岩石标本观察与描述实验方法改进及意义

徐晓东

中国地质大学（武汉）地球科学学院，湖北 武汉 430074

一 、前言

岩石标本观察与描述实验是地球科学领域内相关课程教学实验不可或缺的实验内容。各高校开设的地质类课程如：普通地质学、地质学基础、地球科学概论、沉积岩石学、岩浆岩石学、变质岩石学等，都有岩石标本观察与描述实验这个环节。就连小学教育中的科学教育（地球与空间科学领域）也有岩石与矿物的观察和描述实验。

目前，岩石的观察与描述实验过程基本都是在实验室中摆放一定数量的岩石标本，教师在实验前对当次实验的各标本的岩石学特征及肉眼鉴定特征进行讲解，然后由学生进行观察，辅以小刀、放大镜、小瓷板、荧光灯等工具和稀盐酸（5%）、稀硝酸（5%）、氢氧化钾、钼酸氨等试剂，观察岩石的岩石学特征及其肉眼鉴定特征，并在实验报告本上进行描述。这一实验方法，经过多年的实践检验，取得了很好的教学效果。但也存在许多问题，主要表现在学生对岩石的辨认能力较差。

室内实验教学是各基础地质学课程的重要教学环节之一，为提高室内教学实验效果，前人做了大量的探索和研究：在实验室建设方面，强调要加强实验室建设，从封闭式走向开放式，如开放实验室，将校园周边的地质现象作为实验内容[1-7]。在实验教学模式方面，应从被动式变为主动式，激发学生的学习热情，培养学生的创新能力，充分利用多媒体教学[4-8]。在课程改革方面，研究者通过课程改革，改革实践教学体系提高人才培养质量[9]。通过更新实验项目、调整实验内容、丰富实验形式、强化实验任务、综合实验考核等措施，培养学生的观察和操作能力、发现和解决问题能力、空间想象和分析能力、团队工作能力[10]。从感知规律出发，以感知规律的多种规律指导地质学基础实践教学，认为在实践教学中对感知规律的综合运用符合学生学习过程中的心理活动的基本规律，能够激发学生的兴趣以及求新意识和创新意识[11]。结合地球科学的特点，提出完善感知教学手段，重视地质感知教学的资料库建设[12]。还有从师资力量的完善和实习前期知识的储备及学生的专业特点等对提高室内实验教学效果影响进行了有益的探讨[13-15]。刘小洪等认为：虚拟仿真矿物岩石实验教学将现代化手段与传统的教学手段较好地结合在一起，有效地激发学生学习的主动性，从而提高学生的学习能力和教学效果[16]。

综上所述，这些研究和探讨对提高普通地质学或地质学基础等课程的实验课教学质量起到了很好的作用。如多媒体教学被广泛应用、实验室建设逐步走向开放式等。但由于多方面的原因，岩石的观察与描述实验，这一室内教学实验中的关键实验，没有得到根本性的改变，特别是在实验课时少这一问题难以解决的情况下，岩石的观察与描述实验教学效果仍不理想。主要表现在课程结束后的野外实习或毕业后的工作中，对所遇见岩石的观察与描述能力较差。例如：中国地质大学（武汉）开设的地质学基础课程的室内教学过程中，岩石观察与描述实验共有6次课[17]，12个学时，每次90分钟，除去一次实验用于学习岩浆岩结构构造外，只有5次实验时间用于岩石观察与描述，而要观察与描述的岩石却涵盖三大岩石，共44种。也就是说平均每观察与描述一种岩石的时间在10分钟左右。这对于一个学生而言，要掌握好相关知识点是相当困难的。

岩石观察与描述实验是学生认识辨别各种矿物和岩石的一个相当重要的基础环节。能否充分掌握相关的知识点，将直接影响学生学习和运用其他地质知识的能力。本文通过对当前岩石观察与描述实验中存在的问题分析，提出了改变观察对象、增加实验手段、提出科学问题及利用网络资源共享等改进措施，实现了在实验课时不改变的前提下，提高岩石观察与描述的实验效果。

二 、岩石观察与描述实验存在的问题

1. 岩石手标本形状不规范，具体产地、产出年代及其所处的地质构造环境不明

地质学类相关课程中，对岩石手标本有明确的大小要求：30mm×60mm×90mm。但实验室中的手标本大多都是早期购买的，因为没有重视大小的要求及当时的加工技术限制，相当一部分都小于这个规格。有些标本标有产地，但只是大的地名，没有地质意义，而手标本对应的形成地质年代则基本没有标识。其所处的地质构造环境则根本不知道。这样的岩石观察与描述只局限在认识岩石本身，学生没有想象空间，更谈不上创新意识培养。

2. 观察时间短，重复次数少，感知不清晰

除去教师的讲解，每块手标本的观察时间在5～10分钟，除颜色、结构、构造外，用于辨认岩石中的矿物及确定矿物含量的时间更短，对每种矿物的矿物特征的辨认时间都在1分钟以下，重复辨认次数不到3次。在这么短的时间和这么少的重复次数，学生无法形成对大部分岩石的特征认识（少数鉴定特征明显的岩石除外，如砾岩等）。

3. 矿物含量统计误差太大，流于形式

目前采取的矿物含量统计是根据观察者个人感觉，估计各种矿物所占比例，从而确定矿物含量，这种方法是每个地质工作者都必须掌握的方法，但由于方法本身的局限性，有经验的地质工作者也很难估计出一个相对准确的数值，对于一个初学者而言，基本上就是乱估。因此掌握一个相对准确的矿物含量统计方法，对他们而言至关重要，特别是那些今后基本不接触显微镜下岩矿鉴定的学生而言。

4. 受手标本表面凸凹不平的影响，矿物颗粒之间关系观察相对困难。

由于手标本表面凸凹不平，观察矿颗粒形状，矿物颗粒之间的关系比较困难，特别是沉积岩的胶结物更是难以通过手标本观察。

三、 岩石观察与描述实验改进措施

1. 补充、改进观察对象

目前实验过程的观察对象，都是教师们采集或购买的手标本，相当一部分大小都未达到30mm×60mm×90mm尺度的要求，其形状也是各种各样。其6个面均为自然面。产地及产出地质年代不明确。本次改进将对部分不符合标准的标本进行更换，补充一些信息全面符合要求的标本，并对其一个60mm×90mm面进行抛光，其他5个面均保持自然面。对增加的标本，要求采集地有特色，产出时代明确，同时适合作为教学用岩石标本。对部分大小合适且基本达到标准的标本，通过将其6个自然面中的一个60mm×90mm的面进行抛光加工，继续使用。对页岩、泥岩、板岩等难以加工出抛光面或抛光面上特征与自然面上特征差别不明显的岩石不进行相关加工。要求学生对每块标本的自然面和抛光面进行比较观察。系统观察岩石的颜色、结构、构造、矿物颗粒大小及组成等矿物学特征及其他岩石学特征。改进前的岩石手标本与改进后的岩石手标本比较见图1。从图1中可以看出，改进前的手标本大小不一，形状不规则，6个面全部为自然面。其中正长岩手标本基本符合手标本的大小要求，但正长斑岩手标本则明显偏小。而改进后的手标本形状较规则，大小符合要求，且有1个面为抛光面，其余5个面为自然面。改进前的手标本标签中只有岩石名称，而改进后的手标本标签中含有产地、产出时代及标本特色等内容。

2. 增加实验手段

图1 改进前后的手标本对比图

将所有标本的抛光面进行扫描（或拍照），保存对应的扫描件（或照片）2张，对其中一张扫描件（或照片）用毫米网格进行标识，另一张扫描件（或照片）进行矿物名称标识。将每个手标本对应的两张扫描件（或照片）进行彩色打印作为实验课辅助图件。要求学生在带有毫米网格标示的岩石抛光面扫描件上，辨识各种矿物，统计各种矿物所占的毫米网格数，分别计算出各自所占的网格数百分比，将这个百分比作为其所占岩石中的面积百分比，以此作为各矿物的百分含量。根据统计出的矿物含量，结合相关岩石的定名方法进行岩石定名。由于矿物含量统计过程时间较长，建议用一次实验课，由教师讲解一种岩石矿物含量统计方法并进行岩石定名，其他岩石矿物含量统计及定名，作为学生的课后作业。图2展示了钾长花岗岩的抛光面及带毫米网格的岩石抛光面。将其放在网络共享平台上，要求学生课后根据这两张图片辨认其中的矿物名称并在带毫米网格的图片上统计各种矿物含量，并根据含量进行岩石定名。

图2 用于矿物含量统计的岩石抛光面及带毫米网络的抛光面图

针对相似岩石，增设易混淆的相似岩石的抛光面比较观察与描述，有些岩石，手标本观察，其特征很相似，学生学习完后很难正确区分它们，比如辉绿岩和辉长岩，角闪岩与金伯利岩。通过岩石抛光面的比较，则可清晰辨认出它们之间的差别。

3. 建立网络共享资源平台并提出合适的科学问题

将每块手标本进行多角度拍照，将这些照片，该手标本产地及其所处的地质构造环境、该手标本上能观察到的矿物学及岩石学特征及前人对该岩石的相关研究等文献资料与其带有毫米网格标识和矿物名称标识的抛光面扫描件（或照片）一起制作成一个文件夹，放在相关的网站上，作为资源共享。结合所有的资料及文献，提出合适的科学问题，给学生思考。如针对实验用的钾长花岗岩手标本，可以提出：什么样的岩石可以作为装饰用石材开发？针对黄山的二长花岗岩手标本，可以提出：黄山的地形地貌是怎样形成的？这些问题都和学生的生活密切相关，想解答的兴趣就比较高，而要解答这些问题，学生就要综合运用所学的地质知识及查阅相关的文献资料来分析和解决。在这个过程中，学生就必须自己理解、自己分析，从而形成自己的观点或看法，提高学生的创新能力，使创新成为可能。

四、岩石观察与描述实验改进后的意义

（1）手标本的产地表明这块手标本所代表的对应地质体，一个学生们都熟悉的或有特色的产地，能帮助学生形成关联记忆，从而可以更清晰地感知手标本中的地质信息。如实验用的钾长花岗岩，采集广西的岺溪龙登岩体，产出年代为晚侏罗纪，其最大的特色就是已广泛被用作装饰用石材，中国地质大学科技开发公司办公楼门面装饰石材就是所用的钾长花岗岩加工而成。这样学生课余时间就会去观察，同时就会去了解为什么这个岩石可以作为石材被开发。如实验用的二长花岗岩，采用黄山的二长花岗岩作为手标本，这样学生就会很快的形成记忆联想，记住相关的岩石特征。同时也会激发学生更深入了解的兴趣。他们就会上共享平台上了解相关的成果及科学问题，在加强学生感知的同时，激发了学生学习的热情和创新意识同时，提高学生的创新能力。

（2）由于岩石抛光面上，可以很清晰地观察到各种矿物颗粒及矿物颗粒之间的相互关系，因此学生可以很清晰地观察岩石中所含矿物的肉眼观察特征。同时，能更加直观地观察矿物颗粒的大小和矿物颗粒之间的相互关系（特别是沉积岩中胶结物的特点）。对岩石的结构、构造特征的感知更加清晰易懂。再通过与自然面的特征进行对比，就会加深学生对相关岩石的感知程度。如图3，岩石的似斑状结构在抛光面上能很清晰地认识，而在自然面上则要仔细辨认才能看清楚，

图3 岩石自然面与抛光面对比图

（3）通过在带有毫米网格标识的扫描件进行矿含量的统计，将使学生必须多次重复辨认岩石中的相关矿物的矿物学特征，从而达到熟知的目的。在统计过程中，如果有学生对相关矿物的辨识有障碍，可参考带有矿物标识的扫描件及相关矿物的矿物学特征，从而确保学生不会认错相关矿物。

（4）岩石抛光面上矿物含量统计结果误差小。通过对比，认为在中粗粒的岩矿鉴定中，这一矿物含量统计方法因其统计面积大，比镜下矿物含量统计结果要更精确。使学生能够根据统计结果进行岩石定名，会促进学生对相关岩石自然面特征的认识，从而巩固学生所学岩石的认知。也使那些没有机会学习岩矿镜下鉴定的同学（学习地质学基础的学生基本不学习岩石薄片鉴定）掌握了一种定量的岩矿鉴定方法，在未来的地质工作中将大有益处。

（5）由于将实验手标本多种信息在网络上共享，学生可以随时复习已观察过的相关岩石的各种特征，同时相关的研究文献又能帮助学生拓宽视野，找出其中的科学问题，从而激发学生们对相关岩石的了解热情。这既会帮助学生掌握相关岩石的特征，又会帮助学生了解相关领域的研究现状。从而使部分学生提出新的见解成为可能。

(6)通过对岩石抛光面的认识和了解，可以很直观地帮助学生区分相似岩石的特征，从而为自己将来的研究提供帮助。有些岩石通过手标本观察很相似，比如辉绿岩和辉长岩，角闪岩与金伯利岩。但通过抛光面则能很清晰地观察出其差别。笔者通过对目前用于装饰材料的各种天然石材表面（岩石抛光面）的实际了解和对中国石材网上收集的3279种全球各种天然石材的照片比较发现，不同产地的石材，岩石学名称大多一样，但不同地点产出的石材表面特征各不相同。熟悉的观察者，一看便能确定其产地，而不熟悉的观察者，通过比对也能很轻松地找出差别。这就如同天下没一片相同的树叶一样，地球上也没有相同的岩石体。而这些岩石体的不同，笔者认为，目前最直接且最好的观察方法就是岩石抛光面的比较观察。当然在野外观察时，不可能有岩石抛光面，这个问题在野外可以作为问题保留，待通过室内加工出岩石抛光面后再进行比较观察。根据笔者的经验，也可以在野外通过在相对较平整的新鲜的岩石表面上喷水进行比较观察。因为喷湿后的岩石新鲜面，与岩石的抛光面特征很接近。

(7)从感知规律角度分析，岩石抛光面能在一个平面上清晰显示出矿物颗粒之间的关系，更易感知，符合差异律。通过采集有特色产地的手标本，帮助学生形成联想记忆，符合协同律。最为关键的是，通过这些改进，能激发学生的学习兴趣，从而在课余时间关注和复习所学的知识，在不增加实验课时的情况下，强化学生的感知深度，符合强度律。

总之，通过对岩石观察与描述实验的改进，在不增加实验课时的前提下，提高室内实验效果，激发了学生在课余时间复习兴趣，为学生提供了充足的学习和提高的素材，培养了学生的创新能力，对那些不学习岩矿镜下鉴定的非地质类专业的学生而言，学习了一种实用的矿物定量统计的方法。