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探讨矿物岩石类虚拟仿真实验教学体系框架构建

2020-06-30 294 上传者：管理员

摘要：近年来，虚拟仿真教学在课程教学中发挥了重要的作用，然而虚拟仿真实验室建设尚在发展和摸索阶段。基于课程的主要内容、教学目标和重点难点，结合矿物岩石类课程特点，发挥虚拟仿真实验教学优势，在教学实践中逐步构建和完善虚拟仿真实验教学体系框架，以促进虚拟仿真实验室建设。

关键词：
教学体系
框架
矿物学
矿物岩石学
虚拟仿真
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一、引言

自教高司函[2013]94号文件指出：为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012]4号）精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，经研究决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作文件开始，国家已支持许多领域的国家级、省级的矿物类或岩石类虚拟仿真实验教学中心的建设，如侧重采矿领域的虚拟仿真中心，如中南大学矿冶工程化学国家级虚拟仿真实验教学中心的工科基础化学仿真实验、矿物分离与湿法冶金虚拟仿真实验和高温冶金与节能虚拟仿真实验三个平台设计和虚拟仿真实验教学内容。又如中国矿业大学采矿工程的“模块化、层次化、多元化”的虚拟实验教学中心构建，这些虚拟仿真以难点要点为目标，实现采矿知识的难点和要点内容的虚拟仿真。又如侧重矿物化石等标本模型虚拟模型的仿真中心，包括由中国地质博物馆、中国地质科学院矿产资源研究所、中科院古脊椎动物与古人类研究所、吉林大学博物馆、中科院南京地质古生物研究所、中国地质大学（武汉）等六家单位合作完成的国家岩矿化石标本资源共享平台（刘小洪等，2015）。然而，尽管早期有着众多的矿物虚拟模型等实例，但是这些平台和仿真的主要内容是针对晶体认识和矿物知识体系中的难点或者抽象部分，对于构建完善的体系框架却少有报道和研究，这就导致在实际教学使用中，这些虚拟仿真平台的局限性；同时，各种虚拟仿真的中心建设中仍然存在不足，比如虚拟仿真实验平台的建设理念还需进一步厘清和提升，即在建设的虚拟仿真中心普遍集中在基于技术层面的理念探讨，缺乏基于教学实践层面的理念探讨（刘为浒等，2016），对于矿物学岩石学相关应用涉及不多，导致学生理解困难。因而，本文探讨矿物岩石类虚拟仿真实验教学体系框架构建，为推动矿物及岩石类实验教学效果提供建议。

二、矿物岩石学类相关定义、课程特点及体系构建目标依据

（一）课程定义

矿物学是研究矿物的化学组成、内部结构、外表形态、物理性质和化学性质、形成和变化的条件、时间与空间上的分布规律、形成与演化的历史和用途以及它们之间关系的一门学科，是地质学的分支学科（刘显凡，2010；秦善等2016）。

岩石学是地质学的一个分支，它是研究岩石的矿物成分、化学成分、共生组合、结构、构造、分类、分布、产状、时代、形成条件和成因机制、演化以及各种岩石在空间和时间上分布的规律性等方面的科学。目前岩石学正沿着岩浆岩石学、沉积岩石学和变质岩石学三个主要的分支各自独立的方向发展着。其中岩浆岩石学，着重研究岩浆岩的组成、共生组合，产状分布、矿产关系、成因机制以及岩浆的形成、活动、演化规律与全球构造的关系等，此外，近年来岩浆岩石学的研究内容已扩大到上地幔的岩石和宇宙星体岩石。沉积岩石学着重研究沉积物质的形成、运移、沉积和成岩作用，沉积矿产、沉积环境、沉积相等。变质岩石学着重研究变质岩的组成、分布，成因、成矿、原岩恢复、变质相和相系、变质作用和构造活动与地壳演化发展的关系等。

（二）课程特点

“矿物学”和“岩石学”是地球系统科学重要的基础课和主干课。其对应的课程可延伸至“结晶学与矿物学”“晶体光学与造岩矿物”“岩浆岩岩石学”“沉积岩岩石学”“变质岩岩石学”“岩石学”“矿物学与岩石学”“环境矿物学导论”“成因矿物学概论”“岩石显微结构分析”“岩矿物理化学”等11门相关课程组成（李胜荣等，2015）。但是，21世纪之初强调通用型人才培养，矿物学和岩石学课程的学时及其实践性内容曾被大幅删减，导致知识点多而分散的矿物学岩石学类课程内容难以记忆和消化。此外，大量需要野外实践的课程，由于经费及安全的问题无法安排相关的实践活动，或者分配更多的学时，使得学习效果大打折扣。然而，多数研究者认为学好矿物岩石类课程的方法是要重视实验实践教学，激发学生学习的主动性（李胜荣等，2015；程宏飞等，2015）。另外，许多的地质课程尽管在课程安排上它们是相互独立的，然而实际地质现象的观察和地质问题解决是所学课程的综合应用。

鉴于这些特点和需求，虚拟平台能够为理论联系实际提供足够的空间和平台，使得学生融会贯通。虚拟仿真教学可以利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。这种教学方法生动形象，很接近现实工作场景，有利于提高学生兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，真实的体验在现实生活中进行操作的感觉，以达到更快掌握操作技能的目的，因而，矿物岩石类虚拟仿真教学的主要目标就是加强需要实践对象的认识、实践与互动。

（三）课程框架体系构建依据

尽管目前已经建成多种虚拟仿真中心和相关资源，但是这些虚拟仿真中心各自有自身的特点和针对性。如何开发并充分使用现有的资源来构建平台，是需要解决的关键问题。因而虚拟仿真实验教学体系框架构建极为重要。著名教育家陶行知说：“事怎么样做就怎么去学，怎样学就怎样教；教的法子要根据学的法子，学的法子要根据做的法子。”所以，从课程定义出发，矿物岩石学类课程的教学内容要求虚拟仿真重点实现矿物认知与鉴定以及岩石认知、特点形成过程及其应用。这些要求可以按照实现的结果分为两类：一类是可视化和可以操作的工具类平台，另一类则是掌握规律为主的应用平台。工具类平台可以实现矿物与岩石基本性质认知和识别。而应用类则基于实际生产或者课程理论研究为目标利用工具类各种平台达到目的，即理解矿物岩石的相关规律并应用矿物岩石基本性质于生活生产的目的。

三、矿物岩石学类课程虚拟仿真教学体系构建模型初探

（一）矿物岩石学类课程虚拟仿真教学内容体系构建模型初探

根据以上的分类，结合目前现有资源的基础上可以整合相关的工具类虚拟仿真平台。这些资源包括动画、计算软件、模拟软件、虚拟测试软件、虚拟仿真等内容。而应用类虚拟仿真平台要求在互动方面做得有吸引力，可以引入和借鉴，如“任务驱动”“项目建设”的互动设计模式（刘为浒等，2015）。平台分类见下图。

虚拟仿真矿物岩石实验教学内容系统框架

虚拟仿真矿物岩石实验教学内容系统框架下载原图

“工具类的平台”又可根据课程教学内容中以认识为主的部分进行划分矿物类和岩石类两个部分：矿物类包括矿物外部形态、内部结构、化学组成和物理性质等4个模块平台，而岩石类包括矿物共生组合、化学成分、结构构造和时代4个组成部分。矿物外部形态可以通过可视性的虚拟仿真模型和标本平台（1）和虚拟仿真扫描电镜仪器系统（2）认识学习；内部结构模块平台可以整合以《结晶学》为基础的虚拟仿真显微镜系统（3）和晶体3D虚拟仿真模型（4）以及研究矿物或物质内部结构的仪器系统（5）（如X射线衍射仪，拉曼光谱等）；化学成分平台可以纳入相关矿物化学组成的数据库（6）以及相关的目前常用的电子探针虚拟仿真仪器模拟分析系统（7）；矿物的物理性质模块可以引入各种展示矿物重要物理性质的动画（比重、磁性、导热、荧光等）（8）和各种检测矿物物理性质的虚拟仿真类仪器系统（9）。

岩石类平台的矿物共生组合由不同地球圈层对应背景下不同岩石类型的矿物组合虚拟仿真图和动画卡通图（10）及能够模拟不同系统和条件下离子和矿物相互关系以研究矿物共生组合理论的相关软件（如GWB软件程序是Geochemist'sWorkbench的简称和Thermocal软件程序）（11）；化学成分平台则包含常见不同背景下不同岩石类型的参考图表（12）、常用主量元素分析虚拟仿真仪器（如XRF)(13、14常用微量元素分析虚拟仿真仪器如ICPMS)(14）及同位素元素分析虚拟仿真仪器（如MC-ICPMS)(15）；结构构造平台可包含三大岩石类型常见和特别的岩石结构与构造可视三维模型（16）和虚拟仿真显微镜（3、17共享）；时代平台可包含介绍目前含前沿的三大岩石类型的定年技术原理动画；（18）、虚拟仿真同位素定年的相关仪器（15、19共享）。

“应用类平台”则是以探索其形成规律和生产应用为主要目的的平台，包括理论矿物学和应用矿物学以及理论岩石学及应用岩石学等方面的应用。其中理论矿物学依据矿物的研究目的，下分3个子平台：矿物成因（20）、矿物共生组合与分布（21）和矿物演化（22）；在应用矿物学平台划分为5个子平台：矿物鉴定系统（23）、矿物宝石学（24）、矿物各种物理性质（25）、矿物化学成分功能应用（26）和矿物学与交叉学科的应用（27）。理论岩石板块包含3个子平台，分别是：岩石成因机制（28）、岩石演化规律（29）和岩石与全球构造的关系（30）；应用岩石学下设4个子平台：岩石鉴定系统（31）、岩石成分的应用（如水泥制备）（32）、岩石物理性质的应用（33）和岩石学与交叉学科的应用(34）。

（二）矿物岩石学类课程虚拟仿真教学体系构建模型初探

尽管内容框架看似简单，设计的体系框架还要包括场景建设，基本的教学内容体系，互动设计模式，评价和考核，数据库，操作系统等复杂内容。依据课程内容提出相关板块的建议。

1.场景建设。

地质场景以自然场景为辅结合地质场景为主，包括与岩浆岩密切相关的：火山口、上地壳和下地壳，上地幔；与沉积岩对应的：高原、丘陵、河流、湖泊、海洋、沙漠；与变质岩对应的造山带：沿海山脉（如南北美洲大陆西部的科迪勒拉山造山带）、（秦岭造山带）、苏鲁大别造山带，以及与学校教学相关的岩矿鉴定室、化学分析室、磨片室、前处理室和实验室等。

2.互动设计模式。

教学的艺术不在于传授本领，而在于激励、唤醒、鼓励学生。在虚拟仿真中与实际生产相结合的“任务驱动”“项目建设”模型得到很多同行的认同和赞许（刘小洪等，2015；赵瑜等，2015）。基于地质自然场景下，将教学内容融于场景中，同时以“任务驱动”“项目建设”为主要互动模式开展学习，同时结合实物共同学习，做到虚实结合。“任务驱动”，如“以砂金的寻找金矿矿藏的来源”为任务，可模拟水系河流地区，选择不同的水系分支河流砂金统计收集点，依据水系分支统计数量，结合水系实际地理位置分布推测金矿矿源位置。依次过程的互动，使学生加深风化作用（上图中第28子平台：岩石成因机制子平台）和矿物比重的性质（上图中第25子平台：矿物各种物理性质子平台）在实际生产生活中的应用。其任务或项目可依据专业需要，从应用平台中选择相关内容开展设计，每次认识学习时间控制在30～45分钟为宜。

3.教学内容。

教学内容以知识点为单位进行模块化（见上图），在设计的过程中又可根据专业需要和重点，对照各课程教学大纲来选择不同知识模块重组。实验教学应建立在传统的实验教学手段及方法基础上，包括结晶学部分晶体模型分析，晶体光学部分显微镜实验操作，矿物学、岩石学部分手标本鉴定及显微镜下鉴定等。虚拟仿真仪器为辅，主要是加深理解。

在实际构建过程中，部分内容还可以参考借鉴已有的虚拟仿真体系，在已有的基础上整合并生动化，避免资源的浪费。例如，可将目前已有的中国地质大学（武汉）等六家单位合作完成的国家岩矿化石标本资源共享平台归入矿物可视三维晶体模型（上图中第1子平台）、不同岩石类型的矿物组合虚拟仿真模型（上图中第10子平台）共享平台，将已有平台的模型作为新平台的模型库。又如，中南大学矿冶工程化学国家级虚拟仿真实验教学中心的矿物分离与湿法冶金虚拟仿真实验可以归入应用平台下矿物学与交叉学科的应用子平台。如果因为虚拟仿真开发系统存在差异兼容性问题，可以考虑以链接方式连接不同的虚拟仿真系统。

4.评价和考核。

教与学的过程在观察与互动过程中进行，可开展多次课程或课后项目或者任务驱动，利用各种矿物和岩石子平台完成任务或完成项目情况来打分，在实际课程考核中占一定的分数百分比。

四、结语

构建完整的内容体系框架对于建立、完善及综合虚拟仿真系统平台是非常重要的，笔者基于课程定义提出了内容框架，并就体系建设提出近些年教学效果较好的建议，希望能为建立或完善虚拟仿真平台提供有意义的参考。虚拟仿真平台确实是提供很好理解和观摩平台使得可以反复观察加以理解，甚至化抽象为具象，并能在课余时间继续学习来消化理解课堂的理论知识，但是它并不能代替必要的课程实训，笔者仍然建议，在虚拟仿真平台的基础上，实验室矿物和岩石的鉴定以及野外的考察和结合模拟软件等分析处理的学习时间仍然不能减少。

参考文献：

[1]刘小洪,冯明友,郗爱华,陈曦.矿物岩石实验教学改革及展望[J].中国地质教育,2015(4):120-123.

[2]李胜荣,于炳松,许虹,申俊峰,赵志丹.矿物岩石课程群教学体系与多元实验平台建设回眸[J].中国地质教育,2015(4):6-9.

[3]程宏飞,周熠,刘钦甫《.矿物岩石学》教学现状与改革[J].教育教学论坛,2015(30):53-54.

[4]赵瑜,陈宇超,陈海林,何力,何鹏飞.矿物岩石学课程的教学改革探索[J].西部素质教育,2015,1(15):95-97.

[5]刘为浒,等，虚拟仿真实验平台建设中三类非技术问题的思考与建议[J].高校实验室工作研究,2016(3):70-73.

[6]秦善,刘金秋,迟振卿,等.矿物学发展现状及我国矿物学前景展望[J].地质论评,2016,62(4):970-978.

[7]刘显凡.矿物学简明教程[M].北京:地质出版社,2010.

马莉燕,丁伟.矿物岩石学类课程虚拟仿真实验教学体系框架构建的思考[J].教育教学论坛,2020(19):316-319.

基金：桂林理工大学教改项目“以专业认证为导向的资源勘查工程专业教学模式改革与实践”(2017A17);桂林理工大学教改项目“虚拟仿真技术在矿物及岩石学类课程教学中的应用”(2017B04).