黃宇琪 魏中舉 張鵬 黃明達 楊軍偉

摘?要：為推進我國教育信息化發(fā)展目標，適應新時代國家發(fā)展對地質(zhì)類人才的新需求，地質(zhì)工程實驗課程教學模式應不斷進行改革。礦物巖石學實驗是地質(zhì)工程專業(yè)的重要基礎實驗，具有專業(yè)性強、實驗條件要求高、知識點龐雜等特點。推進礦物巖石學實驗虛實結(jié)合教學模式改革，既能夠解決實驗課程的“時空”限制問題，又能夠滿足學生個性化學習需求，真正建立以學生為主導的實驗課堂，切實提升實驗教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；礦物巖石學

教育部在2018年發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》中指出“到2022年基本實現(xiàn)‘三全兩高一大（教學應用覆蓋全體教師、學習應用覆蓋全體適齡學生、數(shù)字校園建設覆蓋全體學校，信息化應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）”的教育信息化發(fā)展目標。隨著計算機信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以數(shù)字實驗室及虛擬仿真實驗技術(shù)為代表的信息化實驗教學手段與地質(zhì)類專業(yè)基礎實驗課程的結(jié)合是地質(zhì)類實驗課程體系改革的必然趨勢。虛擬仿真實驗教學方法的引入將會改變傳統(tǒng)實驗教學模式，虛實結(jié)合式礦物巖石學實驗教學能夠解決礦物巖石實驗巖礦標本獲得難度大、實驗內(nèi)容多、學生自主學習難等多方面問題，推動地質(zhì)工程實驗教學信息化改革，提升實驗教學質(zhì)量，提高學生專業(yè)綜合素質(zhì)。

1?虛實結(jié)合式實驗教學

虛擬實驗是指根據(jù)具體教學需求和實驗項目建立虛擬實驗環(huán)境，運用各種虛擬儀器和設備，對虛擬實驗模型進行實時仿真，構(gòu)成新型實驗教學的方法［14］。虛實結(jié)合式實驗教學指將虛擬仿真實驗教學與傳統(tǒng)教學相結(jié)合的教學方式，是實驗課程進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行動計劃》，明確提出“推動從教育專用資源向教育大資源轉(zhuǎn)變、從提升師生信息技術(shù)應用能力向全面提升其信息素養(yǎng)轉(zhuǎn)變、從融合應用向創(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)的教育服務新模式、探索信息時代教育治理新模式”等發(fā)展目標，為我國教育信息化發(fā)展指明了方向。國家教育資源公共服務平臺、國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺等國家級信息化教學平臺快速擴充課程資源，完善平臺功能，愛課程、超星、優(yōu)學院等教育部推出的線上課程平臺自2020年運用至今，均已成為較為全面的信息化教學平臺，為我國教育信息化精細化、規(guī)范化、科學化全面發(fā)展奠定基礎。

與理論教學相比，實驗教學的信息化程度相對偏低，主要由于實驗教學的信息化需要依托完善的虛擬仿真實驗平臺、虛擬仿真實驗項目、虛擬實驗室建設成果。并且由于實驗課程以實踐為主要教學環(huán)節(jié)的特點，在信息化改革過程中需要平衡“虛”與“實”的比例。以教學目標和教學效果為導向，綜合評估教學內(nèi)容適合于以哪種方式開展。既不丟失傳統(tǒng)實驗教學方式過程中對學生動手能力、實踐能力的培養(yǎng)，又能夠借助信息化手段豐富教學資源，增強教學靈活性，降低教學成本，進而提高實驗教學效果。

2?礦物巖石學實驗課程現(xiàn)狀

2.1?礦物巖石學實驗課程特點

地質(zhì)類專業(yè)基礎實驗課程大多具有專業(yè)性強、實驗條件要求高、知識點龐雜等特點。其中，礦物巖石學實驗是一門十分典型的地質(zhì)學專業(yè)基礎實驗課程［58］，以觀察識別各類礦物巖石的宏觀、微觀形態(tài)特征、物理性質(zhì)、化學性質(zhì)，進而鑒定礦物、巖石種類為主要實驗內(nèi)容。巖礦實驗室則是開展礦物巖石學教學、科研實驗的專業(yè)實驗室。傳統(tǒng)巖礦實驗室以大量巖礦標本以及顯微鏡等鑒定設備為主，是開設地質(zhì)類專業(yè)的高校以及開展地質(zhì)研究的科研院所的必備實驗室。由于礦物巖石學實驗觀察精度要求高、經(jīng)驗判斷過程多、主觀性較強，目前高校、科研院所仍然以傳統(tǒng)巖礦實驗室開展線下實驗為主要教學方式，建成的數(shù)字巖礦實驗室較少，虛擬仿真實驗項目不足。

2.2?礦物巖石學虛擬仿真實驗現(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、中國數(shù)字地質(zhì)博物館、國家?guī)r礦化石標本資源信息網(wǎng)等平臺為主，具有成系統(tǒng)的礦物、巖石、化石標本線上信息資源，但整體以照片配合簡單描述為主，具備礦物巖石學科普教育功能，但無法很好地承擔地質(zhì)專業(yè)課程教學任務。

隨著實驗教學模式的改變和線上教學需求的增加，各高校逐步開展了數(shù)字巖礦實驗室的建設工作的探索。中國地質(zhì)大學（武漢）［9］、長安大學［10］、北京大學［11］、長江大學［12］等地質(zhì)高校均計劃采用三維掃描建模或多視圖立體視覺三維重建技術(shù)建立數(shù)字巖礦標本三維模型，在此技術(shù)上實現(xiàn)信息化巖礦實驗室的構(gòu)建與礦物巖石學虛擬仿真實驗項目的開發(fā)。但目前，各高校實信息化數(shù)字實驗室并未有開放，推測仍處在建設階段或涉及保密問題不宜開放信息化實驗平臺。礦物巖石學虛擬仿真實驗方面，各大高校也在積極開發(fā)，根據(jù)國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺資源信息，礦物巖石學相關(guān)虛擬仿真實驗共3項，分別由中國石油大學（華東）、北京大學及河北地質(zhì)大學開發(fā)。其中，中國石油大學（華東）虛擬仿真實驗項目以礦物鏡下觀察鑒定虛擬仿真實驗為主，能夠?qū)崿F(xiàn)單偏光、正交偏光觀察實驗（圖1），北京大學虛擬仿真實驗項目可進行礦物手標本觀察鑒定和鏡下觀察鑒定虛擬仿真實驗（圖2），河北地質(zhì)大學虛擬仿真實驗項目可進行礦物手標本觀察和基本物理性質(zhì)測定（圖3）。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，目前在數(shù)字巖礦實驗室建設和礦物巖石學虛擬仿真教學方面，礦物薄片鑒定相關(guān)實驗的完成度和實用性最強，能夠?qū)嶋H承擔一定實驗教學任務，達到教學目的。這是由于顯微鏡鏡下觀察所見為礦物巖石的二維微觀圖像，且顯微鏡操作較為“公式化”，隨機性較低，因此巖礦薄片標本的數(shù)字化和鏡下鑒定虛擬仿真實驗較為容易實現(xiàn)。同時，建設高校多為“研究型”高校，其人才培養(yǎng)目標多為“科研型”人才，其實驗課程安排偏重于鏡下鑒定，而對于礦物巖石手標本和巖石鑒定方面的虛擬實驗項目還有待進一步完善。由于巖石組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造復雜，手標本細節(jié)多，這導致對巖石標本和礦物手標本的建模難度較高，實驗過程的觀察點多且實驗過程相對復雜，虛擬標本和虛擬仿真實驗的還原度不高，這些特點導致巖石鑒定和礦物手標本鑒定方面的虛擬實驗項目建設進展相對滯后，虛擬教學效果有待提高。

3?教學模式改革關(guān)鍵問題

（1）緩解礦物巖石學實驗教學內(nèi)容密度高，填補學生個性化學習需求缺口。目前，各高校培養(yǎng)方案改革均對人才培養(yǎng)方案進行了調(diào)整，對課程結(jié)構(gòu)和課時量進行優(yōu)化，增加了學生學習的自主性，貫徹“以學生為中心”的教學理念，這在一定程度上增加了礦物巖石學實驗課程教學的內(nèi)容密度。礦物巖石學實驗本身已經(jīng)具有知識點多、專業(yè)性強的特點，進一步增加教學內(nèi)容密度，無疑會進一步增加課程難度。同時，由于學生對各知識點的掌握程度不同，其學習需求具有較大區(qū)別。在以往的課程調(diào)查問卷中，學生對于各實驗內(nèi)容及各實驗環(huán)節(jié)的學習感受和自我評價有較大區(qū)別。這樣的個性化學習需求在線下教學過程中較難實現(xiàn)，但在虛擬仿真實驗中，學生的自主性高，能夠?qū)W習內(nèi)容和學習過程進行個性化選擇，從而滿足各類不同的學習需求。

（2）發(fā)揮虛、實優(yōu)勢，切實提高實驗教學效果。線上、線下實驗課程具有不同特點。線下實驗能夠加強學生對實驗設備具體認識和實際操作能力，有利于學生的動手能力和靈活應變能力的培養(yǎng)，但受實驗條件、課程時間和師生比例的限制，學生大多以類似的方式和流程開展實驗，個性化程度不高，實驗時間、空間有限。虛擬仿真實驗則具有靈活性高、教學資源豐富、學生自主性強等優(yōu)勢，但同時，部分實驗具有隨機性，不適合進行虛擬化建設，且虛擬仿真實驗的“仿真”程度受到技術(shù)水平和硬件水平等方面的控制，而實驗的“仿真”程度又能在很大程度上影響實驗課程教學效果。虛擬仿真實驗開發(fā)水平不高、比例過高或項目安排不合理等均可能會導致教學效果不佳。因此，在實際課程改革過程中，需要充分考慮實驗內(nèi)容特點、實驗教學目標、虛擬仿真實驗項目建設水平、實驗室硬件條件、課程課時安排等多方面因素，充分平衡虛、實教學內(nèi)容和比例，發(fā)揮虛、實兩種實驗教學方式的優(yōu)點，以虛實結(jié)合的創(chuàng)新教學模式達到提高實驗教學效果的改革目標。

（3）豐富課程評價體系，提高評價指標科學性和有效性。引入虛擬仿真實驗教學環(huán)節(jié)后，課程評價體系也應隨之調(diào)整。課程評價指標應能夠兼顧線上實驗和線下實驗，能夠綜合評價學生在虛和實兩大環(huán)節(jié)的學習、掌握情況。因此，在虛擬仿真實驗項目建設過程中就應該考慮將評價系統(tǒng)融入實驗平臺，應能夠反映學生學習次數(shù)、學習時間、操作情況、答題情況、考核情況等方面的情況，繼而綜合評價學生的線上實驗學習情況和效果。線下實驗評價體系也應進行改革，進一步豐富考核環(huán)節(jié)，從實驗的各個環(huán)節(jié)綜合評價學生的學習效果。

結(jié)語

隨著我國高校辦學水平不斷提高和信息技術(shù)的不斷進步，學校硬件條件提高的同時，虛擬仿真技術(shù)硬件門檻也逐漸降低。目前許多虛擬仿真實驗平臺在手機和個人電腦上均可以順暢運行，這是虛擬仿真實驗得以推廣應用的重要條件之一。從開發(fā)者角度，隨著網(wǎng)絡技術(shù)、3D動畫技術(shù)以及動態(tài)捕捉、三維建模等相關(guān)技術(shù)的不斷進步，虛擬仿真實驗的開發(fā)難度和開發(fā)質(zhì)量快速提升，線上實驗的“仿真”程度越來越高，這也是虛實結(jié)合的實驗教學模式能夠?qū)嶋H應用并取得符合預期的教學效果的技術(shù)前提之一。我國推進教學信息化改革和教育資源共享的發(fā)展目標，也為虛實結(jié)合的實驗教學模式改革提出了需求和方向。綜合來看，傳統(tǒng)實驗教學向虛實結(jié)合實驗教學模式的轉(zhuǎn)變具有理論可行性和技術(shù)可行性。

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基金項目：貴州省高等學校教學內(nèi)容和課程體系改革項目（2020194）；六盤水師范學院教學內(nèi)容和課程體系改革研究項目（LPSSYjg202134）；六盤水師范學院一流本科課程建設項目（LPSSYylkz202008）；六盤水師范學院專業(yè)綜合改革試點項目（LPSSYzyzhggsd202001）；六盤水師范學院實驗教學示范中心（LPSSYsyjxsfzx201802）

作者簡介：黃宇琪（1990—?），女，漢族，江蘇常熟人，碩士研究生，高級實驗師，研究方向：地質(zhì)工程實驗教學及實驗室管理。

*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：采礦工程專業(yè)教學及實驗室管理。