楊 鋒，劉蘇橋，白艷萍，馮佐海，張桂林

（桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院／廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004）

晶體光學(xué)是研究可見光通過(guò)透明礦物晶體時(shí)所引起的反射、雙折射、全反射、偏光、吸收、干涉、色散等光學(xué)現(xiàn)象及其規(guī)律的一門科學(xué)［1－2］。晶體光學(xué)是地質(zhì)學(xué)、資源勘查工程和寶石學(xué)等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是進(jìn)行礦物光性鑒定的基礎(chǔ)，更是學(xué)習(xí)礦物學(xué)、巖石學(xué)等課程的基礎(chǔ)［3］。由于晶體光學(xué)要在偏光顯微視野中觀察礦物形態(tài)及光學(xué)現(xiàn)象，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，掌握各種礦物形態(tài)以及光性特征。因此，實(shí)驗(yàn)課輔以先進(jìn)教學(xué)設(shè)備的運(yùn)用直接影響到實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果［4－5］。隨著當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展和新技術(shù)、新方法的不斷發(fā)明和涌現(xiàn)，作為現(xiàn)代教學(xué)的重要手段——顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科學(xué)研究［6－7］。

桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院于2008年建成了以顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為主的晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)4年的教學(xué)實(shí)踐，該平臺(tái)在提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和提高學(xué)生分析以及解決問題的能力等方面發(fā)揮了重要作用。

1 顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，見圖1。系統(tǒng)分為教師端和學(xué)生端。教師端和學(xué)生端都配備一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)和一架帶攝像裝置的偏光顯微鏡（實(shí)驗(yàn)室配備1臺(tái)教師機(jī)和40臺(tái)學(xué)生機(jī)），通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生之間實(shí)時(shí)互動(dòng)，進(jìn)行圖像、語(yǔ)音及文字等的傳輸。

圖1 顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 硬件配置

顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件組成主要包括Nikon E200POL和Leica DMEP兩種型號(hào)偏光顯微鏡、HP DX2310MT 微型計(jì)算機(jī)（包括教師端和學(xué)生端用計(jì)算機(jī)）、Moticam 2206顯微攝像裝置、EPSON 6010投影儀以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。

偏光顯微鏡是研究晶體光學(xué)性質(zhì)和進(jìn)行透明礦物薄片鑒定的重要儀器［8］，用來(lái)測(cè)定礦物不同方向的光學(xué)性質(zhì)。偏光顯微鏡配備3個(gè)補(bǔ)色器：光程差為550 nm 或530nm 的石膏試板、光程差為147nm 或137 nm 的云母試板以及光程差為0～1 650nm 的石英楔。補(bǔ)色器是已知晶體光率體橢圓半徑及光程差的礦片，是由已知非均質(zhì)晶體制成的一定厚度的定向切片。補(bǔ)色器可應(yīng)用補(bǔ)色法測(cè)定礦物某些光學(xué)常數(shù)和性質(zhì)。

1.2 軟件配置

顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用Motic DigiLab Ⅱ軟件系統(tǒng)［9］。該系統(tǒng)是一種全新的分布式數(shù)碼互動(dòng)軟件系統(tǒng)，分為教師端控制軟件和學(xué)生端控制軟件。教師端與每一個(gè)學(xué)生端都是獨(dú)立的圖像處理單元，各自具備強(qiáng)大的圖像分析、處理功能，還可通過(guò)系統(tǒng)自帶的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像的共享和語(yǔ)音的交流。教師通過(guò)教師端軟件可以觀察所有學(xué)生的偏光顯微鏡圖像與電腦屏幕圖像，隨時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并可通過(guò)屏幕控制對(duì)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立輔導(dǎo)。學(xué)生端軟件在教師端軟件的操作下，可以顯示教師端或其他任意一個(gè)學(xué)生端的圖像，實(shí)現(xiàn)師生之間（學(xué)生之間）真正的互動(dòng)。該系統(tǒng)還具備完善的語(yǔ)音和文字交流功能，提供廣播、對(duì)話、問答等多種交流方式，全面方便地滿足教學(xué)的需求。

2 系統(tǒng)在晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

晶體光學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為主的重要的地學(xué)專業(yè)課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式主要是借助偏光顯微鏡來(lái)觀察礦物在單偏光、正交偏光和錐光下的光學(xué)特征等，具有高度的實(shí)踐性。在傳統(tǒng)晶體光學(xué)教學(xué)中，教師只能利用晶體模型講解、手繪圖案或通過(guò)投影機(jī)等方式對(duì)光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行闡述，學(xué)生自己在偏光顯微鏡下觀察。然而多數(shù)學(xué)生在偏光顯微鏡下找不到需要觀察的礦物，或觀察方法不正確，幾乎都需要教師幫助。學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率低，教師的勞動(dòng)強(qiáng)度大。

顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在其他學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)較為普遍［10－12］，但在晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用未見相關(guān)文獻(xiàn)。本次探討了顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和功能，以及晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了兩者結(jié)合的特征，為拓展晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法提供參考。

2.1 全程監(jiān)控與教學(xué)示范

在顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)中，教師在學(xué)生屏幕的模式下只要點(diǎn)擊分組管理按鈕，監(jiān)控屏幕上可同時(shí)顯示所有學(xué)生的顯微數(shù)碼圖像；也可以選擇顯示任意一臺(tái)偏光顯微鏡下的圖像進(jìn)行教學(xué)示范。有利于教師及時(shí)了解學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，并就學(xué)生中普遍存在的問題進(jìn)行有針對(duì)性的講解指導(dǎo)，改變了教師被動(dòng)為學(xué)生解答問題的局面；同時(shí)教師可主動(dòng)向?qū)W生提出問題，引發(fā)學(xué)生思考。另外，教師利用顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以把顯微鏡下觀察的內(nèi)容通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕向?qū)W生展示。

以尋找輝石垂直光軸切面為例，許多學(xué)生難以辨別礦片中各種不同的礦物，且輝石的不同切面也具有不同的光學(xué)特征，教師可以拿一張礦片放在偏光顯微鏡載物臺(tái)上，鏡下的圖像會(huì)同步出現(xiàn)在學(xué)生機(jī)的屏幕，找到需要的礦物之后從低倍（4×）、中倍（10×、20×）到高倍（40×），單偏光到正交偏光的順序一步一步地觀察，見圖2。通過(guò)動(dòng)態(tài)的演示，伴以講解，能夠較好地啟發(fā)學(xué)生，使學(xué)生既能掌握輝石垂直晶體光軸的光學(xué)特征，也能對(duì)比斜交光軸的特征，或觀察其他礦物的形態(tài)及光學(xué)特征。因此，運(yùn)用顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使得教師的指導(dǎo)變得更加便捷。

2.2 實(shí)時(shí)互動(dòng)交流

教師通過(guò)監(jiān)控屏幕可隨時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并可以進(jìn)行師生間的互動(dòng)交流。例如教師發(fā)現(xiàn)礦片中有典型的礦物、或者學(xué)生在偏光顯微鏡下觀察到特殊的礦物顆粒，教師可以對(duì)部分或全班學(xué)生示教并討論，這樣就避免了傳統(tǒng)晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可能出現(xiàn)的找不準(zhǔn)或看錯(cuò)等現(xiàn)象。如果學(xué)生在偏光顯微鏡內(nèi)發(fā)現(xiàn)自己不認(rèn)識(shí)或不能確定的礦物，可對(duì)圖像中進(jìn)行標(biāo)記并提問，也可以請(qǐng)求發(fā)言，師生之間可以通過(guò)耳機(jī)用單獨(dú)對(duì)講的方式進(jìn)行解答。顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅建立了師生間互動(dòng)交流的平臺(tái)，更重要的是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的同時(shí)也減輕了授課教師的強(qiáng)度以及重復(fù)性。另外，同一實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生之間可以相互察看所見到的礦物特征，為實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行內(nèi)部討論提供了良好的平臺(tái)，促使學(xué)生之間相互交流，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又培養(yǎng)了他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

圖2 尋找輝石垂直晶體光軸切面及光學(xué)特性判斷圖

2.3 圖像分析及共享

Motic DigiLabⅡ軟件系統(tǒng)帶有圖像處理功能，能夠提供高清晰的畫面顯示。學(xué)生在偏光顯微鏡下觀察的礦物光學(xué)特征能夠被及時(shí)顯示，可以對(duì)觀察到的礦物形態(tài)的局部進(jìn)行預(yù)覽、放大，使觀察效果更好。顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)把教師端的偏光顯微鏡和學(xué)生端的偏光顯微鏡與計(jì)算機(jī)相連，鏡下數(shù)碼圖像可傳至計(jì)算機(jī)上，因此每位學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)自己的實(shí)驗(yàn)文件夾，把重要或難理解的各種礦物光學(xué)典型圖像進(jìn)行捕捉、拍照以及標(biāo)注后存儲(chǔ)在自己的文檔中，便于學(xué)生復(fù)習(xí)與記憶，為學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)提供方便。

由于在制片過(guò)程中切片的類型、部位、角度等一系列的原因?qū)е旅课粚W(xué)生所觀察到的礦物形態(tài)不盡相同。例如：觀察薄片中垂直光軸的礦物時(shí)，由于礦物切片方位不一樣，一些礦物很可能是斜交光軸的形態(tài)，教師可通過(guò)操作系統(tǒng)軟件對(duì)任何一臺(tái)偏光顯微鏡視野中出現(xiàn)的罕見、少見或典型礦物進(jìn)行捕捉、拍照、處理和保存，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積累的圖件可以豐富教學(xué)資源，用到后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課和理論課的教學(xué)、學(xué)生課外自學(xué)、復(fù)習(xí)以及科研中，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

另外，圖像處理系統(tǒng)還可對(duì)圖像進(jìn)行各種測(cè)量（長(zhǎng)度、面積、灰度值等）、錄像、編輯、剪切、放大、對(duì)比等。這些功能使教學(xué)內(nèi)容得到了極大的拓展。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生還可把多個(gè)易混淆的礦物圖像集中放在同一個(gè)屏幕上進(jìn)行對(duì)比分析，如鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石、普通輝石和紫蘇輝石、黑云母和普通角閃石等，在同一畫面上比較他們的異同，找出他們的區(qū)別點(diǎn)，從而加深對(duì)知識(shí)的理解，提高自主分析理解能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)碼顯微互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要功能在于其真實(shí)性、直觀性和互動(dòng)性，教師將偏光顯微鏡下的所見能實(shí)時(shí)地傳送到學(xué)生顯示屏上，利于觀察和講解；同時(shí)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控每位學(xué)生偏光顯微鏡下的畫面，并可以將任意學(xué)生的觀察礦片的過(guò)程演示給所有學(xué)生；通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行集體授課或單獨(dú)答疑輔導(dǎo)，學(xué)生也可以分組討論；還能對(duì)圖像進(jìn)行處理及共享等。所有的功能都在教師的監(jiān)控與授權(quán)的情況下實(shí)現(xiàn)，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。通過(guò)這一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以將教師與學(xué)生聯(lián)系在一起，使教師和學(xué)生間實(shí)現(xiàn)了真正意義上的雙向互動(dòng)。顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)、偏光顯微鏡、數(shù)碼攝像裝置和網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使得晶體光學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式、教學(xué)觀念和教學(xué)方法等得到了較大的改變。

晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較多，直觀性和實(shí)踐性極強(qiáng)。通過(guò)顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的投射使學(xué)生能更多地看到不同礦物的形態(tài)及光性特征，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握；同時(shí)，教師更容易實(shí)時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度與掌握程度，更好地發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問題。通過(guò)師生之間、學(xué)生之間交流互動(dòng)，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)理論運(yùn)用于實(shí)際的能力，減少了教師重復(fù)性的勞動(dòng)。顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，改變了以教師為主的晶體光學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，營(yíng)造了以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，為師生提供了教學(xué)互動(dòng)平臺(tái)，增強(qiáng)了晶體光學(xué)教學(xué)效果，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是地學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要方法和發(fā)展方向。

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