培养学生实践创新能力的矿物岩石实验教学改革

牛花朋，谢庆宾，孙 晶，李 壮，王春英，焦小芹

（中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249）

0 引 言

实践能力和创新性思维是拔尖创新人才培养的核心指标［1-2］。根据教育部等部门联合印发的《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》（教研［2018］5号）和《教育部等六部门关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0的意见》（教高［2018］8号），随着“六卓越一拔尖”人才培养计划2.0方案的实施，对高层次应用人才和拔尖创新人才的培养提出了更高的要求［3-4］。

我校资源勘查工程专业肩负着为祖国培养油气资源勘查优秀人才的使命。依托一流建设学科“地质资源与地质工程”，该专业已建设成为石油地质特色鲜明、在国内有较高知名度的国家级特色专业，是教育部综合改革试点专业和实施第二批卓越工程师教育培养计划的专业。矿物岩石类课程是资源勘查工程专业重要的专业基础课，涵盖结晶学、晶体光学、矿物学、矿相学、岩浆岩石学、变质岩石学、沉积岩石学等知识模块，重点是培养学生掌握造岩矿物和三大类岩石的鉴定方法以及鉴定特征。但是，面对该类课程“课时容纳性高、实践性强”的特点，如何通过创新实验模式、提高教学效率是迫在眉睫的任务。

为了激发每个学生的特长和潜能，培养实践创新能力，在以往教学改革的基础上［5-9］，教学团队以资源勘查工程专业矿物岩石类课程为例，创新实验教学体系，转变教学理念，加强实验教学资源建设和过程考核机制改革，实现了室内教学与室外教学并行、验证性学习到探索性学习的提升，大大提高了实验教学效果，充分锻炼了学生对矿物岩石实践鉴定的能力和创新应用的能力。该成果被石油高校普遍认可和采用，具有很好的引领作用。

1 创立“三融合”的实验教学模式

矿物岩石类课程总学时仅104学时，为提高教学效率和学生矿物岩石鉴定能力，结合课程特点和教学规律，改变传统地质院校矿物岩石学习顺序，对实验教学模式进行了调整。

1.1 晶体光学与矿物学相融合

“晶体光学”是研究可见光通过透明晶体时所产生的一系列光学性质及其原理的一门科学，是研究、鉴定造岩矿物和岩石的重要方法［10］。为了让理论学习与实践应用紧密结合，按照矿物实验标本的光学性质具有可对比性的原则，将晶体光学与矿物学充分融合，对晶体光学实验项目进行了重新设计。例如，在单偏光镜下进行矿物多色性、解理观察时，设计了4种常易混淆的暗色矿物黑云母、角闪石、辉石、橄榄石进行对比观察，由于4种矿物具有明显不同的多色性和解理特征，既可以让学生快速掌握多色性和解理的观察方法，同时又让学生掌握了4种矿物的多色性和解理识别特征，尤其是掌握利用多色性和解理等不同光学性质组合鉴别矿物的方法，可以说是一举多得。

1.2 矿物鉴定与岩石鉴定相融合

传统地质院校一般是先进行“结晶学与矿物学”学习，之后再进行“岩石学”学习，并且进行矿物学实验时，一般会选择鉴定特征典型的单矿物体进行［11］。鉴于岩石是由造岩矿物或部分天然玻璃组成的固态集合体，受生长条件影响，组成矿物的鉴定特征大多与单矿物在理想条件下发育时形成的特征不同，甚至是大相径庭（如石英理想形态为六方柱状，但在岩石中大多呈现他形粒状），造成学生对岩石的矿物组成识别困难，致使“岩石学”学习效果大打折扣。为了解决这一矛盾，将矿物学实验项目进行了系统优化，共设计了4个综合性实验项目，分别是岩浆岩中常见矿物的鉴定、变质岩中常见矿物的鉴定、沉积岩中常见矿物的鉴定以及不透明矿物的鉴定。该优化方案将矿物鉴定与岩石鉴定相融合，实现了矿物单体识别和集合体识别相统一，充分锻炼了学生对矿物知识的综合应用和分析能力。

1.3 肉眼鉴定与显微镜鉴定相融合

众所周知，手标本肉眼鉴定特征和显微镜下晶体光学性质都是未知矿物岩石重要的鉴定特征，前者从宏观角度对矿物岩石进行整体鉴定，后者更擅长微观鉴定特征的观察。问卷调查显示，学生对手标本观察和显微镜下鉴定同时进行表达了高度肯定和认可，认为宏观与微观相互配合才能系统掌握矿物岩石的鉴定特征，利于及时进行相互佐证，可以有效避免教学内容的脱节和重复［12］。矿物透明度观察就是很好的例子，有些矿物在手标本上观察看似为半透明、甚至不透明，而显微镜下却显示透明，通过这一现象，可以让学生充分意识到透明度观察是以0.03mm厚度观察结果为准的。

2 构建“三课堂”的实验教学体系

矿物岩石类课程知识点多、涉及内容繁多复杂，枯燥难懂，实验教学是理论知识转化为实践应用的关键步骤［13-14］。在不断强化室内验证性实验的基础上，将实验教学进行延伸，构建了室内实验-课内实践-自主实践一体化的实验教学体系。

2.1 室内实验教学（第1课堂）

室内实验教学作为第1课堂，是学生能够及时理解和掌握基础理论知识的重要途径，也是系统掌握矿物岩石鉴定方法和特征的最基本的教学方法，以1次理论课1次课内实验课为特色。根据“以学生为中心”的理念，在加大实验教学资源建设的基础上［6-7］，重点对实验项目侧重点和实验教学授课方式进行了调整。其中，对涉及知识点较多、专业性较强的实验项目适当增加课内学时，并针对学生实验过程中遇到的问题，教师全程辅导答疑；而对一些重在掌握方法、需要在实践中反复锻炼的实验项目，则采用学生在开放实验室自主完成与集中答疑、研讨相结合的方式进行，以不断提升学生学习自主性。

2.2 课内野外实践（第2课堂）

资源勘查工程本源存在于实地的勘测、分析，脱离了本源环境的纸上谈兵对学生专业思考能力的培养以及科研方向的视角都是不利的［15］。对于学生来说，仅仅完成第1课堂的室内实验也是远远不够的，与实验室内观察到的标本相比，野外实际工作中遇到的矿物岩石在发育规模、新鲜程度、产出状态等方面存在相当大的差别。若仅限于室内实验教学，就会造成与实际工作脱节，使学生无法真正掌握矿物岩石鉴定特征，更不利于培养学生发现问题和解决问题的能力。因此，在第1课堂的基础上，教师利用学校地处北京郊区的优势，充分挖掘周边良好的粗粒花岗岩、石英砂岩、灰岩等露头，建立了多条矿物岩石课内实践基地（第2课堂）。相比普通地质实习，课内实践课具有更强的针对性和及时性。在实习之前，教师设计相关问题，让学生参与到思考中去，带着问题来到野外；在野外实习的过程中，通过分组讨论，在实践中找到答案；实习结束后，撰写实习报告，进行专题答辩。可以说第2课堂将室内教学扩展到野外，实现了室内教学与室外教学并行、验证性学习到探索性学习的提升，大大提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

2.3 自主实践创新（第3课堂）

研究型大学的地学教育担负着为国家能源战略培养拔尖研究型人才的历史责任，本科教育中科学思维的培养对学生非常重要［16］。在室内验证性实验和野外实践教学的基础上，借助油气与探测国家重点实验室等各级实验平台，油气勘探与开发实验教学中心以及大量的地质类博物馆等教学资源，编写自主实践创新指导书，鼓励学生走出校方教学计划安排的课堂，积极开展自主实践（第3课堂），要求每人至少完成1项。倡导大学4年游遍北京市地质博物馆活动，建议学生课余时间，本科一年级参观学习中国地质博物馆，本科二年级参观学习中国地质大学（北京）地质博物馆，本科三年级参观学习北京自然博物馆，本科四年级参观学习中国国家博物馆。除此之外，积极鼓励学生根据个人兴趣积极申请国家级、北京市级或校级大学生科技创新项目，参加各层面的地质类竞赛。通过自主实践与科技创新，可以拓宽学生们的眼界，激励创新思维，不断增强学生勇于创新的研究能力，取得更高层面的学习和研究成果，大大提高科研素养。

3 构建基于探索与研究的教学方式

积极推进“以教为中心”向“以学为中心”的教学理念转变，建立了“以学生为主体、以教师为主导”的基于探索和研究的教学模式。

（1）建立WWH体系。每次实验开始前，利用3～5 min时间，通过Why、What、How 三问，向学生灌输为什么学、学什么和如何学思维模式，使学生快速掌握实验目的与意义，以及实验重点和实验方法，引导学生学会思考。

（2）根据教学内容的差异，设计多种教学方法。由于矿物岩石鉴定特征知识点多而庞杂，对于室内验证性实验广泛采用类比法、排除法、联想法等学习方法示例讲授，引导学生研究各种矿物岩石鉴定特征的异同点，收到很好的教学效果。例如，云母片岩和云英岩两种岩石在矿物成分上非常相似，均是由云母和石英组成，但是前者云母类矿物往往定向排列，发育片理构造，后者则无定向性。野外实践教学和自主实践则广泛采用启发式、研讨式教学方法，通过对地质现象共同探讨推理，大大提高大学生解决实践问题的能力和创新能力。

（3）开创矿物学“读书报告会”。教师事先提出备选问题，5～6人自由组合为团队，通过纸质报告+口头汇报的形式，汇报读书成果，最后由任课教师和团队相互打分相结合的方式，评选出最佳报告及最佳团队，该方法对培养团队合作的意识、学习查找文献的能力以及锻炼语言表达的水平发挥了重要作用。

4 健全过程考核与评价机制

矿物学和岩石学类课程均是实践性很强的课程，除了本学科理论外，培养扎实的岩矿鉴定基本功是课程重点要求之一，因此，矿物岩石类课程重点通过加大过程性评价的比例进一步提高学习效果。①课前要求预习的实验内容不再重复讲解，通过直接提问进行检验，检验效果直接计入平时成绩；② 由于室内实验教学均是小班化授课，教师采用随堂批改、随时反馈的方式100%批改所有实验（实践）报告，这样既可以让教师及时准确了解每位学生对实验内容的掌握情况，又可以将发现的问题及时反馈给学生，学生通过反复操作，达到真正领会贯通的目的，避免了“夹生饭”；③实验分组进行，小组成员间可以充分讨论，相互评阅实验报告，起到扬长避短的作用；④ 总成绩中适当加大了实验报告考核成绩的比重，由原来的30%增加到40%，且实施平时实验成绩“一票否决制”，如果实验平时成绩不合格，则实验成绩不能为优秀，从侧面进一步督促学生要重视和抓紧平时每一个环节的学习，提高实验学习积极性和主动性。

5 结 语

矿物岩石实验教学改革已运行5年，得到师生广泛认可。通过该成果的应用，培养了学生主观能动性和创新性，显著提高了学生解决实际问题的能力和创新能力，我校在“第五届全国大学生地质技能大赛”中荣获“野外地质技能”特等奖1项、一等奖2项，“地质标本鉴定”二等奖1项，实现新的突破。1名教师2015年被评为北京市教学名师，1位教师2017年荣获校青年教师教学效果卓越奖，“造岩矿物学”2018年被评为校级品牌课，学生评教多门次名列全校20%以内，形成了由北京市教学名师、校青年卓越奖教师、校品牌课教师、校青年拔尖人才组成的优秀教学团队。教学成果显著，荣获校教学成果奖1等奖1项、二等奖2项。