智能时代矿物岩石学课程教学模式改革与创新

何小芳

（中国矿业大学〔北京〕 地球科学与测绘工程学院，北京 100083）

引言

“矿物学”和“岩石学”是地球系统科学重要的专业基础课，无论从事基础理论研究，还是开发利用地下资源或解决工程地质问题，都需要具备扎实的岩矿基础知识［1］。其延伸课程包括“晶体光学与造岩矿物”“岩矿分析与鉴定”“岩矿物理化学”等多门相关课程［2-3］。这类课程具有专业性强、知识点多和实践性强等特征，其中实践性是最为突出的特点。在地球科学相关课程的教学过程中，理论知识教学和实践教学相辅相成、密不可分。学生需要通过大量的实践学习，包括野外实习和实验室实习，才能将复杂抽象的理论知识融会贯通。

实践教学对提升学生综合专业素质、培养科学思维和分析及解决问题的能力十分重要，因此，在以往的“矿物学”“岩石学”教学过程中，实践教学一直占据较大比重［4］。随着社会经济发展的进步，国家对通用型人才的需求逐步增加，要求培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的具有创新精神和创新能力的社会主义建设者和接班人［5］。然而，部分通识课程的学时增加，使部分专业课的学时受到了一定压缩，给专业教育带来了一定的挑战。在这样的前提下，为保证教学质量，对矿物岩石学类课程教学进行创新性改革，尤其对实践教学部分进行调整和优化就显得十分必要。

本课程于2020年开始授课。根据人才培养需求，结合本校特色，借鉴多门教材和教学经验，在“矿物学”“岩石学”先导课程的基础之上，秉持“以学生为中心、以实践教学为主体、以地质学为特色、以学术综合能力和创新能力培养为目标”的教学理念，充分把握新时代学生学习特点，利用现代信息技术开展教学活动和学习评价。上述过程的实现，不仅能够极大地丰富和深化相关专业的实践教学内容，使学生对知识的理解更加深刻，而且能够开阔学生的视野，提高学习兴趣，为学生自主学习、互动学习、创新学习提供资源和平台，为复合型人才的培养创造条件。

一、课程简介及学情分析

本校“岩矿分析与鉴定”课程针对大三学生开设，具有很强的实用性，其关键技能可应用于多个领域。课程目标旨在帮助学生深化理论课程内容，加强鉴定矿物岩石的实践操作技巧，使学生通过学习具有一定的综合研究和独立解决问题的能力，有助于学生在地质类学科竞赛中取得好成绩，并为进一步学习和研究打下基础。

从教学对象来看，本课程学生群体有以下几个突出特点：（1）有一定的专业理论基础，但专业技能有待进一步提升。本科三年级的学生已经系统学习了“矿物学”“岩石学”等基础专业课程，在此基础上开展“岩矿分析与鉴定”课程，有助于学生巩固前期理论知识体系，并加以实践运用。（2）综合分析和解决实际问题能力较为欠缺。大学三年级学生多已开展了大学生创新创业训练项目，其研究工作与地质学基础技能密切相关，在研究工作中经常遇到许多实际问题。

从教学内容和考核方式来看，本课程教学存在两个挑战。一是实验教学过于传统。目前，实验教学的形式仍然以实验室成套标本为主，而这些标本大多产地不明、地质背景不清楚，且手标本与薄片标本缺乏对应关系。学生仅限于学习显微镜下矿物岩石类型、结构的初步鉴定，难以掌握宏观地质体特征，更难以对岩石成因展开综合分析。二是教学和实际科研生产工作结合不紧密。一方面，学生的认识仅限于实验室现存标本，而实际的岩石类型则复杂得多，学生很难将所学技能与实际科研生产结合起来；另一方面，在传统实践教学过程中偏重对岩石组合、结构构造的鉴定，缺乏在宏观上对岩石成因机制和地质背景进行综合分析，学生的科学素养和综合分析能力未得到有效锻炼。

二、教学改革与创新主要内容

基于上述学情分析，本课程自授课以来，改变传统的学生学习、教师讲授的教学模式，从多个方面进行了教学改革和创新的探索和实践，主要体现在以下几个方面。

（一）思想政治教育融入课堂，提高学生学习积极性

本课程从地质学实际出发，探索本学科课程思政建设元素，结合专业特色和领域时事，将思想政治教育元素融入课堂，如通过介绍本领域优秀矿物岩石学家的突出贡献，提升学生的学科自豪感，弘扬学科精神［6-7］。又如通过“黑色黄金”油页岩的发展历程，引发学生对国际能源态势及格局的讨论，培养学生关注时事、紧跟时代的科学素养。

另外，本课程思政元素强调课程学习在个人职业成长、服务社会中的重要性，让学生从思想上重视该课程的学习与实践［6］。依托本课程教改项目，笔者对北京市中小学开展了两次矿物岩石学相关的线下科普教育活动，并积极进行线上科普宣传工作。通过多种方式相结合，有助于点燃学生学习该课程的热情，陶冶学生的地学文化情操，坚定学生为祖国地质事业做贡献的决心与信心。

（二）利用虚拟仿真实验教学平台，突破教学时空限制

矿物岩石学类课程的实践教学在很大程度上依赖于显微镜设备和辅助资源，从传统教科书、显微镜、实验室到在线数据库，这些资源在学术水平、可用性、设计和规模上高度不同。在过去几十年的改革中，地质类课程实践教学条件得到了极大的改善，已从以往的“第一课堂”——传统实验室教学逐步过渡到“第二课堂”——线上线下混合式实验教学的阶段［8-9］。适应这一转变，本专业实验教学引入了多媒体互动显微镜教学软件，将矿物岩石鉴定现象通过投屏或广播教学的方式供学生观看学习，取得了良好的教学效果。随着智能时代的到来，线上虚拟仿真实验教学平台逐渐在实践教学中得到运用，它可以突破实验室条件、标本数量及授课时间等诸多限制，有助于及时学生巩固课堂理论知识，与线下实验课相辅相成、互相补充，极大地提高了教学效果［8-9］。目前在其他学科领域，虚拟仿真实验平台扮演着越来越重要的角色，然而此类平台在地质学类课程中的应用仍不够充分。因此，本课程在传统的实验教学基础之上，设计虚拟仿真实验教学模块。

1.结合国内现有数字化平台，如国家岩矿化石标本资源共享平台包含国内及部分国外典型矿物、岩石、矿石标本数字资源，有利于学生分类进行可视化查询，并对一些精美的典型矿物岩石展品进行互动操作，提高了学生的学习主观能动性。

2.充分利用国外已有的矿物岩石学实验平台，如麦考瑞大学开发的虚拟岩石显微镜Virtual Petrographic Microscope软件和英国地质协会研发的Virtual Microscope在线互动岩石平台等［10-11］。这些虚拟岩石实验平台集合了全球经典样品数据库，学生可以离线安装虚拟显微镜、下载岩石样品数据，也可以在线进行手标本3D扫描、偏光显微镜互动观察等，不受实验室条件、样品类型限制，真正做到了随时随地学习，极大地拓宽了学生的学习广度和深度。同时，这些互动实验平台可扩展第三方的虚拟实验课程资源或自建课程资源，为各类院校建立自己的科普实验基地提供了良好的平台。

虚拟仿真实验教学模块注重学习任务的高阶性和创新性，重在提高学生的综合分析能力。在虚拟仿真实验教学过程中，要求学生查阅资料，对岩石成因进行综合分析，保证学生不仅能进一步熟悉矿物岩石学的理论知识，而且能够练习在传统实验室教学中掌握的基础鉴定技巧，真正做到了虚实结合，让学生主导学习过程。

3.突破传统教学标本局限，科教融合教学。矿物岩石鉴定的学习常常与实际地质问题相关，但现有实验室教学和实际地质问题往往存在脱节现象，学生难以理解岩石特征与岩石成因之间的逻辑关系，且课程涉及矿物种类较多、岩石类型较复杂，现有标本多为统一购买的成套标本，其岩性不够全面，部分标本存在不典型甚至标注错误等问题；因此，建立一套宏观微观相结合的教学用标本十分关键。本课程依托“双一流”课程建设专项资助，通过野外实地采集、同行捐赠的方式获取了一批典型的矿物岩石手标本和薄片。这些岩矿手标本和薄片能够互相对应，且产地明确、地质背景清楚，有较好的研究基础，有助于学生在学习过程中将岩矿鉴定与实际地质问题相结合，训练了学生的科学思维。

另外，任课教师在“岩矿分析与鉴定”课程教学过程中引入自身和同行的科研成果，把抽象的知识点转化为具体的科研案例进行解释和说明，将枯燥的岩相学描述和动态的地质过程结合起来，有利于学生建立繁杂的矿物岩石学知识之间的内在联系，既保证了教学质量，又促进了精品课程建设［12］。

三、教学改革与创新初见成效

本课程结合知识点多、实践性强及当代学生依赖网络的特点，以培养专业人才为宗旨，在把握基础性教学的基础上，紧密结合我国对地质类专业高级人才的实际需求，运用现代化的教学手段进行课程内容的讲解。一方面，将思政元素引入课堂，极大地激发了学生学习的积极性和自主性；另一方面，充分利用国内外虚拟仿真实验教学平台，开展学生线上自主学习与线下面授有机结合的混合式教学模式，打破学习时空、标本类型的限制，使学生的学习不仅仅局限于课堂，有效提高了教学质量，并为学生创建了一个可视化岩石矿物数据资源综合平台，为逐步建立专业教学、科研及科普基地打下了良好的基础，体现了课程教学的高阶性。同时，在保证理论和实践教学内容基础性的前提下，通过不断融入新内容，包括一些前沿性的科研成果，使学生将理论知识与实际地质问题联系起来，提高了学生分析和解决实际问题的能力，提高了学生的科学素养，体现了课程教学的创新性。

经过近两年的实践，科教融合模式显著地激发了学生对岩石成因的兴趣，巩固了学生的岩矿鉴定技能，并将教学成果推向了综合应用的高度。从教学反馈来看，学生对实验教学的延伸和虚拟仿真实验平台的应用给予了积极评价。另外，多项涉及矿物岩石学的创新创业训练受到了资助。在最近一届全国大学生地质技能竞赛选拔中，我校取得了较好的成绩，这充分显示了良好的教学效果。

从国家对人才培养的需求及实验教学的发展趋势来看，将思政元素融入课堂、开展虚拟仿真实验教学是本科人才培养的一个重要环节，也是智能时代背景下实践教学的发展趋势。本研究强调了在矿物岩石学及其相关领域应用在线互动学习资源的必要性和益处，对提高教材的灵活性、包容性和可获得性具有积极意义。当一些不可抗力导致线上学习不可避免时，这种混合式教学方法则更具有突出优势。另外，本研究中使用的教学改革方法和平台可适用于其他学科领域，具有广泛的应用价值。