培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的礦物巖石實驗教學(xué)改革

牛花朋，謝慶賓，孫 晶，李 壯，王春英，焦小芹

（中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249）

0 引 言

實踐能力和創(chuàng)新性思維是拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的核心指標(biāo)［1-2］。根據(jù)教育部等部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于高等學(xué)校加快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》（教研［2018］5號）和《教育部等六部門關(guān)于實施基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計劃2.0的意見》（教高［2018］8號），隨著“六卓越一拔尖”人才培養(yǎng)計劃2.0方案的實施，對高層次應(yīng)用人才和拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提出了更高的要求［3-4］。

我校資源勘查工程專業(yè)肩負著為祖國培養(yǎng)油氣資源勘查優(yōu)秀人才的使命。依托一流建設(shè)學(xué)科“地質(zhì)資源與地質(zhì)工程”，該專業(yè)已建設(shè)成為石油地質(zhì)特色鮮明、在國內(nèi)有較高知名度的國家級特色專業(yè)，是教育部綜合改革試點專業(yè)和實施第二批卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的專業(yè)。礦物巖石類課程是資源勘查工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，涵蓋結(jié)晶學(xué)、晶體光學(xué)、礦物學(xué)、礦相學(xué)、巖漿巖石學(xué)、變質(zhì)巖石學(xué)、沉積巖石學(xué)等知識模塊，重點是培養(yǎng)學(xué)生掌握造巖礦物和三大類巖石的鑒定方法以及鑒定特征。但是，面對該類課程“課時容納性高、實踐性強”的特點，如何通過創(chuàng)新實驗?zāi)Ｊ?、提高教學(xué)效率是迫在眉睫的任務(wù)。

為了激發(fā)每個學(xué)生的特長和潛能，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力，在以往教學(xué)改革的基礎(chǔ)上［5-9］，教學(xué)團隊以資源勘查工程專業(yè)礦物巖石類課程為例，創(chuàng)新實驗教學(xué)體系，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，加強實驗教學(xué)資源建設(shè)和過程考核機制改革，實現(xiàn)了室內(nèi)教學(xué)與室外教學(xué)并行、驗證性學(xué)習(xí)到探索性學(xué)習(xí)的提升，大大提高了實驗教學(xué)效果，充分鍛煉了學(xué)生對礦物巖石實踐鑒定的能力和創(chuàng)新應(yīng)用的能力。該成果被石油高校普遍認可和采用，具有很好的引領(lǐng)作用。

1 創(chuàng)立“三融合”的實驗教學(xué)模式

礦物巖石類課程總學(xué)時僅104學(xué)時，為提高教學(xué)效率和學(xué)生礦物巖石鑒定能力，結(jié)合課程特點和教學(xué)規(guī)律，改變傳統(tǒng)地質(zhì)院校礦物巖石學(xué)習(xí)順序，對實驗教學(xué)模式進行了調(diào)整。

1.1 晶體光學(xué)與礦物學(xué)相融合

“晶體光學(xué)”是研究可見光通過透明晶體時所產(chǎn)生的一系列光學(xué)性質(zhì)及其原理的一門科學(xué)，是研究、鑒定造巖礦物和巖石的重要方法［10］。為了讓理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用緊密結(jié)合，按照礦物實驗標(biāo)本的光學(xué)性質(zhì)具有可對比性的原則，將晶體光學(xué)與礦物學(xué)充分融合，對晶體光學(xué)實驗項目進行了重新設(shè)計。例如，在單偏光鏡下進行礦物多色性、解理觀察時，設(shè)計了4種常易混淆的暗色礦物黑云母、角閃石、輝石、橄欖石進行對比觀察，由于4種礦物具有明顯不同的多色性和解理特征，既可以讓學(xué)生快速掌握多色性和解理的觀察方法，同時又讓學(xué)生掌握了4種礦物的多色性和解理識別特征，尤其是掌握利用多色性和解理等不同光學(xué)性質(zhì)組合鑒別礦物的方法，可以說是一舉多得。

1.2 礦物鑒定與巖石鑒定相融合

傳統(tǒng)地質(zhì)院校一般是先進行“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)”學(xué)習(xí)，之后再進行“巖石學(xué)”學(xué)習(xí)，并且進行礦物學(xué)實驗時，一般會選擇鑒定特征典型的單礦物體進行［11］。鑒于巖石是由造巖礦物或部分天然玻璃組成的固態(tài)集合體，受生長條件影響，組成礦物的鑒定特征大多與單礦物在理想條件下發(fā)育時形成的特征不同，甚至是大相徑庭（如石英理想形態(tài)為六方柱狀，但在巖石中大多呈現(xiàn)他形粒狀），造成學(xué)生對巖石的礦物組成識別困難，致使“巖石學(xué)”學(xué)習(xí)效果大打折扣。為了解決這一矛盾，將礦物學(xué)實驗項目進行了系統(tǒng)優(yōu)化，共設(shè)計了4個綜合性實驗項目，分別是巖漿巖中常見礦物的鑒定、變質(zhì)巖中常見礦物的鑒定、沉積巖中常見礦物的鑒定以及不透明礦物的鑒定。該優(yōu)化方案將礦物鑒定與巖石鑒定相融合，實現(xiàn)了礦物單體識別和集合體識別相統(tǒng)一，充分鍛煉了學(xué)生對礦物知識的綜合應(yīng)用和分析能力。

1.3 肉眼鑒定與顯微鏡鑒定相融合

眾所周知，手標(biāo)本肉眼鑒定特征和顯微鏡下晶體光學(xué)性質(zhì)都是未知礦物巖石重要的鑒定特征，前者從宏觀角度對礦物巖石進行整體鑒定，后者更擅長微觀鑒定特征的觀察。問卷調(diào)查顯示，學(xué)生對手標(biāo)本觀察和顯微鏡下鑒定同時進行表達了高度肯定和認可，認為宏觀與微觀相互配合才能系統(tǒng)掌握礦物巖石的鑒定特征，利于及時進行相互佐證，可以有效避免教學(xué)內(nèi)容的脫節(jié)和重復(fù)［12］。礦物透明度觀察就是很好的例子，有些礦物在手標(biāo)本上觀察看似為半透明、甚至不透明，而顯微鏡下卻顯示透明，通過這一現(xiàn)象，可以讓學(xué)生充分意識到透明度觀察是以0.03mm厚度觀察結(jié)果為準(zhǔn)的。

2 構(gòu)建“三課堂”的實驗教學(xué)體系

礦物巖石類課程知識點多、涉及內(nèi)容繁多復(fù)雜，枯燥難懂，實驗教學(xué)是理論知識轉(zhuǎn)化為實踐應(yīng)用的關(guān)鍵步驟［13-14］。在不斷強化室內(nèi)驗證性實驗的基礎(chǔ)上，將實驗教學(xué)進行延伸，構(gòu)建了室內(nèi)實驗-課內(nèi)實踐-自主實踐一體化的實驗教學(xué)體系。

2.1 室內(nèi)實驗教學(xué)（第1課堂）

室內(nèi)實驗教學(xué)作為第1課堂，是學(xué)生能夠及時理解和掌握基礎(chǔ)理論知識的重要途徑，也是系統(tǒng)掌握礦物巖石鑒定方法和特征的最基本的教學(xué)方法，以1次理論課1次課內(nèi)實驗課為特色。根據(jù)“以學(xué)生為中心”的理念，在加大實驗教學(xué)資源建設(shè)的基礎(chǔ)上［6-7］，重點對實驗項目側(cè)重點和實驗教學(xué)授課方式進行了調(diào)整。其中，對涉及知識點較多、專業(yè)性較強的實驗項目適當(dāng)增加課內(nèi)學(xué)時，并針對學(xué)生實驗過程中遇到的問題，教師全程輔導(dǎo)答疑；而對一些重在掌握方法、需要在實踐中反復(fù)鍛煉的實驗項目，則采用學(xué)生在開放實驗室自主完成與集中答疑、研討相結(jié)合的方式進行，以不斷提升學(xué)生學(xué)習(xí)自主性。

2.2 課內(nèi)野外實踐（第2課堂）

資源勘查工程本源存在于實地的勘測、分析，脫離了本源環(huán)境的紙上談兵對學(xué)生專業(yè)思考能力的培養(yǎng)以及科研方向的視角都是不利的［15］。對于學(xué)生來說，僅僅完成第1課堂的室內(nèi)實驗也是遠遠不夠的，與實驗室內(nèi)觀察到的標(biāo)本相比，野外實際工作中遇到的礦物巖石在發(fā)育規(guī)模、新鮮程度、產(chǎn)出狀態(tài)等方面存在相當(dāng)大的差別。若僅限于室內(nèi)實驗教學(xué)，就會造成與實際工作脫節(jié)，使學(xué)生無法真正掌握礦物巖石鑒定特征，更不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。因此，在第1課堂的基礎(chǔ)上，教師利用學(xué)校地處北京郊區(qū)的優(yōu)勢，充分挖掘周邊良好的粗粒花崗巖、石英砂巖、灰?guī)r等露頭，建立了多條礦物巖石課內(nèi)實踐基地（第2課堂）。相比普通地質(zhì)實習(xí)，課內(nèi)實踐課具有更強的針對性和及時性。在實習(xí)之前，教師設(shè)計相關(guān)問題，讓學(xué)生參與到思考中去，帶著問題來到野外；在野外實習(xí)的過程中，通過分組討論，在實踐中找到答案；實習(xí)結(jié)束后，撰寫實習(xí)報告，進行專題答辯。可以說第2課堂將室內(nèi)教學(xué)擴展到野外，實現(xiàn)了室內(nèi)教學(xué)與室外教學(xué)并行、驗證性學(xué)習(xí)到探索性學(xué)習(xí)的提升，大大提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

2.3 自主實踐創(chuàng)新（第3課堂）

研究型大學(xué)的地學(xué)教育擔(dān)負著為國家能源戰(zhàn)略培養(yǎng)拔尖研究型人才的歷史責(zé)任，本科教育中科學(xué)思維的培養(yǎng)對學(xué)生非常重要［16］。在室內(nèi)驗證性實驗和野外實踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，借助油氣與探測國家重點實驗室等各級實驗平臺，油氣勘探與開發(fā)實驗教學(xué)中心以及大量的地質(zhì)類博物館等教學(xué)資源，編寫自主實踐創(chuàng)新指導(dǎo)書，鼓勵學(xué)生走出校方教學(xué)計劃安排的課堂，積極開展自主實踐（第3課堂），要求每人至少完成1項。倡導(dǎo)大學(xué)4年游遍北京市地質(zhì)博物館活動，建議學(xué)生課余時間，本科一年級參觀學(xué)習(xí)中國地質(zhì)博物館，本科二年級參觀學(xué)習(xí)中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)博物館，本科三年級參觀學(xué)習(xí)北京自然博物館，本科四年級參觀學(xué)習(xí)中國國家博物館。除此之外，積極鼓勵學(xué)生根據(jù)個人興趣積極申請國家級、北京市級或校級大學(xué)生科技創(chuàng)新項目，參加各層面的地質(zhì)類競賽。通過自主實踐與科技創(chuàng)新，可以拓寬學(xué)生們的眼界，激勵創(chuàng)新思維，不斷增強學(xué)生勇于創(chuàng)新的研究能力，取得更高層面的學(xué)習(xí)和研究成果，大大提高科研素養(yǎng)。

3 構(gòu)建基于探索與研究的教學(xué)方式

積極推進“以教為中心”向“以學(xué)為中心”的教學(xué)理念轉(zhuǎn)變，建立了“以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)”的基于探索和研究的教學(xué)模式。

（1）建立WWH體系。每次實驗開始前，利用3～5 min時間，通過Why、What、How 三問，向?qū)W生灌輸為什么學(xué)、學(xué)什么和如何學(xué)思維模式，使學(xué)生快速掌握實驗?zāi)康呐c意義，以及實驗重點和實驗方法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會思考。

（2）根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的差異，設(shè)計多種教學(xué)方法。由于礦物巖石鑒定特征知識點多而龐雜，對于室內(nèi)驗證性實驗廣泛采用類比法、排除法、聯(lián)想法等學(xué)習(xí)方法示例講授，引導(dǎo)學(xué)生研究各種礦物巖石鑒定特征的異同點，收到很好的教學(xué)效果。例如，云母片巖和云英巖兩種巖石在礦物成分上非常相似，均是由云母和石英組成，但是前者云母類礦物往往定向排列，發(fā)育片理構(gòu)造，后者則無定向性。野外實踐教學(xué)和自主實踐則廣泛采用啟發(fā)式、研討式教學(xué)方法，通過對地質(zhì)現(xiàn)象共同探討推理，大大提高大學(xué)生解決實踐問題的能力和創(chuàng)新能力。

（3）開創(chuàng)礦物學(xué)“讀書報告會”。教師事先提出備選問題，5～6人自由組合為團隊，通過紙質(zhì)報告+口頭匯報的形式，匯報讀書成果，最后由任課教師和團隊相互打分相結(jié)合的方式，評選出最佳報告及最佳團隊，該方法對培養(yǎng)團隊合作的意識、學(xué)習(xí)查找文獻的能力以及鍛煉語言表達的水平發(fā)揮了重要作用。

4 健全過程考核與評價機制

礦物學(xué)和巖石學(xué)類課程均是實踐性很強的課程，除了本學(xué)科理論外，培養(yǎng)扎實的巖礦鑒定基本功是課程重點要求之一，因此，礦物巖石類課程重點通過加大過程性評價的比例進一步提高學(xué)習(xí)效果。①課前要求預(yù)習(xí)的實驗內(nèi)容不再重復(fù)講解，通過直接提問進行檢驗，檢驗效果直接計入平時成績；② 由于室內(nèi)實驗教學(xué)均是小班化授課，教師采用隨堂批改、隨時反饋的方式100%批改所有實驗（實踐）報告，這樣既可以讓教師及時準(zhǔn)確了解每位學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握情況，又可以將發(fā)現(xiàn)的問題及時反饋給學(xué)生，學(xué)生通過反復(fù)操作，達到真正領(lǐng)會貫通的目的，避免了“夾生飯”；③實驗分組進行，小組成員間可以充分討論，相互評閱實驗報告，起到揚長避短的作用；④ 總成績中適當(dāng)加大了實驗報告考核成績的比重，由原來的30%增加到40%，且實施平時實驗成績“一票否決制”，如果實驗平時成績不合格，則實驗成績不能為優(yōu)秀，從側(cè)面進一步督促學(xué)生要重視和抓緊平時每一個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，提高實驗學(xué)習(xí)積極性和主動性。

5 結(jié) 語

礦物巖石實驗教學(xué)改革已運行5年，得到師生廣泛認可。通過該成果的應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生主觀能動性和創(chuàng)新性，顯著提高了學(xué)生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，我校在“第五屆全國大學(xué)生地質(zhì)技能大賽”中榮獲“野外地質(zhì)技能”特等獎1項、一等獎2項，“地質(zhì)標(biāo)本鑒定”二等獎1項，實現(xiàn)新的突破。1名教師2015年被評為北京市教學(xué)名師，1位教師2017年榮獲校青年教師教學(xué)效果卓越獎，“造巖礦物學(xué)”2018年被評為校級品牌課，學(xué)生評教多門次名列全校20%以內(nèi)，形成了由北京市教學(xué)名師、校青年卓越獎教師、校品牌課教師、校青年拔尖人才組成的優(yōu)秀教學(xué)團隊。教學(xué)成果顯著，榮獲校教學(xué)成果獎1等獎1項、二等獎2項。