数码偏光显微互动实验教学在地学类学科中的应用与发展

朱章雄 赖富强 达雪娟 刘卫华 王鑫

摘要：将传统地学类学科中的晶体光学、矿物岩石学、古生物学以及宝玉石鉴定等课程中的单目偏光显微镜，升级换代为数码偏光互动显微系统。该系统把现代显微光学、计算机图像、网络及软件系统集成于现代地学教学中，能在共享镜下清晰显微图像的同时，进行语音互动交流，并且还能实现镜下图像实时存储及远程互动教学等功能。这种互动实验新模式，使地学实验在形式和内容上都发生了根本变化，教学效果及质量得到极大提高。为实验教改、科研及学生学习兴趣和实践能力的提升奠定了扎实基础，为应用型人才培养搭建了良好平台。

关键词：数码偏光显微互动;地学类学科;实验教学新模式;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）18-0251-02

晶体光学与矿物岩石学是地学类专业（资源勘查、地质学等专业）学生最早学习的专业基础课程，是地学专业学生的必修课程，课程不但理论课时高，还有大量的实验课时配套，基本要求是每位学生都会用偏光显微镜，对岩矿标本进行微观形貌分析;通过观察描述各种、矿物晶体及岩石薄片的结构组成、形态特征，加强理论与实际的结合，为后续《构造地质学》等专业课学习打基础。

地学专业的矿岩实验最常用的仪器设备是偏光显微镜，但由于传统显微镜设计是单人单镜单筒观察，上课过程中，每位学生一台，教师也只能一对一指导，在目前大班教学过程中，师生单独互动交流效率低，实验教学效果较差;随着数码偏光显微互动实验室的引进，矿岩实验教学发生了根本变化。随着厦门麦克奥迪公司提供的Motic数码显微互动实验室的建成，经过五年多的教学实践及经验反馈，教学过程发生改变，整体效果良好，师生广泛认可，且该实验室因此成为国家级实验示范中心下属分室。

一、数码偏光显微互动实验平台简介

本套教学平台由40台学生用数码偏光显微镜与HP电脑配套联机、1台教师用数码偏光显微镜、MOTIC DIGITAL LAB软件、MOTICVOICE语音系统、MULTIPIC图像分析、NEC多媒体高清投影、思科48口交换机等软硬件系统配套构成（见图1）。在做晶体光学与矿物岩石学（晶体光学、矿物学、岩石学、古生物与地史学等）实验课堂上，任课教师可在教师工作站上实时观察在座学生的镜下图像，而不必像传统教学中走到学生显微镜前指导，这样教师可及时发现每位学生的问题，并及时通过电脑屏幕控制和语音指导学生改正。學生也可在座位上主动提问请求教师帮助。偏光显微镜通过三目头高清CCD，把薄片微观图像信号输出到电脑显示器及NEC高清投影仪上，通过这种方式教师可对所有学生进行图像分析和解释讨论，同时还能进行图像处理、实时录像，进而作定量分析与资料备份[1]。

二、数码偏光显微互动实验室特色及地学应用

该实验室系统能把实验图像、影像、声音、视频等教学媒体方式合为一体，从根本转变了传统地质学实验教学模式，使地学类实验教学特色更鲜明，实验更高效，形式更有新意，传统学科也与时代结合，展现新的气象。

1.数码偏光显微镜系统。数码偏光显微镜是模块化、集成化的现代偏光显微镜，其操作使用更方便，图像显示更清晰精准，色彩更逼真，还能通过高清数码CCD摄像实时转换为数字切片及传输至教师端互动，学生能在配套电脑上实时观察描述所见镜下薄片，还可同时作分析测量，使图像生动形象，从而达到良好的学习效果。

2.图像采集及处理系统。数码偏光显微互动实验室配有一台教师用数码偏光显微镜及配套HP工作站和40台学生用偏光数码显微镜及40台配套电脑及软件。通过专业MOTIC图形显卡来保障高品质图像输出。Motic Live Imaging Module来实现镜头相片的合并、切换，教师机总共可接入64路画面，最多可支持64台显微镜下画面的同时显示。所有的控制指令和图像数据都通过MoticDIGILABⅡ教师端来传输。教师工作站通过思科交换机控制学生端DIGILABⅡ计算机的工作方式，实现不同类型显微镜画面的显示。采用MOTIC DIGILABⅡ软件的图像色彩、对比度、数量、尺寸测量等功能对镜下照片进行全方位分析。在地学类实验中，因每一块矿岩薄片标本普遍具有的差异性和唯一性，通过此套系统的使用，让每位同学在一次实验课程中可观察学习的矿岩薄片标本都不再局限于手边的几块，外加教师显微镜调用示范演示系统，可通过全体示范在每个显示屏和大屏幕上指出任意一台显微镜中的任意位置图像，保证每位同学都能看到任何一台显微镜下的画面，从而达到更高效的学习与交流。

3.实时语音互动系统。教师机与学生机都配备高清呼叫应答系统，可进行全体示范、师生对讲、分组练习、个别辅导等模式的交流对讲，教师既能全体示范演示，也可单独“一对一”个别辅导，还可分组讨论，从而加强师生互动，达到高效率“点到面”的教学模式[2]，抓住“以学生为中心”的思想，改变以往那种实验课教师来回奔波于各学生之间，而且还无法做出及时有效示范的实验场景，这样既有利于学生积极性和兴趣的调动，同时也提高了教师教学工作效率。

4.配套MOTIC软件图像处理系统。这套系统是麦克奥迪独立研发的具有自主知识产权的图像系统，除了具有基本的捕捉图像、摄像和各组分测量分析功能外，还能对多目标分割、过滤及自动化的捕捉、计数、曝光和白平衡功能，使画面鲜艳逼真，教师端还能下发作业，同时学生端也可网络提交实验报告。因此在教学质量控制上主要用于实验考核，学生在观察分辨镜下影像后将图像拍摄并素描下来，在自己的配套电脑上用MOTIC专业镜下分析软件处理，做出专业解释、得出分析结论然后提交实验报告，上传提交到教师工作站的作业文件夹下，同时教师还可进行网上随堂考核，实时批阅报告，改变传统纸质考核及素描作业方式，极大提高教师工作效率。

三、在地学实验中数码显微互动系统的不足之处

在采用数码偏光显微互动系统这种全新教学法过程中，仍然发现一些问题，还需和MOTIC公司的工程师不断深入沟通交流，以作进一步改进和完善。

1.从互动系统来看，数码显微镜的图像虽已采用高分辨率攝像，但由于网络及信号传输的原因出现颜色部分失真，色彩不丰富，摄像头像素偏低，实时教学中出现滞后拖尾现象，尤其是学生机，因为是通过网络连接教师主机，再投影到大屏幕，导致图像边缘不够清晰，在观察典型矿物的“突起程度”、“贝克线”及“干涉色”过程中因网络滞后及色差造成不同镜下图像切换速度较慢，色彩还原不够真实。根据实际情况，40人左右一个班，实验室按1∶1配备学生机，这样可以更大程度上提高教学效率。

2.从教师角度看，需转变原有观念，充分利用数码和互动系统的优势，开展全新教学大纲及课程设计，让教学过程互动起来，通过数字资源上传教学工作站及实验教学中心网站，开发新实验项目，开设对应精品课程，顺应网络化趋势，创造多学习环境，激发学生专业课的学习兴趣，以兴趣为导向，以技能为基础，满足应用型技能人才培养要求。

3.以学生角度来看，通过电脑及高精观测仪器应用能力的培养，动手能力得到提高，通过课前实验内容的预习，上实验课时现象观察与分析结合，对照岩矿特征加强记忆，以视域图像记忆方式，其应用能力也能得到大大加强。

4.从管理角度分析，该套系统需配备专职实验员管理，课前课后必须与任课教师进行交接，实验过程中巡回指导，发现系统问题及时解决，以确保实验课程正常开展，保障教学秩序。在管理体制上做到面向全校师生、面向校外人士、面向科研全开放式运行。

数码偏光互动显微镜系统的推广使用，是地学实验教学的新手段，有利于互动式教学、个性化教学和远程教学的开展，有利于学生探究式学习、自主式学习方式的转变，能使地学实验水平得到不断提高，促进实验课教改的不断深入。通过类似系统的推广，地学类实验课一定会展现出更现代、更实用、更具特色的现代科学前景。

参考文献：

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