數(shù)碼偏光顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在地學(xué)類學(xué)科中的應(yīng)用與發(fā)展

朱章雄 賴富強(qiáng) 達(dá)雪娟 劉衛(wèi)華 王鑫

摘要：將傳統(tǒng)地學(xué)類學(xué)科中的晶體光學(xué)、礦物巖石學(xué)、古生物學(xué)以及寶玉石鑒定等課程中的單目偏光顯微鏡，升級(jí)換代為數(shù)碼偏光互動(dòng)顯微系統(tǒng)。該系統(tǒng)把現(xiàn)代顯微光學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像、網(wǎng)絡(luò)及軟件系統(tǒng)集成于現(xiàn)代地學(xué)教學(xué)中，能在共享鏡下清晰顯微圖像的同時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音互動(dòng)交流，并且還能實(shí)現(xiàn)鏡下圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)等功能。這種互動(dòng)實(shí)驗(yàn)新模式，使地學(xué)實(shí)驗(yàn)在形式和內(nèi)容上都發(fā)生了根本變化，教學(xué)效果及質(zhì)量得到極大提高。為實(shí)驗(yàn)教改、科研及學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力的提升奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)，為應(yīng)用型人才培養(yǎng)搭建了良好平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：數(shù)碼偏光顯微互動(dòng);地學(xué)類學(xué)科;實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）18-0251-02

晶體光學(xué)與礦物巖石學(xué)是地學(xué)類專業(yè)（資源勘查、地質(zhì)學(xué)等專業(yè)）學(xué)生最早學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是地學(xué)專業(yè)學(xué)生的必修課程，課程不但理論課時(shí)高，還有大量的實(shí)驗(yàn)課時(shí)配套，基本要求是每位學(xué)生都會(huì)用偏光顯微鏡，對(duì)巖礦標(biāo)本進(jìn)行微觀形貌分析;通過(guò)觀察描述各種、礦物晶體及巖石薄片的結(jié)構(gòu)組成、形態(tài)特征，加強(qiáng)理論與實(shí)際的結(jié)合，為后續(xù)《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》等專業(yè)課學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。

地學(xué)專業(yè)的礦巖實(shí)驗(yàn)最常用的儀器設(shè)備是偏光顯微鏡，但由于傳統(tǒng)顯微鏡設(shè)計(jì)是單人單鏡單筒觀察，上課過(guò)程中，每位學(xué)生一臺(tái)，教師也只能一對(duì)一指導(dǎo)，在目前大班教學(xué)過(guò)程中，師生單獨(dú)互動(dòng)交流效率低，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差;隨著數(shù)碼偏光顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的引進(jìn)，礦巖實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)生了根本變化。隨著廈門麥克奧迪公司提供的Motic數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的建成，經(jīng)過(guò)五年多的教學(xué)實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)反饋，教學(xué)過(guò)程發(fā)生改變，整體效果良好，師生廣泛認(rèn)可，且該實(shí)驗(yàn)室因此成為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心下屬分室。

一、數(shù)碼偏光顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本套教學(xué)平臺(tái)由40臺(tái)學(xué)生用數(shù)碼偏光顯微鏡與HP電腦配套聯(lián)機(jī)、1臺(tái)教師用數(shù)碼偏光顯微鏡、MOTIC DIGITAL LAB軟件、MOTICVOICE語(yǔ)音系統(tǒng)、MULTIPIC圖像分析、NEC多媒體高清投影、思科48口交換機(jī)等軟硬件系統(tǒng)配套構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。在做晶體光學(xué)與礦物巖石學(xué)（晶體光學(xué)、礦物學(xué)、巖石學(xué)、古生物與地史學(xué)等）實(shí)驗(yàn)課堂上，任課教師可在教師工作站上實(shí)時(shí)觀察在座學(xué)生的鏡下圖像，而不必像傳統(tǒng)教學(xué)中走到學(xué)生顯微鏡前指導(dǎo)，這樣教師可及時(shí)發(fā)現(xiàn)每位學(xué)生的問(wèn)題，并及時(shí)通過(guò)電腦屏幕控制和語(yǔ)音指導(dǎo)學(xué)生改正。學(xué)生也可在座位上主動(dòng)提問(wèn)請(qǐng)求教師幫助。偏光顯微鏡通過(guò)三目頭高清CCD，把薄片微觀圖像信號(hào)輸出到電腦顯示器及NEC高清投影儀上，通過(guò)這種方式教師可對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行圖像分析和解釋討論，同時(shí)還能進(jìn)行圖像處理、實(shí)時(shí)錄像，進(jìn)而作定量分析與資料備份[1]。

二、數(shù)碼偏光顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室特色及地學(xué)應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)能把實(shí)驗(yàn)圖像、影像、聲音、視頻等教學(xué)媒體方式合為一體，從根本轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使地學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色更鮮明，實(shí)驗(yàn)更高效，形式更有新意，傳統(tǒng)學(xué)科也與時(shí)代結(jié)合，展現(xiàn)新的氣象。

1.數(shù)碼偏光顯微鏡系統(tǒng)。數(shù)碼偏光顯微鏡是模塊化、集成化的現(xiàn)代偏光顯微鏡，其操作使用更方便，圖像顯示更清晰精準(zhǔn)，色彩更逼真，還能通過(guò)高清數(shù)碼CCD攝像實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字切片及傳輸至教師端互動(dòng)，學(xué)生能在配套電腦上實(shí)時(shí)觀察描述所見(jiàn)鏡下薄片，還可同時(shí)作分析測(cè)量，使圖像生動(dòng)形象，從而達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

2.圖像采集及處理系統(tǒng)。數(shù)碼偏光顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室配有一臺(tái)教師用數(shù)碼偏光顯微鏡及配套HP工作站和40臺(tái)學(xué)生用偏光數(shù)碼顯微鏡及40臺(tái)配套電腦及軟件。通過(guò)專業(yè)MOTIC圖形顯卡來(lái)保障高品質(zhì)圖像輸出。Motic Live Imaging Module來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡頭相片的合并、切換，教師機(jī)總共可接入64路畫(huà)面，最多可支持64臺(tái)顯微鏡下畫(huà)面的同時(shí)顯示。所有的控制指令和圖像數(shù)據(jù)都通過(guò)MoticDIGILABⅡ教師端來(lái)傳輸。教師工作站通過(guò)思科交換機(jī)控制學(xué)生端DIGILABⅡ計(jì)算機(jī)的工作方式，實(shí)現(xiàn)不同類型顯微鏡畫(huà)面的顯示。采用MOTIC DIGILABⅡ軟件的圖像色彩、對(duì)比度、數(shù)量、尺寸測(cè)量等功能對(duì)鏡下照片進(jìn)行全方位分析。在地學(xué)類實(shí)驗(yàn)中，因每一塊礦巖薄片標(biāo)本普遍具有的差異性和唯一性，通過(guò)此套系統(tǒng)的使用，讓每位同學(xué)在一次實(shí)驗(yàn)課程中可觀察學(xué)習(xí)的礦巖薄片標(biāo)本都不再局限于手邊的幾塊，外加教師顯微鏡調(diào)用示范演示系統(tǒng)，可通過(guò)全體示范在每個(gè)顯示屏和大屏幕上指出任意一臺(tái)顯微鏡中的任意位置圖像，保證每位同學(xué)都能看到任何一臺(tái)顯微鏡下的畫(huà)面，從而達(dá)到更高效的學(xué)習(xí)與交流。

3.實(shí)時(shí)語(yǔ)音互動(dòng)系統(tǒng)。教師機(jī)與學(xué)生機(jī)都配備高清呼叫應(yīng)答系統(tǒng)，可進(jìn)行全體示范、師生對(duì)講、分組練習(xí)、個(gè)別輔導(dǎo)等模式的交流對(duì)講，教師既能全體示范演示，也可單獨(dú)“一對(duì)一”個(gè)別輔導(dǎo)，還可分組討論，從而加強(qiáng)師生互動(dòng)，達(dá)到高效率“點(diǎn)到面”的教學(xué)模式[2]，抓住“以學(xué)生為中心”的思想，改變以往那種實(shí)驗(yàn)課教師來(lái)回奔波于各學(xué)生之間，而且還無(wú)法做出及時(shí)有效示范的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，這樣既有利于學(xué)生積極性和興趣的調(diào)動(dòng)，同時(shí)也提高了教師教學(xué)工作效率。

4.配套MOTIC軟件圖像處理系統(tǒng)。這套系統(tǒng)是麥克奧迪獨(dú)立研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圖像系統(tǒng)，除了具有基本的捕捉圖像、攝像和各組分測(cè)量分析功能外，還能對(duì)多目標(biāo)分割、過(guò)濾及自動(dòng)化的捕捉、計(jì)數(shù)、曝光和白平衡功能，使畫(huà)面鮮艷逼真，教師端還能下發(fā)作業(yè)，同時(shí)學(xué)生端也可網(wǎng)絡(luò)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。因此在教學(xué)質(zhì)量控制上主要用于實(shí)驗(yàn)考核，學(xué)生在觀察分辨鏡下影像后將圖像拍攝并素描下來(lái)，在自己的配套電腦上用MOTIC專業(yè)鏡下分析軟件處理，做出專業(yè)解釋、得出分析結(jié)論然后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，上傳提交到教師工作站的作業(yè)文件夾下，同時(shí)教師還可進(jìn)行網(wǎng)上隨堂考核，實(shí)時(shí)批閱報(bào)告，改變傳統(tǒng)紙質(zhì)考核及素描作業(yè)方式，極大提高教師工作效率。

三、在地學(xué)實(shí)驗(yàn)中數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)的不足之處

在采用數(shù)碼偏光顯微互動(dòng)系統(tǒng)這種全新教學(xué)法過(guò)程中，仍然發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，還需和MOTIC公司的工程師不斷深入溝通交流，以作進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

1.從互動(dòng)系統(tǒng)來(lái)看，數(shù)碼顯微鏡的圖像雖已采用高分辨率攝像，但由于網(wǎng)絡(luò)及信號(hào)傳輸?shù)脑虺霈F(xiàn)顏色部分失真，色彩不豐富，攝像頭像素偏低，實(shí)時(shí)教學(xué)中出現(xiàn)滯后拖尾現(xiàn)象，尤其是學(xué)生機(jī)，因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)連接教師主機(jī)，再投影到大屏幕，導(dǎo)致圖像邊緣不夠清晰，在觀察典型礦物的“突起程度”、“貝克線”及“干涉色”過(guò)程中因網(wǎng)絡(luò)滯后及色差造成不同鏡下圖像切換速度較慢，色彩還原不夠真實(shí)。根據(jù)實(shí)際情況，40人左右一個(gè)班，實(shí)驗(yàn)室按1∶1配備學(xué)生機(jī)，這樣可以更大程度上提高教學(xué)效率。

2.從教師角度看，需轉(zhuǎn)變?cè)杏^念，充分利用數(shù)碼和互動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展全新教學(xué)大綱及課程設(shè)計(jì)，讓教學(xué)過(guò)程互動(dòng)起來(lái)，通過(guò)數(shù)字資源上傳教學(xué)工作站及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站，開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)設(shè)對(duì)應(yīng)精品課程，順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)，創(chuàng)造多學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣，以興趣為導(dǎo)向，以技能為基礎(chǔ)，滿足應(yīng)用型技能人才培養(yǎng)要求。

3.以學(xué)生角度來(lái)看，通過(guò)電腦及高精觀測(cè)儀器應(yīng)用能力的培養(yǎng)，動(dòng)手能力得到提高，通過(guò)課前實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)，上實(shí)驗(yàn)課時(shí)現(xiàn)象觀察與分析結(jié)合，對(duì)照巖礦特征加強(qiáng)記憶，以視域圖像記憶方式，其應(yīng)用能力也能得到大大加強(qiáng)。

4.從管理角度分析，該套系統(tǒng)需配備專職實(shí)驗(yàn)員管理，課前課后必須與任課教師進(jìn)行交接，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巡回指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)題及時(shí)解決，以確保實(shí)驗(yàn)課程正常開(kāi)展，保障教學(xué)秩序。在管理體制上做到面向全校師生、面向校外人士、面向科研全開(kāi)放式運(yùn)行。

數(shù)碼偏光互動(dòng)顯微鏡系統(tǒng)的推廣使用，是地學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新手段，有利于互動(dòng)式教學(xué)、個(gè)性化教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)的開(kāi)展，有利于學(xué)生探究式學(xué)習(xí)、自主式學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，能使地學(xué)實(shí)驗(yàn)水平得到不斷提高，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課教改的不斷深入。通過(guò)類似系統(tǒng)的推廣，地學(xué)類實(shí)驗(yàn)課一定會(huì)展現(xiàn)出更現(xiàn)代、更實(shí)用、更具特色的現(xiàn)代科學(xué)前景。

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