出的矛盾，拓寬了學生學習的深度和廣度。

4.3 學生的高階能力

在課前、課中及課后的全程學習中，學生較以往有更多時間深度參與礦物分析鑒定、綜合評價、課程設計等實訓練習，實踐應用能力大大提升。通過分組研討、讀書報告編寫、多媒體匯報等環節的鍛煉，學生的礦物哲學思維、邏輯思維、創造力等高階能力得到大大提升。大學生地質技能競賽是彰顯學生地質基本功硬實力和提升學校影響力軟實力的平臺，各環節均考查教學內容，檢驗學生礦物巖石的綜合分析能力和團隊合作能力，百余人次榮獲全國大學生地質技能大賽特等獎、一等獎和二等獎等榮譽，教師榮獲科技創新優秀指導教師稱號。

5 結語

針對傳統講授式教學的弊端，基于建構主義教學觀，通過課程思政與專業課融合、線上資源與線下資源融合、BOPPPS教學與翻轉課堂融合、虛擬與現實相融合、理論教育與實踐教育相融合、觀察描述與機理探究融合、線下教學與現代化教學手段融合，提高了學生的專業認同感，重塑了“造巖礦物巖”的科學觀。實現了學生主動式學習、探究式學習的創新教學理念，提高了學生學習的興趣和積極性，變被動為主動，緊扣“價值引領、目標高遠、內容前沿、學生中心、學業挑戰”的指導思想。多維融合的教學理念依據學生的學習情況，在保證基礎內容不丟失的前提下，機理探究的增加實現了課程的“高階性、創新性、挑戰度”，打造了“優質金課”。

·名人名言·

我們一來到世間，社會就會在我們面前樹起了一個巨大的問號，你怎樣度過自己的一生？我從來不把安逸和享樂看作是生活目的本身。

——愛因斯坦