礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式改革探討

黃宇琪 魏中舉 張鵬 黃明達(dá) 楊軍偉

摘?要：為推進(jìn)我國(guó)教育信息化發(fā)展目標(biāo)，適應(yīng)新時(shí)代國(guó)家發(fā)展對(duì)地質(zhì)類(lèi)人才的新需求，地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式應(yīng)不斷進(jìn)行改革。礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)是地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，具有專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)條件要求高、知識(shí)點(diǎn)龐雜等特點(diǎn)。推進(jìn)礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式改革，既能夠解決實(shí)驗(yàn)課程的“時(shí)空”限制問(wèn)題，又能夠滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，真正建立以學(xué)生為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)課堂，切實(shí)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；礦物巖石學(xué)

教育部在2018年發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中指出“到2022年基本實(shí)現(xiàn)‘三全兩高一大（教學(xué)應(yīng)用覆蓋全體教師、學(xué)習(xí)應(yīng)用覆蓋全體適齡學(xué)生、數(shù)字校園建設(shè)覆蓋全體學(xué)校，信息化應(yīng)用水平和師生信息素養(yǎng)普遍提高，建成‘互聯(lián)網(wǎng)+教育大平臺(tái)）”的教育信息化發(fā)展目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以數(shù)字實(shí)驗(yàn)室及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)為代表的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段與地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的結(jié)合是地質(zhì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程體系改革的必然趨勢(shì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的引入將會(huì)改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，虛實(shí)結(jié)合式礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠解決礦物巖石實(shí)驗(yàn)巖礦標(biāo)本獲得難度大、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多、學(xué)生自主學(xué)習(xí)難等多方面問(wèn)題，推動(dòng)地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化改革，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)綜合素質(zhì)。

1?虛實(shí)結(jié)合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬實(shí)驗(yàn)是指根據(jù)具體教學(xué)需求和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，運(yùn)用各種虛擬儀器和設(shè)備，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，構(gòu)成新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法［14］。虛實(shí)結(jié)合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)指將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，是實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行教育信息化改革的主要方式之一。教育部于2012年和2018年分別發(fā)布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》和《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，明確提出“推動(dòng)從教育專(zhuān)用資源向教育大資源轉(zhuǎn)變、從提升師生信息技術(shù)應(yīng)用能力向全面提升其信息素養(yǎng)轉(zhuǎn)變、從融合應(yīng)用向創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)變，努力構(gòu)建‘互聯(lián)網(wǎng)+條件下的人才培養(yǎng)新模式、發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的教育服務(wù)新模式、探索信息時(shí)代教育治理新模式”等發(fā)展目標(biāo)，為我國(guó)教育信息化發(fā)展指明了方向。國(guó)家教育資源公共服務(wù)平臺(tái)、國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)等國(guó)家級(jí)信息化教學(xué)平臺(tái)快速擴(kuò)充課程資源，完善平臺(tái)功能，愛(ài)課程、超星、優(yōu)學(xué)院等教育部推出的線上課程平臺(tái)自2020年運(yùn)用至今，均已成為較為全面的信息化教學(xué)平臺(tái)，為我國(guó)教育信息化精細(xì)化、規(guī)范化、科學(xué)化全面發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

與理論教學(xué)相比，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化程度相對(duì)偏低，主要由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化需要依托完善的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成果。并且由于實(shí)驗(yàn)課程以實(shí)踐為主要教學(xué)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，在信息化改革過(guò)程中需要平衡“虛”與“實(shí)”的比例。以教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)效果為導(dǎo)向，綜合評(píng)估教學(xué)內(nèi)容適合于以哪種方式開(kāi)展。既不丟失傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式過(guò)程中對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐能力的培養(yǎng)，又能夠借助信息化手段豐富教學(xué)資源，增強(qiáng)教學(xué)靈活性，降低教學(xué)成本，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2?礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀

2.1?礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)

地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程大多具有專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)條件要求高、知識(shí)點(diǎn)龐雜等特點(diǎn)。其中，礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門(mén)十分典型的地質(zhì)學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程［58］，以觀察識(shí)別各類(lèi)礦物巖石的宏觀、微觀形態(tài)特征、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而鑒定礦物、巖石種類(lèi)為主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。巖礦實(shí)驗(yàn)室則是開(kāi)展礦物巖石學(xué)教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室。傳統(tǒng)巖礦實(shí)驗(yàn)室以大量巖礦標(biāo)本以及顯微鏡等鑒定設(shè)備為主，是開(kāi)設(shè)地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的高校以及開(kāi)展地質(zhì)研究的科研院所的必備實(shí)驗(yàn)室。由于礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察精度要求高、經(jīng)驗(yàn)判斷過(guò)程多、主觀性較強(qiáng)，目前高校、科研院所仍然以傳統(tǒng)巖礦實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展線下實(shí)驗(yàn)為主要教學(xué)方式，建成的數(shù)字巖礦實(shí)驗(yàn)室較少，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不足。

2.2?礦物巖石學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)研，公共資源以各高校數(shù)字地質(zhì)博物館、中國(guó)數(shù)字地質(zhì)博物館、國(guó)家?guī)r礦化石標(biāo)本資源信息網(wǎng)等平臺(tái)為主，具有成系統(tǒng)的礦物、巖石、化石標(biāo)本線上信息資源，但整體以照片配合簡(jiǎn)單描述為主，具備礦物巖石學(xué)科普教育功能，但無(wú)法很好地承擔(dān)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)任務(wù)。

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改變和線上教學(xué)需求的增加，各高校逐步開(kāi)展了數(shù)字巖礦實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作的探索。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）［9］、長(zhǎng)安大學(xué)［10］、北京大學(xué)［11］、長(zhǎng)江大學(xué)［12］等地質(zhì)高校均計(jì)劃采用三維掃描建?；蚨嘁晥D立體視覺(jué)三維重建技術(shù)建立數(shù)字巖礦標(biāo)本三維模型，在此技術(shù)上實(shí)現(xiàn)信息化巖礦實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與礦物巖石學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。但目前，各高校實(shí)信息化數(shù)字實(shí)驗(yàn)室并未有開(kāi)放，推測(cè)仍處在建設(shè)階段或涉及保密問(wèn)題不宜開(kāi)放信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。礦物巖石學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方面，各大高校也在積極開(kāi)發(fā)，根據(jù)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)資源信息，礦物巖石學(xué)相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共3項(xiàng)，分別由中國(guó)石油大學(xué)（華東）、北京大學(xué)及河北地質(zhì)大學(xué)開(kāi)發(fā)。其中，中國(guó)石油大學(xué)（華東）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以礦物鏡下觀察鑒定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為主，能夠?qū)崿F(xiàn)單偏光、正交偏光觀察實(shí)驗(yàn)（圖1），北京大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可進(jìn)行礦物手標(biāo)本觀察鑒定和鏡下觀察鑒定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（圖2），河北地質(zhì)大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可進(jìn)行礦物手標(biāo)本觀察和基本物理性質(zhì)測(cè)定（圖3）。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，目前在數(shù)字巖礦實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和礦物巖石學(xué)虛擬仿真教學(xué)方面，礦物薄片鑒定相關(guān)實(shí)驗(yàn)的完成度和實(shí)用性最強(qiáng)，能夠?qū)嶋H承擔(dān)一定實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目的。這是由于顯微鏡鏡下觀察所見(jiàn)為礦物巖石的二維微觀圖像，且顯微鏡操作較為“公式化”，隨機(jī)性較低，因此巖礦薄片標(biāo)本的數(shù)字化和鏡下鑒定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)較為容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，建設(shè)高校多為“研究型”高校，其人才培養(yǎng)目標(biāo)多為“科研型”人才，其實(shí)驗(yàn)課程安排偏重于鏡下鑒定，而對(duì)于礦物巖石手標(biāo)本和巖石鑒定方面的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還有待進(jìn)一步完善。由于巖石組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造復(fù)雜，手標(biāo)本細(xì)節(jié)多，這導(dǎo)致對(duì)巖石標(biāo)本和礦物手標(biāo)本的建模難度較高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的觀察點(diǎn)多且實(shí)驗(yàn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，虛擬標(biāo)本和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的還原度不高，這些特點(diǎn)導(dǎo)致巖石鑒定和礦物手標(biāo)本鑒定方面的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展相對(duì)滯后，虛擬教學(xué)效果有待提高。

3?教學(xué)模式改革關(guān)鍵問(wèn)題

（1）緩解礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容密度高，填補(bǔ)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求缺口。目前，各高校培養(yǎng)方案改革均對(duì)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)課程結(jié)構(gòu)和課時(shí)量進(jìn)行優(yōu)化，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，貫徹“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，這在一定程度上增加了礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的內(nèi)容密度。礦物巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)本身已經(jīng)具有知識(shí)點(diǎn)多、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)一步增加教學(xué)內(nèi)容密度，無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步增加課程難度。同時(shí)，由于學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的掌握程度不同，其學(xué)習(xí)需求具有較大區(qū)別。在以往的課程調(diào)查問(wèn)卷中，學(xué)生對(duì)于各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)感受和自我評(píng)價(jià)有較大區(qū)別。這樣的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求在線下教學(xué)過(guò)程中較難實(shí)現(xiàn)，但在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的自主性高，能夠?qū)W(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行個(gè)性化選擇，從而滿足各類(lèi)不同的學(xué)習(xí)需求。

（2）發(fā)揮虛、實(shí)優(yōu)勢(shì)，切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。線上、線下實(shí)驗(yàn)課程具有不同特點(diǎn)。線下實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣訌?qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備具體認(rèn)識(shí)和實(shí)際操作能力，有利于學(xué)生的動(dòng)手能力和靈活應(yīng)變能力的培養(yǎng)，但受實(shí)驗(yàn)條件、課程時(shí)間和師生比例的限制，學(xué)生大多以類(lèi)似的方式和流程開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，個(gè)性化程度不高，實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間有限。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則具有靈活性高、教學(xué)資源豐富、學(xué)生自主性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)，部分實(shí)驗(yàn)具有隨機(jī)性，不適合進(jìn)行虛擬化建設(shè)，且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的“仿真”程度受到技術(shù)水平和硬件水平等方面的控制，而實(shí)驗(yàn)的“仿真”程度又能在很大程度上影響實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)水平不高、比例過(guò)高或項(xiàng)目安排不合理等均可能會(huì)導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。因此，在實(shí)際課程改革過(guò)程中，需要充分考慮實(shí)驗(yàn)內(nèi)容特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)水平、實(shí)驗(yàn)室硬件條件、課程課時(shí)安排等多方面因素，充分平衡虛、實(shí)教學(xué)內(nèi)容和比例，發(fā)揮虛、實(shí)兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)，以虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的改革目標(biāo)。

（3）豐富課程評(píng)價(jià)體系，提高評(píng)價(jià)指標(biāo)科學(xué)性和有效性。引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)后，課程評(píng)價(jià)體系也應(yīng)隨之調(diào)整。課程評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)能夠兼顧線上實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)驗(yàn)，能夠綜合評(píng)價(jià)學(xué)生在虛和實(shí)兩大環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)、掌握情況。因此，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中就應(yīng)該考慮將評(píng)價(jià)系統(tǒng)融入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)能夠反映學(xué)生學(xué)習(xí)次數(shù)、學(xué)習(xí)時(shí)間、操作情況、答題情況、考核情況等方面的情況，繼而綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的線上實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情況和效果。線下實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系也應(yīng)進(jìn)行改革，進(jìn)一步豐富考核環(huán)節(jié)，從實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)高校辦學(xué)水平不斷提高和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，學(xué)校硬件條件提高的同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)硬件門(mén)檻也逐漸降低。目前許多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在手機(jī)和個(gè)人電腦上均可以順暢運(yùn)行，這是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)得以推廣應(yīng)用的重要條件之一。從開(kāi)發(fā)者角度，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、3D動(dòng)畫(huà)技術(shù)以及動(dòng)態(tài)捕捉、三維建模等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)質(zhì)量快速提升，線上實(shí)驗(yàn)的“仿真”程度越來(lái)越高，這也是虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠?qū)嶋H應(yīng)用并取得符合預(yù)期的教學(xué)效果的技術(shù)前提之一。我國(guó)推進(jìn)教學(xué)信息化改革和教育資源共享的發(fā)展目標(biāo)，也為虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革提出了需求和方向。綜合來(lái)看，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)向虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變具有理論可行性和技術(shù)可行性。

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基金項(xiàng)目：貴州省高等學(xué)校教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革項(xiàng)目（2020194）；六盤(pán)水師范學(xué)院教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革研究項(xiàng)目（LPSSYjg202134）；六盤(pán)水師范學(xué)院一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目（LPSSYylkz202008）；六盤(pán)水師范學(xué)院專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目（LPSSYzyzhggsd202001）；六盤(pán)水師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（LPSSYsyjxsfzx201802）

作者簡(jiǎn)介：黃宇琪（1990—?），女，漢族，江蘇常熟人，碩士研究生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)室管理。

*通訊作者：魏中舉（1985—?），男，漢族，山東巨野人，碩士研究生，副教授，研究方向：采礦工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)室管理。