大学科研导论课程互动教学探讨

郝宪杰 赵广辉 赵毅鑫 吴仁伦 滕腾

【摘要】本文针对互动式教学模式在大学科研导论这门课程中的实践教学应用进行研究，以北京市新机场地铁施工为背景，通过课堂上师生互动的教学模式向同学们讲授细观分析在地下工程中的应用，在讲解电镜扫描操作流程的基础上，采用师生互动探讨形式指导学生如何应用扫描特征对不同岩性的扫描结果进行分析和判断。实践表明通过课堂上师生互动的教学模式使得课堂气氛更加活跃，学生学习情绪高涨，不仅使学生掌握了电镜扫描分析技术，同时也激发了学生对于地下工程行业科研的兴趣，有利于提升学生进行科研的能力。

【关键词】科研导论  互动教学  地下工程  细观分析  电镜扫描

【基金项目】本论文受中国矿业大学（北京）课程建设与教学改革项目（J180114，J200103）和2020年课程思政示范课程建设项目科研导论（采矿工程）资助。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）45-0076-02

科研导论（采矿工程）是中国矿业大学（北京）采矿工程专业的本科课程，该门课程旨在通过教师授课，逐步培养起学生对科研内容的兴趣，以及科研能力。

细观分析是指通过电子显微镜对材料的细微结构进行分析的一种方法[1]，近年来电子显微镜在岩土工程中电镜扫描技术对于分析岩石微细观结构，揭示岩石力学破坏机理具有重要意义[2]。因此讲述电镜扫描成为了许多拥有地下工程专业学校教学任务中必不可少的一个环节。

本文针对互动教学在大学科研导论的教学课程的实践应用进行研究，在科研导论课堂上以北京市新机场地铁施工为例，通过施工现场取样、实验室电镜扫描、扫描结果对比分析等步骤，向学生讲述细观分析的知识，通过师生之间的互动形式使得学生能够通过科研导论这门课对自己所处岩土行业里的细观具体分析方法进行掌握，激发学生对于地下工程领域科研的兴趣。

1.课堂教学设计

由于扫描电镜是大型贵重设备，学生很难保证拥有上机操作的时间，因此老师可以通过学校的多媒体设备，以图片、3DMAX建模、Flash动画形式向学生讲解扫描电镜的原理及其操作流程[3]。老师根据电镜扫描实验的操作和对比分析流程将本堂课分为以下三个部分：第一部分说明施工现场取样及其注意事项;第二部分介绍实验室电镜扫描;第三部分对扫描结果对比分析。

2.施工现场取样

现场取样是进行电镜扫描的基础，尽管无法带领学生亲自到现场采集样品，但是老师可以通过多媒体设備向学生讲述取样过程。例如，本次取样地点为北京市新机场地铁线施工现场，试样取自工作面具有明显土壤分层的区域（图1）。

关于现场取样需要注意的细节有很多，因此老师需要将每一个细节部分作出详细的说明，具体如下：

（1）保证取样前一周内天气正常，不可出现降雨。其目的是为了保证土壤条件未受到破坏。（2）取样时应该在掘进工作面上选取具有明显土壤分层的区域。其目的是为了使选取的样品更便于区分。（3）取样应采用洁净的铁锹于所选各土层的中部挖掘取样，并称装进备好的袋中封存。其目的是防止工具上残留的土对样品产生影响;使选取的土壤能够代表该土层的性质。（4）尽量避免在交界处取样。其目的是防止所取样品中混杂其他种类的土。

3.实验室电镜扫描

3.1实验原理介绍

由于电镜扫描设备是大型贵重仪器，因此，在课堂上老师只能通过多媒体播放PPT、视频、Flash动画的、3D建模等形式来讲解其构成原理，而无法向学生展示实物进行操作。扫描电镜（SEM）的工作原理是利用聚焦得非常细的高能电子束，通过在试样上扫描，以获得测试试样表面形貌的观察[4]。

3.2实验设备及过程

实验设备为中国石油大学（北京）提供的Quanta 200F场发射扫描式电子显微镜。实验过程如下：（1）将试样制成体积为1cm×1cm×1cm的小块，对其进行喷金处理以提高导电性。（2）将制好的样品放在电子显微镜下进行扫描。

4.实验结果对比分析

如何通过扫描特征对不同岩性的扫描结果进行分析是本堂课的学习重点。本次实验共得出100倍、1000倍两组不同倍镜下放大结果（图2、图3），在课堂上老师可以安排学生就同一倍镜下不同材料样品进行互动讨论，即在相同倍镜下不同材料样品进行的宏观和微观的比较。

通过引导学生进行观测，可以发现100倍电镜放大下对比4类样品扫描结果，一方面请学生从粒径上进行互动探讨，粗砂的砂粒具有较大的粒径，平均在1mm左右;砂卵石中的砂粒与细砂的砂粒具有较为相似且略小于粗砂砂粒的粒径，大约在0.5mm左右，但波动较大。

在1000倍电镜放大下，继续引导学生进行观测对比。可以看出，三种样品表面均含有较多的细微颗粒。进一步引导学生观测，可以发现粗砂表面呈现多孔状，细砂表面几乎无孔状结构，而砂卵石样品表面细微颗粒明显大小不一，有大有小。

综上可以看出，通过不同倍数电镜下样品的细观特征对不同岩性进行分析，可以了解各类岩性的特征，对于研究地下硐室的稳定性起到重要的指导作用，这个过程不仅可以让学生学习到细观特征的分析方法，还可以教会学生逐步深入的科研方法，提升学生的科研能力。

5.结论

综上可以看出，在不具备到现场的条件下，老师仍然可以运用多媒体技术向学生讲授电镜扫描实验。电镜扫描作为当代岩土行业分析的常用技术，通过科研导论这门课程向学生讲解电镜扫描技术，更能够激发学生的学习兴趣。实践表明采用课堂上师生互动的教学模式，课堂学习气氛更加活跃，学生学习情绪高涨，不仅使学生掌握了电镜扫描分析技术，同时也激发了学生对于地下工程行业科研的兴趣，有利于提高学生的科研能力。

参考文献：

[1]徐建红，许建卓，刘应然.扫描电镜技术在黄土场地工程勘察中的应用[J].山西建筑.2013（21）：58-59.

[2]左靖，徐卫亚，王环玲，等.岩石电镜扫描图像的分形特征研究[J].三峡大学学报，2014（2）：72-76.

[3]郝宪杰，冯夏庭，江权，等.基于电镜扫描实验的柱状节理隧洞卸荷破坏机制研究[J]，岩石力学与工程学报，2013（08）：1647-1655.

[4]逯桂平.扫描电镜技术及其在矿物加工领域的应用现状[J].广州化工.2012（10）：51-53.

作者简介：

郝宪杰（1987-），男，山西孝义人，博士，中国矿业大学（北京）副教授、硕导，从事地下工程稳定性方面的研究，入选中国科协青年人才托举工程。