陳 艷
中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083
作為地質(zhì)學(xué)的主要學(xué)科之一,巖石學(xué)包括一系列專門課程和若干主干課程[1];晶體光學(xué)則是(薄片)巖石學(xué)研究的基礎(chǔ)[2],其研究在透射光下,礦物晶體的光學(xué)性質(zhì)?!皫r石學(xué)”和“晶體光學(xué)”都是地質(zhì)類專業(yè)中本科教學(xué)的重要基礎(chǔ)課程,為實(shí)踐與教學(xué)相結(jié)合的學(xué)科,其日常教學(xué)囊括了一系列顯微鏡的實(shí)驗(yàn)課程,用以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)、了解透明礦物的各種光學(xué)性質(zhì),進(jìn)而分析不同種類巖石的成因。巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)數(shù)和講課學(xué)時(shí)數(shù)的比例一般大于1,即實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)大于講課學(xué)時(shí)數(shù);對(duì)于晶體光學(xué)/光性礦物學(xué)課程,實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)數(shù)和講課學(xué)時(shí)數(shù)的比例則達(dá)2∶1,可見顯微鏡鏡下教學(xué)是巖石學(xué)與晶體光學(xué)日常教學(xué)的重中之重。
在地質(zhì)類專業(yè)中,傳統(tǒng)的顯微鏡實(shí)驗(yàn)課教學(xué)均應(yīng)用普通光學(xué)顯微鏡,每個(gè)學(xué)生人手一臺(tái),由于功能上的局限,教師與學(xué)生對(duì)鏡下圖像的交流存在諸多不便,這阻礙了老師對(duì)學(xué)生的有效指導(dǎo),且由于礦物的鏡下光學(xué)性質(zhì)具有一定抽象性,更使得學(xué)生對(duì)相關(guān)課程的理解和記憶產(chǎn)生困難。近年來,隨著高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)與數(shù)碼化處理技術(shù)的應(yīng)用,顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)被應(yīng)用于高等教育不同學(xué)科專業(yè)課的顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,如生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等,并取得了優(yōu)異的教學(xué)效果。對(duì)于地質(zhì)學(xué)的相關(guān)專業(yè),目前國(guó)內(nèi)也有少量高校引入了該系統(tǒng)。實(shí)踐表明,其使巖石學(xué)、晶體光學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式發(fā)生了歷史性改變,有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率,推動(dòng)了顯微鏡實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的發(fā)展。
在傳統(tǒng)巖石學(xué)、晶體光學(xué)的顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,師生間、學(xué)生間的溝通與交流由于設(shè)備的局限性,在時(shí)間、空間上都存在諸多障礙。在傳統(tǒng)模式下,老師講解后,學(xué)生便各自使用自己的顯微鏡,獨(dú)自觀察薄片內(nèi)容,老師無法看到學(xué)生的鏡下圖像,無法獲知學(xué)生是否觀察正確或操作正確。同時(shí),師生之間與學(xué)生之間也無法對(duì)鏡下圖像進(jìn)行共享,這使得課堂自由溝通存在困難。在薄片觀察過程中,教師則需行走于有問題的學(xué)生中,逐個(gè)進(jìn)行輔導(dǎo)或示教,在有限的課堂時(shí)間內(nèi),必有很多提問的學(xué)生無法得到教師的有效指導(dǎo),師生間無法通暢地交流。
此外,傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡由于不能進(jìn)行圖像的遠(yuǎn)距離傳輸和存儲(chǔ),一些典型的鏡下圖像或好的實(shí)驗(yàn)材料只能局限于某一次實(shí)驗(yàn)課中,無法即時(shí)保存與傳輸,日后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能利用,教學(xué)資源無法共享。
由于實(shí)驗(yàn)課上課人數(shù)一般較多,且人手單獨(dú)一臺(tái)顯微鏡,所以學(xué)生在觀察薄片過程中遇到的困難或操作上的錯(cuò)誤,教師往往無法第一時(shí)間察覺。加之巖石學(xué)與晶體光學(xué)的鏡下課程本身具有一定抽象性,學(xué)生遇到的問題得不到及時(shí)有效地解決,加大了學(xué)習(xí)的難度。此外,傳統(tǒng)模式下,教師無法實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生在課堂上的相關(guān)實(shí)驗(yàn)行為,不僅不利于教學(xué)質(zhì)量的提高,也不利于課堂秩序的規(guī)范及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)。
傳統(tǒng)的巖石學(xué)、晶體光學(xué)顯微鏡實(shí)驗(yàn)課中,老師在課堂上除負(fù)責(zé)主場(chǎng)教學(xué)之外,其余有限時(shí)間多行走于學(xué)生之中進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo),該過程耗時(shí)耗力,需要教師逐一到學(xué)生的顯微鏡下進(jìn)行觀察;而對(duì)于一些難點(diǎn)問題,如錐光鏡下干涉圖的觀察,則常需要教師對(duì)顯微鏡一一進(jìn)行調(diào)試,過程耗時(shí)且效率低下。從學(xué)生的角度而言,整堂實(shí)驗(yàn)課除了開始教師的講解外,都在自行進(jìn)行鏡下觀察,過程枯燥,遇到問題需要等待很久方可得到老師的指導(dǎo),或根本得不到指導(dǎo),教學(xué)質(zhì)量低下。
顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室主要包含數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及其軟件系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)以及語(yǔ)音問答系統(tǒng)等部分[3],該系統(tǒng)建立在100M局域網(wǎng)平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)了顯微互動(dòng)教室、語(yǔ)音室和多媒體微機(jī)室三個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了三網(wǎng)合一。在功能上,其具有顯微數(shù)碼系統(tǒng)內(nèi)置式、可選擇性多向語(yǔ)音問答系統(tǒng)、多畫面實(shí)時(shí)顯示及其他強(qiáng)大的配套教學(xué)功能。在組成上,實(shí)驗(yàn)室配備N臺(tái)(取決于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模)學(xué)生用數(shù)碼顯微鏡及1臺(tái)教師用數(shù)碼顯微鏡,通過軟件與分配器,學(xué)生用顯微鏡內(nèi)的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)浇處煻穗娔X上,每位學(xué)生與教師都配備有電子呼叫系統(tǒng)和耳機(jī)[4]。應(yīng)用此數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)后,上述巖石學(xué)與晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性都可得到解決。該互動(dòng)系統(tǒng)的各主要功能見表1。
顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室在巖石學(xué)和晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用能變革傳統(tǒng)的教學(xué)模式,為這些課程的教學(xué)注入新的理念。
在顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中,通過網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)控制軟件,教師只需通過其電腦工作站,即可顯示和捕捉教師端200萬(wàn)像素的數(shù)碼顯微鏡圖像,同時(shí)還可控制學(xué)生端所有的顯微鏡圖像,包括對(duì)其進(jìn)行顯示、捕捉、放大以及對(duì)每個(gè)實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整(如圖1)。該功能讓教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程了如指掌,有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題,以便準(zhǔn)確指導(dǎo)。教師端還可將其鏡下圖像傳輸給全體學(xué)生,以達(dá)到示教的作用,也可把任一學(xué)生圖像傳輸?shù)饺w學(xué)生的電腦上,以達(dá)到示范的作用。將這些功能應(yīng)用到“巖石學(xué)”和“晶體光學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,能讓教師與學(xué)生間對(duì)鏡下薄片圖像進(jìn)行暢通共享。
圖1 顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)的教師端電腦畫面(以MiE顯微圖像處理軟件為例)
此外,顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)大的語(yǔ)音功能也極大方便了師生間的交流,其使溝通更方便,討論內(nèi)容更明確。學(xué)生端借助該系統(tǒng)即時(shí)向老師提出問題,教師可選擇不同通話模式與學(xué)生進(jìn)行交流,并可觀察學(xué)生端電腦圖像。語(yǔ)音交流中可選擇師生對(duì)講模式、全體廣播模式、分組練習(xí)模式、學(xué)生示范模式、隨意呼叫模式以及任意對(duì)話模式等(表1)。分組練習(xí)和師生對(duì)講模式等新穎的教學(xué)方式活躍了課堂氣氛,激發(fā)了學(xué)生的求知欲,實(shí)現(xiàn)了教師和學(xué)生間的雙向溝通,有效提高教學(xué)質(zhì)量[5]。
表1 顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的主要功能簡(jiǎn)介
在巖石學(xué)、晶體光學(xué)的實(shí)驗(yàn)課中,觀察薄片的典型鏡下圖像、全體的實(shí)時(shí)討論和錄制/觀看相關(guān)鏡下圖像是課堂教學(xué)的三種有效方式,顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)使該三種方式充分整合。在傳統(tǒng)的晶體光學(xué)和巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,多是教師先行對(duì)課本進(jìn)行講解,而后學(xué)生單獨(dú)進(jìn)行鏡下觀察、體會(huì),由于很多課程內(nèi)容都有一定抽象性,光靠口頭講解與課本插圖很難讓學(xué)生深刻理解,如礦物在單偏光鏡下的多色性與吸收性、貝克線的移動(dòng)、突起的變化以及等礦物在正交偏光鏡下消光角的測(cè)定、延性符號(hào)的測(cè)定等。數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)建立后,學(xué)生不僅可實(shí)時(shí)觀察教師端鏡下的活動(dòng)影像,教師還可將上述難理解的課程內(nèi)容及其他難點(diǎn)、重點(diǎn)錄制成影像,使得抽象內(nèi)容可視化,通過播放讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固和加強(qiáng),課后這些影像還可作為教學(xué)素材進(jìn)行分享。
此外,學(xué)生也可自行對(duì)自己的鏡下圖像進(jìn)行拍照、錄像,并存儲(chǔ)(圖2)便于課后復(fù)習(xí)鞏固。顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)的這些功能,可變學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí),極大提高了教學(xué)質(zhì)量。
圖2 顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)的學(xué)生端電腦畫面(以MiE顯微圖像處理軟件為例)
實(shí)驗(yàn)考核是反映學(xué)生能力和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的必要手段,在顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中,對(duì)學(xué)生的考核則可采取全新的方式。教師可按一定的順序?qū)W(xué)生分相同或不同的電子文檔(如試題、練習(xí)題等);學(xué)生也可將試卷、習(xí)題等以文檔的形式提交給老師?;?dòng)實(shí)驗(yàn)室還可組織電子考場(chǎng)(圖3):系統(tǒng)題庫(kù)自動(dòng)生成A、B卷并進(jìn)行分發(fā),學(xué)生完成答題后對(duì)系統(tǒng)提交,系統(tǒng)可對(duì)客觀題自動(dòng)評(píng)分、統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行檔案保存。該系統(tǒng)還支持多種考試管理模塊和多種題型內(nèi)置。其次,對(duì)于“晶體光學(xué)”和“巖石學(xué)”實(shí)驗(yàn)考核,可將現(xiàn)場(chǎng)薄片鑒定融入其中,例如,給學(xué)生們分發(fā)不同的巖石薄片,讓其當(dāng)場(chǎng)鑒定,并將鑒定結(jié)果及其典型薄片圖像/錄像一并提交,以此來考核學(xué)生的對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握情況及實(shí)際操作能力。
顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)是一種全新的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)備,目前國(guó)內(nèi)多所高校已經(jīng)投入使用,且在不同專業(yè)的顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都取得了很好的教學(xué)效果。數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式減少了演示、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),使礦物的鏡下光學(xué)特征影像化、明朗化,增加了學(xué)生的動(dòng)手操作,可糾正學(xué)生在課堂上僅重視實(shí)驗(yàn)結(jié)果而忽視實(shí)驗(yàn)過程的現(xiàn)狀;更重要的是通過學(xué)生動(dòng)手操作的過程,可增強(qiáng)他們對(duì)科學(xué)研究的熱情,激發(fā)創(chuàng)新意識(shí),培養(yǎng)觀察問題和分析問題的能力,以及獨(dú)立思考和創(chuàng)造性思維能力??傊?,這種互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室能使晶體光學(xué)和巖石學(xué)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方式發(fā)生歷史性改變,對(duì)提高相關(guān)專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率能起到很大的推動(dòng)作用。
圖3 顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)的電子考場(chǎng)系統(tǒng)畫面(以MiE顯微圖像處理軟件為例
當(dāng)然,顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)功能強(qiáng)大,有許多功能還待進(jìn)一步開發(fā),我們應(yīng)在日常教學(xué)應(yīng)用中不斷探索,以便其為“巖石學(xué)”和“晶體光學(xué)”的實(shí)驗(yàn)課程更好地服務(wù)。
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