一流課程建設(shè)背景下“寶石礦床學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的探索與實(shí)踐

史淼 ，袁野，陶隆鳳 *

1.河北地質(zhì)大學(xué)寶石與材料學(xué)院，石家莊 050031

2.河北省巖石礦物材料綠色開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050031

3.硅酸鹽固廢資源化利用河北省工程研究中心，石家莊 050031

4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院，北京 100083

前言

自2019年教育部發(fā)布《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)踐意見》起，全國高校以樹立課程建設(shè)新理念為核心，推進(jìn)并完善課程的改革與創(chuàng)新，全面開展一流本科課程的建設(shè)與實(shí)踐[1]。

“寶石礦床學(xué)”課程是地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課“礦床學(xué)”分支，是專門針對(duì)寶石及材料工藝學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)核心課，旨在從根源上讓學(xué)生了解并掌握珠寶玉石產(chǎn)出的地質(zhì)條件、形成過程及典型特征，具很強(qiáng)的理論性與應(yīng)用性[2-4]。為使學(xué)生更好地理解、消化理論知識(shí)，進(jìn)行礦床學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)必不可少，但寶玉石礦產(chǎn)資源的形成是一個(gè)漫長、復(fù)雜且不可逆的地質(zhì)過程，我們無法直接觀察、描述距今上億年前的地質(zhì)事件，且礦產(chǎn)開采也存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，這就決定了寶石地質(zhì)教學(xué)中引入并建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的必要性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)及多媒體技術(shù)為依托，是現(xiàn)今信息時(shí)代背景下建立的一種全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，它不僅能夠還原再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，而且還能夠克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各種制約和弊端，優(yōu)化教育資源，提高教學(xué)質(zhì)量[5-7]。

目前，寶石礦床實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采用野外調(diào)研、室內(nèi)標(biāo)本觀察等教學(xué)方式，且出于安全性考慮，在野外研究中無法直接對(duì)地下采礦過程進(jìn)行實(shí)地考察[8]。針對(duì)以上存在問題，借助計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，彌補(bǔ)寶石礦床教學(xué)過程中野外觀測(cè)與普通實(shí)驗(yàn)的不足之處，解決專業(yè)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐教學(xué)難題，提高寶石地質(zhì)教學(xué)質(zhì)量，力求解決制約地質(zhì)學(xué)人才培養(yǎng)瓶頸問題，同時(shí)也為一流本科課程的建設(shè)提供創(chuàng)新性探索與實(shí)踐案例。

1 “寶石礦床學(xué)”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建立

1.1 構(gòu)建思路

“寶石礦床學(xué)”課程將寶石學(xué)與地質(zhì)學(xué)相結(jié)合，重點(diǎn)針對(duì)各類珠寶玉石展開成礦機(jī)理研究與教學(xué)，課程教學(xué)復(fù)雜且抽象。虛擬仿真理念的引入，會(huì)使抽象的礦床概念變得更容易理解，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將依托原有寶石礦床教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系，增設(shè)于野外教學(xué)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)之上，是對(duì)原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充。本課程作為寶石及材料工藝學(xué)專業(yè)本科教學(xué)的核心課，前接“普通地質(zhì)學(xué)”、“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)”及“巖石學(xué)”等地質(zhì)類專業(yè)基礎(chǔ)課，后續(xù)專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，本專業(yè)的課程教學(xué)將以“寶石礦床學(xué)”為示例，以“從現(xiàn)實(shí)存在到抽象模型，從虛擬仿真到虛實(shí)結(jié)合，從虛實(shí)結(jié)合到回歸現(xiàn)實(shí)”這一思路逐漸展開教學(xué)實(shí)踐[9]，從教學(xué)、實(shí)習(xí)、實(shí)踐以及科研等多個(gè)環(huán)節(jié)全程把控[10]，最終形成完整的專業(yè)課程教學(xué)體系。

1.2 主要教學(xué)模塊

引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念后，“寶石礦床學(xué)”課程教學(xué)整體分為理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練及科研活動(dòng)3大模塊：

（1）理論教學(xué)

寶玉石礦產(chǎn)資源種類較多，教學(xué)涵蓋知識(shí)點(diǎn)廣泛且重點(diǎn)、難點(diǎn)居多。已有寶玉石礦床專屬教材出版較早，存在一定時(shí)代局限性，而礦床學(xué)專業(yè)教材重點(diǎn)為主礦床體系，除針對(duì)寶石礦床的內(nèi)容、篇幅較少外，對(duì)主體系各類礦床的知識(shí)點(diǎn)也進(jìn)行了高度精煉與濃縮。在理論教學(xué)中，采用教師課堂講授與學(xué)生主觀能動(dòng)性帶動(dòng)相結(jié)合的方式，尤其是在教師授課過程中，將理論難點(diǎn)內(nèi)容（如礦床、礦體、礦石、礦物4個(gè)維度礦床學(xué)概念；礦體空間產(chǎn)狀與礦床形成；礦床成因類型與成礦專屬性等）進(jìn)行虛擬仿真化，從而有助于學(xué)生梳理礦床體系，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)的理解與掌握。

（2）實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練

實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練為該課程虛擬仿真教學(xué)中最為核心的內(nèi)容，可細(xì)分為寶玉石礦床野外考察、礦體手標(biāo)本室內(nèi)觀察以及寶玉石礦床虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)3個(gè)部分。野外考察與礦體手標(biāo)本觀察為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，且已有多年實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，課程野外路線為山東昌樂藍(lán)寶石礦床與蒙陰金剛石礦山地質(zhì)公園實(shí)地考察；礦體手標(biāo)本包含有巖漿、熱液、風(fēng)化、沉積以及變質(zhì)等多個(gè)成因類型的各類寶玉石原巖樣品。

寶玉石礦床虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)野外考察與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)這兩部分的有益增補(bǔ)，主要針對(duì)理論教學(xué)、野外調(diào)研以及手標(biāo)本觀察中的重難點(diǎn)問題設(shè)計(jì)了專門的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)部分主要分為：1）穿越式地質(zhì)體驗(yàn)，通過虛擬仿真手段模擬還原典型寶玉石礦床形成的地質(zhì)過程，使學(xué)生通過對(duì)寶玉石礦體形成、時(shí)空演化、地質(zhì)變遷以及后期保存的全過程體驗(yàn)，將抽象性概念現(xiàn)實(shí)化，從而理解并掌握理論教學(xué)難點(diǎn)；2）地質(zhì)類博物館云游，帶領(lǐng)學(xué)生云參觀已開放線上觀展功能的各地質(zhì)博物館，通過觀察館藏巖石礦物樣品，彌補(bǔ)自身實(shí)驗(yàn)室礦床手標(biāo)本種類與數(shù)量的不足；3）采礦模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)寶玉石礦床的開采與分選過程、寶玉石原礦的切磨與加工過程等設(shè)計(jì)模擬實(shí)訓(xùn)軟件，學(xué)生使用軟件對(duì)各類生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬實(shí)操，從而彌補(bǔ)出于安全性考慮不能帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場考察的遺憾。

（3）科研活動(dòng)

科研活動(dòng)主要表現(xiàn)為在授課時(shí)注重對(duì)學(xué)生科研興趣與科研思維的引導(dǎo)與培養(yǎng)，結(jié)合教師已有科研項(xiàng)目，通過讓學(xué)有余力學(xué)生參與完成科研項(xiàng)目的部分內(nèi)容，將項(xiàng)目研究成果向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使學(xué)生們得到科研思維、方法和實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練與提升。

1.3 教學(xué)資源庫建設(shè)

（1）虛擬教學(xué)資源庫

為進(jìn)一步打造寶玉石礦床的三維沉浸式體驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真教學(xué)資源庫的建立必不可少。課程從虛擬視頻庫、虛擬軟件庫及虛擬標(biāo)本庫全面構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)資源。

虛擬視頻庫，主要為寶玉石礦產(chǎn)資源時(shí)空分布、寶玉石礦床形成過程模擬、典型寶玉石礦床三維解剖等教學(xué)視頻，對(duì)應(yīng)理論教學(xué)難點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的“穿越式地質(zhì)體驗(yàn)”。

虛擬軟件庫，主要為寶玉石礦床開采與寶玉石原礦加工的可實(shí)操軟件，旨在讓學(xué)生模擬體驗(yàn)采礦與加工過程，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的“采礦模擬實(shí)驗(yàn)”。

虛擬標(biāo)本庫，主要為各類礦體手標(biāo)本的三維數(shù)字標(biāo)本庫。由于地質(zhì)類教學(xué)標(biāo)本種類較多且結(jié)構(gòu)、構(gòu)造復(fù)雜，部分標(biāo)本還容易風(fēng)化、腐蝕與磨損[11]，故建立虛擬標(biāo)本庫有利于教學(xué)樣品擴(kuò)充，同時(shí)能夠使樣品教學(xué)信息較完整的保存下來。該庫對(duì)應(yīng)于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且通過“云游博物館”存儲(chǔ)下來的虛擬樣品又是對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣品種類的有效補(bǔ)充。

（2）3D打印教學(xué)模型庫

建立3D打印模型標(biāo)本庫進(jìn)一步將虛擬標(biāo)本庫實(shí)物化[12]，同時(shí)建立模型庫的過程也是改變傳統(tǒng)“教師教與學(xué)生學(xué)”模式，提升學(xué)生課堂沉浸感與參與感的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)與自身理解，把理論知識(shí)應(yīng)用于寶石礦床學(xué)樣品三維建模與實(shí)體成型中去，從而加強(qiáng)了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握，提高了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2 實(shí)施效果與改進(jìn)措施

“寶石礦床學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建完成后，已在我校寶石及材料工藝學(xué)專業(yè)大三年級(jí)學(xué)生展開了實(shí)踐教學(xué)，課程設(shè)置的各類虛擬實(shí)驗(yàn)引起了學(xué)生們極大的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生們對(duì)寶玉石礦產(chǎn)形成的地質(zhì)過程有了更好地理解與掌握，同時(shí)也對(duì)礦產(chǎn)資源的開發(fā)技術(shù)與流程有了一定程度的了解與認(rèn)識(shí)。學(xué)生們普遍反映，引入虛擬仿真理念的“寶石礦床學(xué)”既生動(dòng)有趣又知識(shí)點(diǎn)豐富，自己能夠在課堂上及時(shí)消化難懂的地質(zhì)知識(shí)，并且在參與虛擬教學(xué)資源庫建設(shè)的過程中，自己的科研積極性也得到了有效調(diào)動(dòng)，對(duì)各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目申報(bào)的積極性有了顯著提高。

課程實(shí)施教學(xué)過程中也存在一些需要改進(jìn)的問題，如虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻需進(jìn)一步豐富與完善；虛擬教學(xué)軟件在使用過程中存在卡頓，仍需編輯與優(yōu)化；典型礦床3D模型打印過程中，建模軟件與打印參數(shù)仍需進(jìn)一步模擬與調(diào)整，從而得到更適宜值，使打印出的模型效果更好。以上存在問題在后續(xù)教學(xué)過程中都會(huì)進(jìn)一步完善與改進(jìn)。

3 結(jié)語

“寶石礦床學(xué)”課程教學(xué)通過引入全新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，改變了傳統(tǒng)“教師教與學(xué)生學(xué)”的模式，提升了課堂的趣味性，增強(qiáng)了學(xué)生的課堂沉浸感與參與感，從而提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與實(shí)際運(yùn)用能力。在課程教學(xué)實(shí)施與探索過程中，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的制約，尤其是在現(xiàn)今疫情影響下，野外教學(xué)工作常常受到防控影響而無法正常展開。建立虛擬教學(xué)資源庫，不失為一種有效的備選方案。

“寶石礦床學(xué)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為寶石及材料工藝學(xué)專業(yè)本科生實(shí)踐教學(xué)提供了全新地嘗試，完成了虛擬教學(xué)環(huán)境的探索與構(gòu)建，從而改進(jìn)了教學(xué)模式并提高了教學(xué)質(zhì)量，為一流專業(yè)本科課程建設(shè)提供可參考的實(shí)例。