礦物巖石實驗教學改革及展望

劉小洪，馮明友，郗愛華，陳 曦

西南石油大學 地球科學與技術(shù)學院, 四川 成都 610500

培養(yǎng)適應21 世紀要求的基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強、素質(zhì)高、具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的社會主義建設者和接班人，實驗與實踐教學具有獨特而不可替代的重要作用。西南石油大學礦物與巖石教學團隊秉承“以基礎(chǔ)實驗為本位、以石油天然氣為特色、以學生綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標”的實驗教學理念，積極開展實驗教學改革，并取得了一系列成果。如今，互聯(lián)網(wǎng)作為傳播信息的新媒體，越來越多地成為當代大學生獲取知識和信息的新途徑，對廣大大學生的學習、生活乃至思想觀念產(chǎn)生著廣泛而又深刻的影響。網(wǎng)絡信息技術(shù)飛速發(fā)展，學科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物—虛擬仿真實驗教學應運而生，給傳統(tǒng)專業(yè)實驗教學帶來機遇與挑戰(zhàn)。

一、 礦物巖石實驗教學改革歷程及存在問題

西南石油大學創(chuàng)建于1958年，是新中國成立的第二所石油本科院校，資源勘查工程專業(yè)（原石油地質(zhì)專業(yè)）是學校建校伊始的三個專業(yè)之一。礦物巖石學系列課程是該專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，為后繼的專業(yè)課程學習和今后工作奠定基礎(chǔ)。

20世紀90年代初，西南石油大學為配合國家高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程的要求，滿足石油地質(zhì)勘查對基礎(chǔ)地質(zhì)知識的需求，進行了一系列的改革措施，將傳統(tǒng)地質(zhì)院校的結(jié)晶學與礦物學、巖漿巖石學和變質(zhì)巖石學等3 部分基礎(chǔ)學科整合為“礦物巖石學”1 門主干課程，為了突顯顯微鏡下鑒定的重要性，加強學生顯微鏡下綜合鑒定礦物和巖石的實踐操作能力，將顯微鏡下教學從相關(guān)課程中移出來，單獨設置“巖礦實驗”課程，以幫助學生理解和深化理論課程內(nèi)容，培養(yǎng)學生綜合學習和獨立解決問題的能力[1-3]。通過幾代教師的不懈努力，分別于2008年、2009年建成了“礦物巖石學”四川省精品課程以及“礦物與巖石”國家級教學團隊。2012年新增地質(zhì)學本科專業(yè)，實現(xiàn)第一批招生60人，目前已成功招生3屆。

礦物巖石學系列課程的基本理論是晶體的結(jié)構(gòu)、晶體化學以及光學基礎(chǔ)知識，由于涉及物理、化學等方面，基礎(chǔ)知識較多且概念抽象，以往教師借助于有限的木質(zhì)或有機玻璃模型、紙質(zhì)掛圖以及在黑板上繪圖來實現(xiàn)相應的教學任務，學生通過模型分析、肉眼及在顯微鏡下鑒定礦物巖石的方法完成相應實驗，教師一對一對學生進行輔助教學。伴隨著課程的改革，先后引入“多媒體電子教學系統(tǒng)”、“多媒體數(shù)碼教學系統(tǒng)”、“多媒體互動顯微教學系統(tǒng)”輔助教學，將礦物巖石宏觀、微觀現(xiàn)象通過大屏幕直接顯示出來，供全實驗班組人員同時觀察，收到良好的教學效果[3-5]。在2010年、2012年、2014年連續(xù)三屆全國大學生地質(zhì)技能競賽上，我校學生在巖礦鑒定這一環(huán)節(jié)均取得了較好的成績。

2014年，為了符合工程教育專業(yè)認證標準，培養(yǎng)適應中國特色社會主義現(xiàn)代化建設以及我國石油工業(yè)需要的油氣地質(zhì)工程專業(yè)人才，在2014級資源勘查工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中增開了油氣勘探類工程實踐課程，同時將結(jié)晶學與礦物學部分從“礦物巖石學”課程中抽離出來單獨設課，將巖漿巖、變質(zhì)巖部分課程更名為“普通巖石學”。為了使高年級學生有更多的時間接受第二課堂教育、工程實踐教育等，該門基礎(chǔ)課程開設的時間也由原來的第四學期逐漸提前至第二學期，并減少了部分理論學時，而以偏光顯微鏡使用為主的巖礦實驗課程仍單獨開設。

從學生參加地質(zhì)技能競賽選拔及各就業(yè)單位反饋的信息來看，學生雖然在大一、大二時期在校系統(tǒng)學習了礦物巖石基本理論，掌握了一些基本技能，但由于理論知識記憶不夠深刻，實踐經(jīng)驗相對不足，加之實際情況的復雜多變，一時難以完全勝任實際工作，需要再進行系統(tǒng)培訓。

一方面是理論課時的壓縮，另一方面互聯(lián)網(wǎng)的普及造就了學生獲取新知識途徑的增加，二者看似并無矛盾之處，但地質(zhì)類學科類似老中醫(yī)學科，礦物巖石鑒定更是需要豐富的經(jīng)驗，不能光看不練，但也不能循規(guī)守舊。如何探索出一條適合油氣勘探類學生實驗教學的改革之路，切實提升學生實際應用能力，成為當前教學改革急需解決的問題。

二、推進教學改革與創(chuàng)新的新途徑—虛擬仿真實驗教學

1.虛擬仿真實驗教學內(nèi)涵及特征

2013年教育部虛擬仿真實驗教學師范中心建設工作的啟動為礦物巖石系列課程的實驗教學改革之路帶來了契機。該項工作以全面提高高校學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，推進實驗教學信息化建設和實驗教學資源的開放共享，推動高等學校實驗教學改革與創(chuàng)新[6-7]。強調(diào)虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能。同時，文件明確了虛擬仿真實驗教學最重要的技術(shù)特征：即要利用信息化的重要技術(shù)，如虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等[7]。

2.虛擬仿真礦物巖石實驗教學存在的問題

早在2006年，邱隆偉就對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在地學類課程教學中的應用前景進行了展望。同時也提到了地學類課程巖礦標本及模型多的特點，在對該部分內(nèi)容的展望中主要限于利用計算機技術(shù)進行教學內(nèi)容的展示、教學課件的編制以及虛擬教學環(huán)境的建立，如虛擬現(xiàn)實資料庫、課堂、實驗、博物館等[8]。

經(jīng)過多年的建設，目前已建成中國數(shù)字地質(zhì)博物館礦物巖石虛擬展廳，觀眾在欣賞各種精美奇特的礦物巖石展品時，通過交互式展覽和虛擬展出部分，可參與對一些礦物巖石展品的探索性操作，獲得相關(guān)知識。2012年，由中國地質(zhì)博物館、中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所、中科院古脊椎動物與古人類研究所、吉林大學博物館、中科院南京地質(zhì)古生物研究所、中國地質(zhì)大學（武漢）等六家單位合作完成的國家?guī)r礦化石標本資源共享平臺正式啟用，其中巖礦標本含有中國典型礦物、巖石、礦石及部分國外巖礦標本（薄片）等實物及測試資料數(shù)據(jù)資源，用戶可分類進行可視化查詢，成為專業(yè)教學、科研及科普基地。百度百科、維基百科、互動百科等對礦物巖石相關(guān)概念、特征、成因及用途等也有較為詳細的闡述。此外，中國礦物網(wǎng)、中國新石器網(wǎng)等也發(fā)布有礦物百科信息以及礦物（特別是寶石級礦物）圖片資料。

以上網(wǎng)站主要提供礦物巖石手標本圖片，針對顯微鏡下鑒定特征較少，僅有少數(shù)地質(zhì)工作者在其博客中發(fā)布一些礦物巖石顯微鏡下圖片信息。由地質(zhì)出版社出版的地質(zhì)調(diào)查工作方法指導手冊系列鑒定手冊共六冊，每冊除理論方法外，還附有高清晰度彩色圖片，其中的《透明礦物薄片鑒定手冊》、《金屬礦物顯微鏡鑒定手冊》、《火成巖鑒定手冊》、《變質(zhì)巖鑒定手冊》、《顯微變形構(gòu)造識別手冊》，對剛出校門的年輕人及老地質(zhì)工作者提高巖礦鑒定水平都有很大的參考價值。

作為有一定基礎(chǔ)的高校畢業(yè)生的專業(yè)知識提高、科研或科普教育素材，上述網(wǎng)站及手冊完全可以滿足不同需求的人們的需要。但是作為專業(yè)基礎(chǔ)教學來講，則存在缺乏系統(tǒng)知識體系、專業(yè)強化訓練，學生致力于眼觀而記憶不夠深刻等諸多問題。

因此，傳統(tǒng)觀點認為虛擬仿真實驗只是單純地將原本需要學生動手完成的實驗全部變成靜態(tài)或動態(tài)圖片，學生只需在電腦上動動鼠標用眼睛看看就可以了，這樣不僅達不到真實實驗效果，更無法體現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，其教學效果必然大打折扣。

3.虛擬仿真礦物巖石實驗教學解決途徑

虛擬仿真礦物巖石實驗教學應建立在傳統(tǒng)的實驗教學手段及方法基礎(chǔ)上，包括結(jié)晶學部分晶體模型分析，晶體光學部分顯微鏡實驗操作，礦物學、巖石學部分手標本鑒定及顯微鏡下鑒定等（圖1）。結(jié)晶學部分實驗難度大但可操作性強，可借助一些通用3D繪圖軟件，提前繪制好實驗教學用模型3D圖像，學生通過安裝軟件，在電腦上即可完成晶體模型的對稱操作、晶體的單形及聚形分析、晶體定向操作及目估晶面符號等實驗項目操作，圖2為在計算機上利用Cabri_3D軟件進行礦物晶體的對稱操作界面，該項改革措施可解決該部分實驗課堂耗時量大、實驗效果不佳的現(xiàn)狀。

晶體光學部分則可提前錄制好在顯微鏡不同光學系統(tǒng)下礦物的特征，利用計算機建立虛擬顯微鏡操作面板，學生利用電腦按照操作流程進行實際操作，帶給學生實際利用顯微鏡觀察礦物光學現(xiàn)象的感受[9]。從而達到幫助學生了解透明礦物的基本光學性質(zhì)，了解在單偏光、正交光以及錐光下礦物光學特征的觀察與測定的目的（圖3）。

圖1 虛擬仿真礦物巖石實驗教學框架圖

圖2 利用Cabri_3D軟件進行晶體對稱操作的界面

圖3 顯微鏡的使用數(shù)字仿真實驗軟件（據(jù)VCM仿真天地網(wǎng)）

礦物學、巖石學部分涉及礦物種類較多、巖石類型較復雜，建立一套教學用、宏觀微觀相結(jié)合的實物標本數(shù)字化標準陳列庫是首要任務。實物標本的來源可通過專項經(jīng)費購買、野外實地采集、自己磨制以及社會捐贈的方式獲取。為避免重復建設，還可充分利用網(wǎng)絡技術(shù)手段，廣泛收集網(wǎng)絡資源，并結(jié)合現(xiàn)有資源進行深加工，完成基于標準化分類、查詢的礦物巖石標本數(shù)字化陳列庫。

在虛擬仿真礦物巖石實驗教學實現(xiàn)方面，中國新石器網(wǎng)新上線的自主礦物鑒定系統(tǒng)是一個不錯的嘗試，系統(tǒng)按照礦物鑒定流程依次給出不同的選項供參與者選擇，選定后進入下一個環(huán)節(jié)，在逐層點擊的過程中，學生的思維也得到啟發(fā)，最后完成整個礦物的鑒定并得出正確答案，其流程圖如圖4所示。我們在對礦物巖石標本虛擬教學實現(xiàn)過程中也可參考這一種方式，同時加入成因分析環(huán)節(jié)幫助學生理解記憶。此外，還可增加一些觀賞性強的與礦物巖石形成有關(guān)的譬如巖漿活動、構(gòu)造運動等地質(zhì)作用模擬動畫，以及可操作性強的譬如在不同溫度 、成分、粘度、密度、酸堿度和濃度溶液中礦物晶體的生長過程等實驗項目，幫助學生理解礦物巖石的形成過程。

上述過程的實現(xiàn)，不僅能夠極大地豐富和深化相關(guān)專業(yè)的實踐教學內(nèi)容，使學生對知識的理解更加深刻、更加牢固，還能夠開拓學生的學習視野，提高學生的學習興趣，為學生自主學習、互動學習、創(chuàng)新學習提供資源和平臺，為復合型人才的培養(yǎng)創(chuàng)造條件。

圖4 自主礦物鑒定系統(tǒng)流程圖（據(jù)中國新石器網(wǎng)修改）

三、 結(jié)束語

礦物巖石實驗教學承擔著培養(yǎng)我國石油工業(yè)需要的技能型高級專門人才的重大任務，虛擬仿真實驗教學是推進教學改革與創(chuàng)新的新途徑，對于提高專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學水平，提升學生競爭力有積極的促進作用。

虛擬仿真礦物巖石實驗教學將現(xiàn)代化手段與傳統(tǒng)的教學手段較好地結(jié)合在一起，有效地激發(fā)學生學習的主動性，從而提高學生的學習能力和教學效果；同時可為巖礦鑒定人員、地質(zhì)科研人員等提供廣泛的參考資料，從而達到優(yōu)質(zhì)實驗教學資源開放共享的目的。

[1]趙敬松，鄭家鳳，張帆，等.沉積學及巖礦實驗教學改革[J].石油教育，1996，50（7）：18-19.

[2]劉小洪，唐洪明，廖明光.巖礦實驗教學改革與實踐[J].長江師范大學學報，2011（6）：106-108.

[3]郗愛華，唐洪明，劉小洪，等.石油院?！暗V物巖石學”精品課程建設與改革[J].中國地質(zhì)教育，2012，21（3）：23-25.

[4]杜后發(fā)，江琴，劉軍港，等.《晶體光學實驗教程》多媒體CAI軟件的設計和制作[J].中國地質(zhì)教育，2010，19（3）：74-77.

[5]謝慶賓，季漢成，朱筱敏，等.晶體光學與礦物巖石學教學改革與實踐[J].高等理科教育，2007（32）：109-111.

[6]徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結(jié)及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014，33（8）：1-5，25.

[7]王衛(wèi)國．虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[8]邱隆偉.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在地學類課程教學中的應用[J].中國地質(zhì)教育，2006，15（2）：61-64.

[9]郭芳銘，李俊，楊剛，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子顯微鏡操作模擬中的應用[J].電子顯微學報，2014，33（3）：257-263.