大學科研導論課程互動教學探討

郝憲杰 趙廣輝 趙毅鑫 吳仁倫 滕騰

【摘要】本文針對互動式教學模式在大學科研導論這門課程中的實踐教學應用進行研究，以北京市新機場地鐵施工為背景，通過課堂上師生互動的教學模式向同學們講授細觀分析在地下工程中的應用，在講解電鏡掃描操作流程的基礎上，采用師生互動探討形式指導學生如何應用掃描特征對不同巖性的掃描結果進行分析和判斷。實踐表明通過課堂上師生互動的教學模式使得課堂氣氛更加活躍，學生學習情緒高漲，不僅使學生掌握了電鏡掃描分析技術，同時也激發(fā)了學生對于地下工程行業(yè)科研的興趣，有利于提升學生進行科研的能力。

【關鍵詞】科研導論 ?互動教學 ?地下工程 ?細觀分析 ?電鏡掃描

【基金項目】本論文受中國礦業(yè)大學（北京）課程建設與教學改革項目（J180114，J200103）和2020年課程思政示范課程建設項目科研導論（采礦工程）資助。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）45-0076-02

科研導論（采礦工程）是中國礦業(yè)大學（北京）采礦工程專業(yè)的本科課程，該門課程旨在通過教師授課，逐步培養(yǎng)起學生對科研內容的興趣，以及科研能力。

細觀分析是指通過電子顯微鏡對材料的細微結構進行分析的一種方法[1]，近年來電子顯微鏡在巖土工程中電鏡掃描技術對于分析巖石微細觀結構，揭示巖石力學破壞機理具有重要意義[2]。因此講述電鏡掃描成為了許多擁有地下工程專業(yè)學校教學任務中必不可少的一個環(huán)節(jié)。

本文針對互動教學在大學科研導論的教學課程的實踐應用進行研究，在科研導論課堂上以北京市新機場地鐵施工為例，通過施工現場取樣、實驗室電鏡掃描、掃描結果對比分析等步驟，向學生講述細觀分析的知識，通過師生之間的互動形式使得學生能夠通過科研導論這門課對自己所處巖土行業(yè)里的細觀具體分析方法進行掌握，激發(fā)學生對于地下工程領域科研的興趣。

1.課堂教學設計

由于掃描電鏡是大型貴重設備，學生很難保證擁有上機操作的時間，因此老師可以通過學校的多媒體設備，以圖片、3DMAX建模、Flash動畫形式向學生講解掃描電鏡的原理及其操作流程[3]。老師根據電鏡掃描實驗的操作和對比分析流程將本堂課分為以下三個部分：第一部分說明施工現場取樣及其注意事項;第二部分介紹實驗室電鏡掃描;第三部分對掃描結果對比分析。

2.施工現場取樣

現場取樣是進行電鏡掃描的基礎，盡管無法帶領學生親自到現場采集樣品，但是老師可以通過多媒體設備向學生講述取樣過程。例如，本次取樣地點為北京市新機場地鐵線施工現場，試樣取自工作面具有明顯土壤分層的區(qū)域（圖1）。

關于現場取樣需要注意的細節(jié)有很多，因此老師需要將每一個細節(jié)部分作出詳細的說明，具體如下：

（1）保證取樣前一周內天氣正常，不可出現降雨。其目的是為了保證土壤條件未受到破壞。（2）取樣時應該在掘進工作面上選取具有明顯土壤分層的區(qū)域。其目的是為了使選取的樣品更便于區(qū)分。（3）取樣應采用潔凈的鐵鍬于所選各土層的中部挖掘取樣，并稱裝進備好的袋中封存。其目的是防止工具上殘留的土對樣品產生影響;使選取的土壤能夠代表該土層的性質。（4）盡量避免在交界處取樣。其目的是防止所取樣品中混雜其他種類的土。

3.實驗室電鏡掃描

3.1實驗原理介紹

由于電鏡掃描設備是大型貴重儀器，因此，在課堂上老師只能通過多媒體播放PPT、視頻、Flash動畫的、3D建模等形式來講解其構成原理，而無法向學生展示實物進行操作。掃描電鏡（SEM）的工作原理是利用聚焦得非常細的高能電子束，通過在試樣上掃描，以獲得測試試樣表面形貌的觀察[4]。

3.2實驗設備及過程

實驗設備為中國石油大學（北京）提供的Quanta 200F場發(fā)射掃描式電子顯微鏡。實驗過程如下：（1）將試樣制成體積為1cm×1cm×1cm的小塊，對其進行噴金處理以提高導電性。（2）將制好的樣品放在電子顯微鏡下進行掃描。

4.實驗結果對比分析

如何通過掃描特征對不同巖性的掃描結果進行分析是本堂課的學習重點。本次實驗共得出100倍、1000倍兩組不同倍鏡下放大結果（圖2、圖3），在課堂上老師可以安排學生就同一倍鏡下不同材料樣品進行互動討論，即在相同倍鏡下不同材料樣品進行的宏觀和微觀的比較。

通過引導學生進行觀測，可以發(fā)現100倍電鏡放大下對比4類樣品掃描結果，一方面請學生從粒徑上進行互動探討，粗砂的砂粒具有較大的粒徑，平均在1mm左右;砂卵石中的砂粒與細砂的砂粒具有較為相似且略小于粗砂砂粒的粒徑，大約在0.5mm左右，但波動較大。

在1000倍電鏡放大下，繼續(xù)引導學生進行觀測對比?？梢钥闯觯N樣品表面均含有較多的細微顆粒。進一步引導學生觀測，可以發(fā)現粗砂表面呈現多孔狀，細砂表面幾乎無孔狀結構，而砂卵石樣品表面細微顆粒明顯大小不一，有大有小。

綜上可以看出，通過不同倍數電鏡下樣品的細觀特征對不同巖性進行分析，可以了解各類巖性的特征，對于研究地下硐室的穩(wěn)定性起到重要的指導作用，這個過程不僅可以讓學生學習到細觀特征的分析方法，還可以教會學生逐步深入的科研方法，提升學生的科研能力。

5.結論

綜上可以看出，在不具備到現場的條件下，老師仍然可以運用多媒體技術向學生講授電鏡掃描實驗。電鏡掃描作為當代巖土行業(yè)分析的常用技術，通過科研導論這門課程向學生講解電鏡掃描技術，更能夠激發(fā)學生的學習興趣。實踐表明采用課堂上師生互動的教學模式，課堂學習氣氛更加活躍，學生學習情緒高漲，不僅使學生掌握了電鏡掃描分析技術，同時也激發(fā)了學生對于地下工程行業(yè)科研的興趣，有利于提高學生的科研能力。

參考文獻：

[1]徐建紅，許建卓，劉應然.掃描電鏡技術在黃土場地工程勘察中的應用[J].山西建筑.2013（21）：58-59.

[2]左靖，徐衛(wèi)亞，王環(huán)玲，等.巖石電鏡掃描圖像的分形特征研究[J].三峽大學學報，2014（2）：72-76.

[3]郝憲杰，馮夏庭，江權，等.基于電鏡掃描實驗的柱狀節(jié)理隧洞卸荷破壞機制研究[J]，巖石力學與工程學報，2013（08）：1647-1655.

[4]逯桂平.掃描電鏡技術及其在礦物加工領域的應用現狀[J].廣州化工.2012（10）：51-53.

作者簡介：

郝憲杰（1987-），男，山西孝義人，博士，中國礦業(yè)大學（北京）副教授、碩導，從事地下工程穩(wěn)定性方面的研究，入選中國科協青年人才托舉工程。