智能時代礦物巖石學課程教學模式改革與創(chuàng)新

何小芳

（中國礦業(yè)大學〔北京〕 地球科學與測繪工程學院，北京 100083）

引言

“礦物學”和“巖石學”是地球系統(tǒng)科學重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，無論從事基礎(chǔ)理論研究，還是開發(fā)利用地下資源或解決工程地質(zhì)問題，都需要具備扎實的巖礦基礎(chǔ)知識［1］。其延伸課程包括“晶體光學與造巖礦物”“巖礦分析與鑒定”“巖礦物理化學”等多門相關(guān)課程［2-3］。這類課程具有專業(yè)性強、知識點多和實踐性強等特征，其中實踐性是最為突出的特點。在地球科學相關(guān)課程的教學過程中，理論知識教學和實踐教學相輔相成、密不可分。學生需要通過大量的實踐學習，包括野外實習和實驗室實習，才能將復(fù)雜抽象的理論知識融會貫通。

實踐教學對提升學生綜合專業(yè)素質(zhì)、培養(yǎng)科學思維和分析及解決問題的能力十分重要，因此，在以往的“礦物學”“巖石學”教學過程中，實踐教學一直占據(jù)較大比重［4］。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的進步，國家對通用型人才的需求逐步增加，要求培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強、素質(zhì)高的具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的社會主義建設(shè)者和接班人［5］。然而，部分通識課程的學時增加，使部分專業(yè)課的學時受到了一定壓縮，給專業(yè)教育帶來了一定的挑戰(zhàn)。在這樣的前提下，為保證教學質(zhì)量，對礦物巖石學類課程教學進行創(chuàng)新性改革，尤其對實踐教學部分進行調(diào)整和優(yōu)化就顯得十分必要。

本課程于2020年開始授課。根據(jù)人才培養(yǎng)需求，結(jié)合本校特色，借鑒多門教材和教學經(jīng)驗，在“礦物學”“巖石學”先導(dǎo)課程的基礎(chǔ)之上，秉持“以學生為中心、以實踐教學為主體、以地質(zhì)學為特色、以學術(shù)綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標”的教學理念，充分把握新時代學生學習特點，利用現(xiàn)代信息技術(shù)開展教學活動和學習評價。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，而且能夠開闊學生的視野，提高學習興趣，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(fù)合型人才的培養(yǎng)創(chuàng)造條件。

一、課程簡介及學情分析

本校“巖礦分析與鑒定”課程針對大三學生開設(shè)，具有很強的實用性，其關(guān)鍵技能可應(yīng)用于多個領(lǐng)域。課程目標旨在幫助學生深化理論課程內(nèi)容，加強鑒定礦物巖石的實踐操作技巧，使學生通過學習具有一定的綜合研究和獨立解決問題的能力，有助于學生在地質(zhì)類學科競賽中取得好成績，并為進一步學習和研究打下基礎(chǔ)。

從教學對象來看，本課程學生群體有以下幾個突出特點：（1）有一定的專業(yè)理論基礎(chǔ)，但專業(yè)技能有待進一步提升。本科三年級的學生已經(jīng)系統(tǒng)學習了“礦物學”“巖石學”等基礎(chǔ)專業(yè)課程，在此基礎(chǔ)上開展“巖礦分析與鑒定”課程，有助于學生鞏固前期理論知識體系，并加以實踐運用。（2）綜合分析和解決實際問題能力較為欠缺。大學三年級學生多已開展了大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，其研究工作與地質(zhì)學基礎(chǔ)技能密切相關(guān)，在研究工作中經(jīng)常遇到許多實際問題。

從教學內(nèi)容和考核方式來看，本課程教學存在兩個挑戰(zhàn)。一是實驗教學過于傳統(tǒng)。目前，實驗教學的形式仍然以實驗室成套標本為主，而這些標本大多產(chǎn)地不明、地質(zhì)背景不清楚，且手標本與薄片標本缺乏對應(yīng)關(guān)系。學生僅限于學習顯微鏡下礦物巖石類型、結(jié)構(gòu)的初步鑒定，難以掌握宏觀地質(zhì)體特征，更難以對巖石成因展開綜合分析。二是教學和實際科研生產(chǎn)工作結(jié)合不緊密。一方面，學生的認識僅限于實驗室現(xiàn)存標本，而實際的巖石類型則復(fù)雜得多，學生很難將所學技能與實際科研生產(chǎn)結(jié)合起來；另一方面，在傳統(tǒng)實踐教學過程中偏重對巖石組合、結(jié)構(gòu)構(gòu)造的鑒定，缺乏在宏觀上對巖石成因機制和地質(zhì)背景進行綜合分析，學生的科學素養(yǎng)和綜合分析能力未得到有效鍛煉。

二、教學改革與創(chuàng)新主要內(nèi)容

基于上述學情分析，本課程自授課以來，改變傳統(tǒng)的學生學習、教師講授的教學模式，從多個方面進行了教學改革和創(chuàng)新的探索和實踐，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）思想政治教育融入課堂，提高學生學習積極性

本課程從地質(zhì)學實際出發(fā)，探索本學科課程思政建設(shè)元素，結(jié)合專業(yè)特色和領(lǐng)域時事，將思想政治教育元素融入課堂，如通過介紹本領(lǐng)域優(yōu)秀礦物巖石學家的突出貢獻，提升學生的學科自豪感，弘揚學科精神［6-7］。又如通過“黑色黃金”油頁巖的發(fā)展歷程，引發(fā)學生對國際能源態(tài)勢及格局的討論，培養(yǎng)學生關(guān)注時事、緊跟時代的科學素養(yǎng)。

另外，本課程思政元素強調(diào)課程學習在個人職業(yè)成長、服務(wù)社會中的重要性，讓學生從思想上重視該課程的學習與實踐［6］。依托本課程教改項目，筆者對北京市中小學開展了兩次礦物巖石學相關(guān)的線下科普教育活動，并積極進行線上科普宣傳工作。通過多種方式相結(jié)合，有助于點燃學生學習該課程的熱情，陶冶學生的地學文化情操，堅定學生為祖國地質(zhì)事業(yè)做貢獻的決心與信心。

（二）利用虛擬仿真實驗教學平臺，突破教學時空限制

礦物巖石學類課程的實踐教學在很大程度上依賴于顯微鏡設(shè)備和輔助資源，從傳統(tǒng)教科書、顯微鏡、實驗室到在線數(shù)據(jù)庫，這些資源在學術(shù)水平、可用性、設(shè)計和規(guī)模上高度不同。在過去幾十年的改革中，地質(zhì)類課程實踐教學條件得到了極大的改善，已從以往的“第一課堂”——傳統(tǒng)實驗室教學逐步過渡到“第二課堂”——線上線下混合式實驗教學的階段［8-9］。適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變，本專業(yè)實驗教學引入了多媒體互動顯微鏡教學軟件，將礦物巖石鑒定現(xiàn)象通過投屏或廣播教學的方式供學生觀看學習，取得了良好的教學效果。隨著智能時代的到來，線上虛擬仿真實驗教學平臺逐漸在實踐教學中得到運用，它可以突破實驗室條件、標本數(shù)量及授課時間等諸多限制，有助于及時學生鞏固課堂理論知識，與線下實驗課相輔相成、互相補充，極大地提高了教學效果［8-9］。目前在其他學科領(lǐng)域，虛擬仿真實驗平臺扮演著越來越重要的角色，然而此類平臺在地質(zhì)學類課程中的應(yīng)用仍不夠充分。因此，本課程在傳統(tǒng)的實驗教學基礎(chǔ)之上，設(shè)計虛擬仿真實驗教學模塊。

1.結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字化平臺，如國家?guī)r礦化石標本資源共享平臺包含國內(nèi)及部分國外典型礦物、巖石、礦石標本數(shù)字資源，有利于學生分類進行可視化查詢，并對一些精美的典型礦物巖石展品進行互動操作，提高了學生的學習主觀能動性。

2.充分利用國外已有的礦物巖石學實驗平臺，如麥考瑞大學開發(fā)的虛擬巖石顯微鏡Virtual Petrographic Microscope軟件和英國地質(zhì)協(xié)會研發(fā)的Virtual Microscope在線互動巖石平臺等［10-11］。這些虛擬巖石實驗平臺集合了全球經(jīng)典樣品數(shù)據(jù)庫，學生可以離線安裝虛擬顯微鏡、下載巖石樣品數(shù)據(jù)，也可以在線進行手標本3D掃描、偏光顯微鏡互動觀察等，不受實驗室條件、樣品類型限制，真正做到了隨時隨地學習，極大地拓寬了學生的學習廣度和深度。同時，這些互動實驗平臺可擴展第三方的虛擬實驗課程資源或自建課程資源，為各類院校建立自己的科普實驗基地提供了良好的平臺。

虛擬仿真實驗教學模塊注重學習任務(wù)的高階性和創(chuàng)新性，重在提高學生的綜合分析能力。在虛擬仿真實驗教學過程中，要求學生查閱資料，對巖石成因進行綜合分析，保證學生不僅能進一步熟悉礦物巖石學的理論知識，而且能夠練習在傳統(tǒng)實驗室教學中掌握的基礎(chǔ)鑒定技巧，真正做到了虛實結(jié)合，讓學生主導(dǎo)學習過程。

3.突破傳統(tǒng)教學標本局限，科教融合教學。礦物巖石鑒定的學習常常與實際地質(zhì)問題相關(guān)，但現(xiàn)有實驗室教學和實際地質(zhì)問題往往存在脫節(jié)現(xiàn)象，學生難以理解巖石特征與巖石成因之間的邏輯關(guān)系，且課程涉及礦物種類較多、巖石類型較復(fù)雜，現(xiàn)有標本多為統(tǒng)一購買的成套標本，其巖性不夠全面，部分標本存在不典型甚至標注錯誤等問題；因此，建立一套宏觀微觀相結(jié)合的教學用標本十分關(guān)鍵。本課程依托“雙一流”課程建設(shè)專項資助，通過野外實地采集、同行捐贈的方式獲取了一批典型的礦物巖石手標本和薄片。這些巖礦手標本和薄片能夠互相對應(yīng)，且產(chǎn)地明確、地質(zhì)背景清楚，有較好的研究基礎(chǔ)，有助于學生在學習過程中將巖礦鑒定與實際地質(zhì)問題相結(jié)合，訓練了學生的科學思維。

另外，任課教師在“巖礦分析與鑒定”課程教學過程中引入自身和同行的科研成果，把抽象的知識點轉(zhuǎn)化為具體的科研案例進行解釋和說明，將枯燥的巖相學描述和動態(tài)的地質(zhì)過程結(jié)合起來，有利于學生建立繁雜的礦物巖石學知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，既保證了教學質(zhì)量，又促進了精品課程建設(shè)［12］。

三、教學改革與創(chuàng)新初見成效

本課程結(jié)合知識點多、實踐性強及當代學生依賴網(wǎng)絡(luò)的特點，以培養(yǎng)專業(yè)人才為宗旨，在把握基礎(chǔ)性教學的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合我國對地質(zhì)類專業(yè)高級人才的實際需求，運用現(xiàn)代化的教學手段進行課程內(nèi)容的講解。一方面，將思政元素引入課堂，極大地激發(fā)了學生學習的積極性和自主性；另一方面，充分利用國內(nèi)外虛擬仿真實驗教學平臺，開展學生線上自主學習與線下面授有機結(jié)合的混合式教學模式，打破學習時空、標本類型的限制，使學生的學習不僅僅局限于課堂，有效提高了教學質(zhì)量，并為學生創(chuàng)建了一個可視化巖石礦物數(shù)據(jù)資源綜合平臺，為逐步建立專業(yè)教學、科研及科普基地打下了良好的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了課程教學的高階性。同時，在保證理論和實踐教學內(nèi)容基礎(chǔ)性的前提下，通過不斷融入新內(nèi)容，包括一些前沿性的科研成果，使學生將理論知識與實際地質(zhì)問題聯(lián)系起來，提高了學生分析和解決實際問題的能力，提高了學生的科學素養(yǎng)，體現(xiàn)了課程教學的創(chuàng)新性。

經(jīng)過近兩年的實踐，科教融合模式顯著地激發(fā)了學生對巖石成因的興趣，鞏固了學生的巖礦鑒定技能，并將教學成果推向了綜合應(yīng)用的高度。從教學反饋來看，學生對實驗教學的延伸和虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用給予了積極評價。另外，多項涉及礦物巖石學的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練受到了資助。在最近一屆全國大學生地質(zhì)技能競賽選拔中，我校取得了較好的成績，這充分顯示了良好的教學效果。

從國家對人才培養(yǎng)的需求及實驗教學的發(fā)展趨勢來看，將思政元素融入課堂、開展虛擬仿真實驗教學是本科人才培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)，也是智能時代背景下實踐教學的發(fā)展趨勢。本研究強調(diào)了在礦物巖石學及其相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用在線互動學習資源的必要性和益處，對提高教材的靈活性、包容性和可獲得性具有積極意義。當一些不可抗力導(dǎo)致線上學習不可避免時，這種混合式教學方法則更具有突出優(yōu)勢。另外，本研究中使用的教學改革方法和平臺可適用于其他學科領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價值。