分組測試和討論的晶體光學實驗課堂教學

于紅

摘? 要：晶體光學是一門很重要的地質學基礎課，由于課程內容抽象難理解、連續性強，學生對這門課程的掌握程度并不理想。該文以普通角閃石的系統鑒定實驗課為例，闡述以課前小測試、分組觀察討論和任課教師演示總結模式的實驗課堂教學。課前測試和針對性的提問深化學生對知識點的記憶并方便任課教師快速掌握學生的學習情況。分組觀察和討論增加學生的活躍度和參與度，能夠營造良好的課堂氛圍。教師示范總結進一步鞏固課堂所學知識。學生的滿意度、成績和課程評價明顯提高，為其他地質課程奠定扎實基礎的同時，也培養學生對地質學的興趣愛好。

關鍵詞：晶體光學；課前測試；分組討論；實驗課堂；教學評價

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）21-0086-05

Abstract： Crystal Optics is a very important basic geological course. Students' mastering of knowledge is relatively low because that the content of crystal optics is abstract and strong continuity. This paper expatiates the experimental curriculum of Crystal Optics including pre-test， subgroup observation and discussion， and teacher's demonstration and summary. Pre-test and targeted questions are helpful not only for deepening the memory of the knowledge of students， teachers can understand student's learning situation quickly. Subgroup observation and discussion is helpful to improve student activity and participation， creating good at mosphere in the classroom. The knowledge has been further consolidated by demonstration and summary. Satisfaction， performance and curriculum evaluation of students show they have reached higher level. This experimental curriculum lay a strong foundation for other geological courses and improved students' interest in scientific research.

Keywords： Crystal Optics; pre-test; group discussion; experimental curriculum;Teaching evaluation

晶體光學是研究礦物晶體的一門科學，是研究和鑒定礦物和巖石的基礎。該課程的立體概念和實踐性較強，既是一門方法課，又是一門理論聯系實踐很強的學科[1]。學好晶體光學，學會偏光顯微鏡的使用，能夠利用其進行透明礦物的鑒定，是進行寶石鑒定、研究礦物成分及探討巖石成因不可或缺的技能。而且，晶體光學在冶金、建材、化工、醫藥、農業和陶瓷等領域也有廣泛的應用。晶體光學的教學目標為：使學生全面、系統地掌握《晶體光學與造巖礦物》的基礎理論和基本方法，學會正確運用偏光顯微鏡系統地鑒定礦物、巖石及材料等，為后續專業課程巖石學、礦床學、地球化學等學習奠定堅實基礎。但在本科教學和研究生培養過程中發現，很多學生對晶體光學課程的學習程度并不理想，知識點掌握得不扎實，以至于不能利用晶體光學中學到的理論知識和實踐方法對礦物進行準確地鑒定，進而為之后的本科專業課程和研究生階段的科學研究提供有力的幫助。中國地質大學（北京）在大學二年級秋季開始進行晶體光學課程教學，教學分為理論教學和實踐教學。相比理論課程，學生往往對實驗課程更感興趣。并且在實驗教學過程中也更容易調動學生學習的積極性，提高學習質量。高等教育本科教學改革也越來越深化和重視學生實踐能力和創新思維的培養。因此，晶體光學這門課程的實驗課堂教學設計尤為重要。本文中的實驗課堂設計以課堂小測試、分組觀察討論和教師演示總結的形式進行，目的在于活躍課堂氛圍、激發學生學習動力、提高學習的主動性，并引導和激發學生對地質專業的興趣愛好，進而滿足地球科學發展和國家資源環境、地質災害等相關領域對地質人才的需求。

一? 晶體光學教學現狀和存在問題

中國地質大學（北京）晶體光學課程共包括32學時，其中講課為6章，合計授課14學時；與上課內容配套的實習9次，合計18學時。課程教學主要使用多媒體教學方式，基本內容包括：①晶體光學基礎。晶體光學課程的特點與研究方法；光的性質，自然光和偏光，光的反射與折射，光在均質體和非均質體中的傳播，光率體，光性方位等。②偏光顯微鏡的構造。偏光顯微鏡的構造、使用方法；巖石與礦物薄片制備方法。③單偏光鏡下的晶體光學性質。單偏光鏡裝置及特點，礦物的形態、解理、顏色、多色性、吸收性、邊緣、貝克線、糙面、突起和折射率色散等。④正交偏光鏡下的晶體光學性質。正交偏光鏡裝置及特點，礦片的消光，干涉原理和光程差，干涉色及其成因，干涉色級序和色譜表，補色法則與補色器，光率體橢圓半徑和名稱的測定，干涉色級序的測定（楔形邊法、試板法），雙折率的測定，消光類型和消光角的測定，延性符號的測定和雙晶的觀察等。⑤錐光鏡下的晶體光學性質。錐光鏡裝置及特點，一軸晶和二軸晶干涉圖特征、成因及其應用等。⑥常見造巖礦物的特征。包括橄欖石類、輝石類、角閃石類、云母類、長石類和石英等常見礦物的特征。其中③—⑥各配有相應的兩次實驗課。另加兩節實驗課程，未知造巖礦物鑒定：屬于綜合性實驗，綜合運用晶體光學知識和觀察方法，選取以上實驗觀察的各類礦物中的主要類型，進行未知礦物的鑒定。斜長石的成分鑒定：垂直（010）晶帶最大消光角法和卡鈉復合雙晶發，具體內容見表1。學習成績考核包括平時作業（10%）、實驗報告（40%）和期末考試成績（50%）綜合評價。期末考試為閉卷形式。

根據這些教學內容可以發現，晶體光學目前的教學內容很多，但是學時卻很少。

1）這門課程連續性非常強，例如偏光顯微鏡原理和結構沒有完全掌握，直接影響到礦物在單偏光鏡下和正交偏光下的觀察，而單偏光和正交偏光下的光學性質沒有扎實基礎，又會影響難度較大的錐光下的光學性質學習，最后導致對造巖礦物的綜合鑒定能力不足。因此，如何在有限的課時下，讓學生熟練掌握顯微鏡的使用、記住不同礦物的光學性質，并能夠利用偏光顯微鏡進行礦物的鑒定是教師面臨的重要問題。

2）理論課堂上學生的積極性不夠，學習不夠主動，很多學生課前不預習，知識點記憶不牢固，導致越往后學生對課程的理解越難，考試分數也相對較低。所以，如何加強學生記憶、激發學生學習興趣、合理推進教學進程并保障和提升課堂教學質量是教師需要思考的問題。

3）以前的晶體光學理論課在教室進行，先上理論課，再進行實驗課教學。目前理論課和實驗課都放在了實驗室進行，理論課之后便進行相應的實驗課實習，這是一個很好的改進，通過實驗教學直接鞏固理論知識。目前每個實驗室配有40臺顯微鏡，一個班級大約有32個學生，保證了人手一臺顯微鏡。問題是在實驗課進行礦物觀察時，教師無法同時掌握每個學生的鏡下觀察情況。這需要任課教師不斷地在實驗室走動并隨時詢問和回答學生的問題。很多時候需要學生讓出顯微鏡供教師觀察進而解答問題，這樣極大地浪費了課堂時間，也導致學生不能按照要求完成對指定薄片和礦物的觀察。有限的課堂時間內不能完成實驗報告冊的內容，甚至還有抄襲的現象。從教學內容安排上可以看出晶體光學這門課程是以實驗課為主。相對于理論課，學生在實驗課上的參與積極性和主動性明顯更好，這也更加說明了實驗課堂教學的重要性。

二? 實驗課堂設計

（一）? 課前小測試，鞏固實驗課堂涉及到的理論知識

學生課前不預習往往會忘掉和模糊實驗課中涉及到的相關理論知識，而針對性的測試和提問會喚醒和深化學生的記憶。在完成單偏光、正交偏光和錐光鏡下的晶體光學特征觀察之后要進行一節普通角閃石系統鑒定的實驗課程。如果讓學生直接對薄片中的角閃石進行觀察，學生可能感覺無從下手。可以先進行如下課堂測試：普通角閃石，單斜晶系，沿C軸方向延長，在其（010）面上測得折射率為1.701和1.691，在（011）面上測得折射率為1.691和1.665，角閃石的Ng=1.701，Nm=1.691，Np=1.665，多色性公式：Ng=深綠色，Nm=綠色，Np=淺黃綠色。突起等級：正高。最大雙折率：0.036。最高干涉色級序：Ⅱ級。∥（010）柱狀切面的解理數為1組，消光類型為斜消光，∥（001）近六邊形切面解理數為2組，消光類型為對稱消光。軸性：二。光性符號：負。光性方位：Ng∥c軸，Nm∥b軸，Np∥a軸（橫線上為學生需要寫出的答案，普通角閃石的光性方位和不同切面消光類型如圖1所示）。這道題綜合性很強，既考驗了學生對礦物光性基本原理的理解程度，又深化了學生在之前理論課和實驗課中對普通角閃石的記憶。該課堂小測試涉及到的知識點從易到難、逐漸引導，暗示學生鑒定角閃石光性特征的順序：先在單偏光下觀察到明顯的多色性變化和突起等級，其次在正交偏光觀察角閃石的干涉色和消光類型。最后進一步考察角閃石的光性方位。這樣循序漸進能夠使學生掌握普通角閃石（其他透明礦物）的鑒定順序，在鑒定礦物方法上得到質的飛躍。在進行課堂測試時，按照座位分布情況將學生分成3～4人的小組。首先要求各組內成員自行完成課前小測試；然后，小組內核對彼此答案并進行討論，最后；確定一份或者兩份（答案不統一）答案上交。這樣既復習了理論課的知識點，又加強了同小組成員之間的交流互助和合作學習，也方便了任課教師快速掌握學生的學習情況。

（二）? 針對性的提問、觀察和分組討論

課堂提問是大學課堂教學的一個重要環節。通過提問能夠培養學生的自主學習能力、激發學習興趣、活躍課堂氣氛進而提高學習效率。在教學過程中要搞清楚為什么設問，目的和作用是什么，同時要注意提問的技巧和方法。課堂提問應先易后難，具有啟發式的提問[2]，既要涉及到相關的理論知識，又要有助于本節實驗課的觀察。在之前的課堂測試中，由于3～4個學生上交1～2份答案，所以任課教師能夠快速地瀏覽測試情況并了解學生對知識點的掌握程度。在實驗課堂中依據不同小組的測試情況來設問、調整問題難度、因材施教。加深學生對所學知識的牢固掌握。還是以普通角閃石的鑒定為例，可以依次提出以下問題。①角閃石是否具有多色性、有無解理，這兩個問題在之前的實驗課均有涉及到，學生基本不會答錯。②角閃石有三個折射率，所以是二軸性（這時需要著重強調Ng>Nm>Np）。③怎么確定光性（強調Ng-Nm>Nm-Np為正光性，此時Bxa=Ng；反之為負，Ng-Nm

（三）? 教師示范總結

根據學生的完成程度，在實驗課的后半節任課教師將典型的光學現象通過顯微鏡與電腦相連，并投影在大屏幕上向學生講解和示范。在薄片中找出普通角閃石不同類型光率體切面。結合不同切面的特征講解課堂測試和實驗報告中涉及到的知識點，著重講解出現錯誤較多的地方。在這一過程中，學生能夠加強知識點的掌握，并能夠意識到課前測試和實際觀察中的錯誤，進而提高對普通角閃石的鑒定能力。在教學過程中發現，很多學生課堂表現很好但是考試成績并不好的根本原因是課后不看書，所以課后學習非常重要。課程需要布置一些習題或者作業，要求學生獨立完成。課后作業應難易兼顧，避免學生因為太簡單而不思考或因為太難而放棄思考的情況。

晶體光學這門課程的基本概念和原理比較抽象不好理解。利用課堂測試、觀察討論和總結的授課方式能夠使其形象化，幫助學生理解。課堂測試能夠讓學生對知識點記憶深刻，也能夠幫助任課教師及時了解學生的掌握程度。課堂的分組觀察和討論能夠營造同學們相互交流和學習合作的課堂氛圍。在任課老師的啟發和引導、示范和講解下，學生能夠很好完成課堂任務。課后作業能夠進一步使學生主動地學習和思考，鞏固所學知識。該實驗課教學課程設計能夠培養學生對晶體光學這門課程的學習興趣，提高教學質量，培養學生對地質工作的探索精神。

三? 實驗課教學建議

（一）? 課前做好充分準備

晶體光學的概念多，較抽象，如何在有限的時間內完成規定的教學內容需要任課教師積極備課，做足功課和準備。晶體光學除了“光學”內容還有“礦物學”的內容。任課教師要能夠從這些知識中精煉出主要內容，凝練成文字表述，抓住關鍵，深入淺出。對于難理解的地方還要多借助模型進行講解。實驗課前的準備也同樣重要，包括實驗教學課件和巖石薄片的選擇。實驗教學課件要凝練知識點，避免和理論課重復。相同礦物在不同的巖石類型中的形態可能完全不同，加上不同切面的光學性質也會出現差異，所以要選擇適合本次實驗課堂的薄片中某種礦物進行使用和觀察。所以，必須要對實驗薄片精挑細選、合理安排。

（二）? 增加實驗課時，建立顯微數碼互動實驗系統

雖然從教學大綱上看教學實踐已經得到了充分重視，但是從實驗課教學內容上看還是有待增加課時。單次實驗課中過多的內容導致老師無法深入講解和示范，學生不能完全地理解和掌握。此外，晶體光學是一門方法學，是為地質類專業課和地質工作服務的。教學過程中可能忽略了地質工作的系統性和完整性。在晶體光學教學中發現同學們不僅對鑒定礦物感興趣，還對這種礦物是怎么形成的、在巖石薄片中的形態以及這類巖石的成因感興趣。因此，可以增加一節野外采樣到室內制作薄片過程的實習課，進一步理解晶體光學的重要性。學生們多見多識，把不同專業課的知識串聯起來，才能提高鑒別巖石和礦物的能力，激發對地質科學的興趣。目前，有些高校已經建立了配有顯微數碼互動實驗系統的實驗室。教師通過教師端軟件可以實時觀察到所有學生端的偏光顯微鏡圖像[4]，隨時掌握學生的學習進程，發現問題并準確指導。學生也能夠借助該系統時即時向任課教師提問，這大大減少了實驗課堂的時間浪費，實現師生間雙向交流，提高了教學質量。

（三）? 加強精品課程建設

精品課程建設是新形勢下提高教學質量的重要方法[5]。尤其是新冠感染疫情的影響，很多高校選擇網絡授課，對習慣于坐在教室聽課的學生來說網絡授課的效果并不好。這就要求線上教學平臺上有更多、更好的精品課程，使學生能夠及時聽，反復聽。老師也能夠彼此學習，不斷改進教學方法獲得豐富的教學經驗。線上線下多種方法并用，最終使學生掌握晶體光學透明礦物鑒定方法這項地質工作者必備的技能。最后，教師要做到為人師表，教書育人，必須不斷地完善和充實自己，教學過程中不斷探索和提高，才能適應新形勢對教學工作的要求，為我國地學高等教育事業的發展做出新的貢獻。

參考文獻：

[1] 林培英.晶體光學與造巖礦物[M].北京：地質出版社，2015.

[2] 趙晷湘.大學課堂提問設計應注意的四個問題[J].廣東農工商職業技術學院學報，2010，26（4）：38-40.

[3] 王鳴野.大學課堂師生交流中的幾個問題[J].現代交際，2019（7）：194-195.

[4] 陳艷.巖石學和晶體光學實驗課教學新模式探討——顯微數碼互動實驗室的應用[J].中國地質教育，2015，24（4）：27-30.

[5] 李旭平，房慶華，樊愛萍.打造“晶體光學與光性礦物學”精品課程[J].中國地質教育，2009，18（3）：83-86.