”课程综合性实验的设计

在实验教学中培养学生的创新意识和创新能力——“地球物质基础（Ⅰ）”课程综合性实验的设计

沈忠悦　刘艳　郑爱平
　地球科学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

理学—地质学

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:“地球物质基础（Ⅰ）”介绍组成地壳的基本单元——矿物，它是“地球物质基础（Ⅱ）”、地球化学、构造分析基础、宝石学以及材料科学的基础。通过“地球物质基础（Ⅰ）”的教学，使学生掌握晶体的基本知识，了解晶体的发生，学会晶体对称型的基本推导与表达方式，掌握矿物的化学成分、形态、物理性质、成因产状、矿物的分类、各矿物种的鉴别特征。通过一系列的实验帮助学生掌握常见矿物的肉眼鉴定特征和鉴定技能，了解矿物的现代检测技术方法的基本原理，了解各类矿物的一般通性，学习约100—120个矿物种，其中重点掌握70种左右，为学生学习后续课程打下扎实的基础。

通过学习，使学生掌握晶体学与矿物学的基本理论和基本鉴定技能，并能够灵活应用以解决实际问题。

（2）教学内容:课程分两部分:第一部分是晶体学，重点是晶体的形成、晶体的对称规律和对称组合，以及晶体的晶面、晶棱与单形的表示；第二部分是矿物学，重点是认识常见矿物及其成因产状、共生和伴生组合关系。

4.教学对象

教学对象为地球信息科学与技术专业二年级本科学生。每年开设1个教学班，每班人数控制在20人以内，采用小班化教学，2～3人一组的实验条件，使每位学生都能真切地接触到各类矿物晶体。

5.课程学时与教学场景

（1）课程学时:课堂教学32学时，实验教学48学时。

（2）教学场景:教学课堂设在地科实验中心矿物学实验室，便于观察结晶模型与矿物晶体。

二、课程教学重点解决的问题

本课程设置理论课程周学时2学时，实验课时3学时。如何在极为有限的80学时教学时间内教授必要内容并提高教学效果，如何激发学生的学习积极性，培养创新思维，是教学面临的现实问题。

（1）晶体的生长与晶体分析。

矿物都是天然晶体。要掌握矿物知识，识别矿物，就得从晶体分析着手。通过晶体的培养，了解矿物的生长方式、矿物的共生组合；通过晶体上晶面的分布，了解与掌握晶体的对称，进而识别晶体；利用XRD分析原理进行晶体构造分析，让学生掌握精确识别矿物的现代技术方法，使学生掌握基本原理，并学会灵活实际应用的技巧。

在传统的矿物学基础教学中，往往只是验证性的实践，较少给出晶体培养与分析，而对如何进行晶体培养、如何基于晶体分析进行矿物识别更没有提出要求。但这是一门实践性很强的基础课程，因此教学过程中应特别注重实践能力的培养，才能在教学改革中取得进展。

（2）如何识别常见矿物？如何在为数众多的矿物中，识别出可能的矿物？这是教学过程中要解决的另一个重要问题。

现有矿物4000余种，常见矿物有70～80种，各种矿物的颜色、结晶习性、物理性质各异，不同的矿物有时又具有十分相近的外表形貌。通过总结大类矿物、相似矿物的特点，让学生学会举一反三。通过矿物共生与伴生关系，推导可能的矿物。

（3）矿物共生组合，既是矿物形成的标志，更是矿物识别的依据。

矿物的出现有其自身的地质环境意义。对于矿物的识别，我们引入矿物共生组合的识别方法，以已认识的矿物去推测可能的共生矿物，既认识了矿物的成因环境，又可用于矿物的鉴定中，提高了矿物学习的效率。

矿物的识别是地学中锻炼科学研究能力的重要手段之一，课程本身传递的知识固然重要，更重要的是引导学生训练逻辑思维能力，掌握逻辑推理的一般方法，从而培养出科学严谨的思维习惯以及主动探索求知的精神。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

针对课程教学的目标和教学中重点解决的问题，目前课程采用的教学实施策略和方法主要有:设计一个综合性的实验，从培养若干种晶体着手，通过晶体培养和晶体分析，形成一个完整的矿物晶体分析的过程。通过学生自己设计实验，自行组织实验，学生仔细观察与记录实验全过程，教师在这个过程中不断地提出问题让学生思考，形成基于设计综合性实验的实践能力培养，以及基于拓展性课题的研究性学习。人工模拟矿物晶体的形成不仅可以解释天然矿物的形成条件，更能激发学生的学习兴趣。

（1）综合性实验的设计。实验将学生分为若干组，每组3人。每组学生通过查阅资料，提出一种或几种常温下可以结晶的物质（教师可提出建议），按浓度积计算发生结晶沉淀的浓度，并设计晶体培养方案。

（2）互动教学。学生一旦设计了晶体培养方案后，教师与学生讨论方案中可能出现的问题。如何设计初始浓度？在实验室条件下，溶液自然蒸发过程中的溶液浓度变化会如何影响晶体的析出？当二相物质共存时，如何给一个合适的溶液浓度？

在学生实验过程，还会发现各种没有意料到的问题。针对不同的实验阶段，教师准备若干问题供学生讨论，讨论与分析结果要求学生写入实验报告。

（3）拓展性研究。对学生实验培养出的晶体，要求进行晶体形貌学分析，确定宏观对称要素组合，定出各个晶面的米氏符号。对于复合材料的晶体培养，研究晶体生长的相对顺序关系，复合材料对晶体形成的影响。通过拓展性研究，使学生学会举一反三，掌握对天然矿物晶体的分析方法。

（4）矿物共生组合规律的探讨与研究。通过人工晶体培养与分析，总结规律，并应用于天然矿物的识别与鉴定中。在天然矿物的认识中，引导学生分析矿物的形成环境，以矿物的共生关系来提高矿物识别的效率。

上述实施策略的终极目标是对培养学生的分析问题、解决问题和创新能力的培养。学生需要根据培养晶体类型的不同，自行查找资料、归纳总结知识点、动手做实验进行验证等。学生通过系统总结实验成果，撰写综合性、设计性和研究性的实验报告。同时抽取部分同学，以实验数据、实验照片和PPT演讲汇报，由所有同学提问。这种方法目的在于引导学生进行科学的分析和解决问题，充分锻炼学生自主学习与钻研的能力、撰写科学研究报告的能力、口头表达的能力以及团队合作与沟通的能力。

2.具体实施方法举例

（1）综合性实验的设计举例。整个实验贯穿于课程学习全过程中，按晶体培养、晶体观测与表征、晶体鉴定等若干阶段进行。

如何培养晶体？取石盐、明矾石、硫酸铜、泻利盐、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾等常温下可溶解于水并有较高浓度积的化合物一种或若干种，根据溶解度值将盐溶于蒸馏水中，配成比室温略高的温度下的近饱和溶液，后置于僻静处自由冷却。随着温度下降溶液会逐渐进入较低温度的介稳定区域。将籽晶绑好放入溶液中培养结晶，过两三天更换溶液继续培养，直至获得理想的晶体为止。

如何进行晶体测量？晶体培养成功后，要进行晶体测量，以便表征晶体特征。晶体测量中要求观察与描述晶体的对称性，分析各晶面的米氏符号。这时应引导学生用晶体对称原理、对称要素组合规律去分析其对称性。对于不同的晶体，可以举一反三，将晶体测量与分析方法大胆地推广到天然矿物晶体分析中，提出解决问题的大致思路，然后再小心测量与分析求证。使得学生对晶体分析问题有一个全面的认识，同时对理想晶体与实际晶体的差异有一个理性的认识。由于晶体培养过程往往需要数周才能完成，因此，这个综合性实验占用时间周期长。

实验教学中的互动十分重要，可以帮助学生回忆实验过程的得失，并总结规律。晶体培养的过程中，提出了一系列问题，让学生去思考与观察。如:

如何获得实验晶体的籽晶？

容器底部与溶液中的晶体形态是否一致？为什么？

溶液中的同一晶体，其上部晶形与下部晶形是否对称？为什么？能否避免不对称晶体的出现？

透明晶体常见的成层现象符合于晶体生长的哪个理论？在哪些地方又会出现不符的现象？什么是砂钟构造？

为什么快速结晶过程往往形成小晶体？如何才能培养大晶体？

当有不同种化合物加入同一培养器皿中时，它们的结晶顺序是怎么样的？是什么原因控制着它们的结晶顺序？不同种化合物形成了不同的晶体，其晶体自形程序与结晶顺序间有什么关系？它们是共生关系还是伴生关系？

如果两种以上的化合物加入，是否会形成不同于原始物质的结晶体？如何去识别或鉴定这些新晶体？

什么是共生矿物？什么是伴生矿物？当地表发现硫化物矿物的氧化带时，是否指示其深部可能存在较大规模的硫化物矿床？

（2）拓展性研究的举例。

除了做一些单一组分的晶体培养以外，我们会引导学生去加入不同化合物进行晶体培养，以期出现新的结晶体。这么做，使原先的简单晶体培养与晶体分析，拓展成了复杂环境下的晶体生长与可能的新晶体分析。

拓展性研究过程中，除了常规的晶体测量外，我们还引入了X射线衍射分析技术，使学生掌握现代化的测试技术原理与方法并学会应用。同时引导学生了解与掌握对于一些细微粉末状晶体的鉴定方法，以拓展学生的学习积极性。

（3）利用矿物共生组合与伴生矿物的原理，探索与认识未知矿物。

自然形成的矿物产于一定的地质环境，并以多种矿物在同一环境中出现为重要特征。利用这一特征，可以通过已经认识的矿物，去推演可能出现的其他矿物，从而更快、更准确地识别天然矿物。

如铜铅锌铁的硫化物矿物常常形成共生组合关系，当它们暴露于地表的氧化环境，会转化形成铜铅锌铁的氧化物矿物，这时的硫化物与氧化物矿物表面上具有生长在同一地点的特性，但形成的时间不同，因而是一种伴生关系；铜硫化物与硫化物矿床氧化带中的孔雀石和蓝铜矿（碱式碳酸铜）、石膏（含水硫酸钙）间是伴生关系；而后者孔雀石、蓝铜矿和石膏却具有共生关系。根据此类关系，学生易于掌握可能的矿物组合。

3.教学方法特点分析

本课程教学内容比较偏重观察与描述，但强调分析方法在问题求解中的应用，因此课程教学中选用了研究性学习导向的教学方法，主要特点有:

（1）研究性学习。通过综合性实验的设计，让学生较全面地学习人工晶体的生长和晶体分析。将学生分组自行设计实验，自主开展实验，通过课后的业余时间完成实验过程。通过学生之间、学生与老师之间的提问，讨论晶体生长的原理并掌握不同形貌晶体的成因机制。

（2）综合性实验法。课外长时间的实验贯通整个课程学习过程。通过长时间的晶体培养（不是2～3个课时可以完成的），展开课外的探索学习、团队设计、文献分析总结等活动，再将活动成果反馈到课堂教学中，形成带着问题学习的课内外任务驱动的联动机制，实现课内外活动的有机结合。

（3）参与式教学，增加了学生学习的兴趣。通过自行设计综合性实验的方法，大大地激励了学生的学习兴趣和探索精神。既有传统的试管烧杯上的操作，又有晶体图形图像分析，更有现代测试技术的支撑，使学生不仅对自己培养的晶体发生了兴趣，同时对于天然的矿物晶体也有了浓厚的学习兴趣。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

课程学习是一个过程，因此考核也以过程考核为主，逐步形成综合评价。课程成绩（100分）由下面几部分组成:

实验报告:本课程含有14个课堂实验，以晶体模型的分析、矿物的认识与描述为主，综合性实验为辅；实验报告的成绩占40分。

课后的设计性、综合性实验研究报告:以完成晶体培养实验，并要做较全面的晶体分析，描述细致，数据处理正确，分析矿物成因有理有据，计20分。

课堂与课后表现:积极参与讨论问题，计10分。

期末考试:30分。期末为笔试的理论考试。

上述的考核方式，强调了学习过程的考核，而不是以期末考试成绩为主，可以激励学生做好每一步，尤其是平时的实验与课后长周期综合性实验，以及写好每一次的实验报告和研究报告。

2.支撑手段

本课程不仅要求学生掌握晶体分析方法，掌握常见60～70种矿物的基本知识，了解一些不常见的矿物，更要求学生了解与掌握矿物共生组合为核心的矿物组合识别方法；提供全方位实验室对学生开放的措施，来保障学生可以在白天教师上班时间随时来实验室做实验，也可以通过与实验中心预约，晚上来实验室做实验，以保证课后时间段仍可继续进行综合性实验的实施。

此外，我们建设了课程教学网站，供同学学习，同时提供矿物晶体结构展示的软件系统，以3D形式完美展现各种矿物晶体结构。

课程建设有习题库。完成了近1000题的本课程习题库，以适应学生复习的需求。这些习题在内容、难度、覆盖面等方面均满足了课程教学大纲的要求。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

本课程的教学方法改革自2010年春夏学期开始试行，每学年对实施情况进行反馈，逐渐完善。学生对此满意度较好。目前进行了3届学生实验，涉及约50名学生。教学改革效果良好，获得了学生很好的评价。

通过综合性、设计性实验，学生从培养晶体着手，发现了晶体生长的规律性，同时也会主动尝试去用其他在常温下能够形成晶体的材料如“许愿晶灵”、“圣诞树”晶体的培养与表征。第一年试行，学生完成了课程学习过程中的研究报告，其中3篇研究报告，我们组织发表了论文，学生均为第一作者。

（1）石林权，沈忠悦.晶体培养与表征实验.教育教学论坛，2011，32:70-72

（2）林靓，孙震，杨晨希，徐敏荣，沈忠悦.许愿晶灵的矿物学研究.地球科学期刊，2011，1（1）:1-5

（3）石林权，潘小青，沈忠悦，陈宁华，张志亮，商亮节，吕青.嵊泗辉绿岩墙群侵位分析和倒转组构成因探讨.地球科学期刊，2011，2（1）:1-7

通过综合性、设计性的实验，学生主动地在课堂上互动，形成了浓厚的学习氛围，同时使学生养成了独立思考问题与解决问题的习惯。

2008级的石林权同学深有体会地写道:“本学期虽然花了大量的课余时间，完成了全套的晶体培养与表征实验，但使我对晶体有了深刻理解与兴趣，也使我对天然矿物的共生组合有了深刻的理解，对矿物的认识方法有了本质上的提高。学会了如何查找资料，如何设计实验，如何分析实验结果，如何在实验中发现问题并解决问题。总之，综合性实验使我第一次学会了学习，懂得了真正有趣的学习方法和掌握知识的有效途径。”

林靓:“综合性实验完成了，并对实验的许愿晶灵晶体培养提出了改进，并得到了一义乌商人的采纳，这时的心情十分激动。呵，我成功了。”

陈沈强:“整个实验从选题开始到实验内容、实验方案的设计，到最后具体实验操作都是自己通过努力，查阅了大量相关资料，获得了较为理想的结果，实验过程中克服了重重困难，最终取得了成果，成功的喜悦难以言表。”

李明月:“晶体培养与晶体分析的实验，经历了整整一个学期，整个过程让我学会了资料查阅、设计实验和完成实验。虽然耗费了大量的精力，但看到自己培养的晶体形成了，并定出了各晶面的指数和晶体类型，那种成功激励着我去进行下一个实验。”

通过近三年的综合性实验开设的实践活动，使大部分学生从综合性实验中获得学习上的激情，更加爱好实验活动了。同时，学生给予课程与老师的评价均为优秀。

2.推广性分析

综合性、设计性实验课程使学生围绕教学中的一个主题学习，并引入科学研究，改变了以前实验教学的顺从性、验证性的教学方法，使学生对实验课程有了自主的选择，掌握了主动的学习方向，改变了被动学习和被动实验、被动接受知识的局面。从某种意义上说，将课程教学与科学研究结合起来，培养了学生的科研思维及动手能力，打开了学生的科学视野，使学生逐步掌握科学的学习方法，不断地扩展专业知识面，增强独立思考的能力和独立获取知识的能力；学会了运用学科基本理论和方法，通过观察、分析、综合、归纳等方法培养学生发现问题和提出问题的能力，提高了学生科学观察和思维能力，从而培养了学生的科学兴趣，增强了学生研究创新的能力培养。

通过综合性、设计性实验教学，培养学生严谨求实的科学态度以及刻苦钻研的作风和求实精神；通过课程教学，引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望，获得创新意识的培养。

“地球物质基础（Ⅰ）”的综合性设计方法，同样有可能向类似地学课程推广。抽取出课程中可以延续且前后关联度大的实验，组成一个综合性的实验，让学生围绕一个主题，持续开展实验活动，以将各零散的知识贯穿成一条线。如《构造地质学》中可通过岩石变形的模拟，实现加载速度、应变率等对岩石变形特征的影响，从而使学生更深刻地理解构造形态的形成。

然而，实施设计性、综合性实验需要有以下条件支撑:

需要小班教学。由于设计性、综合性实验是采用小组方式（1～3人一组进行实验），并进行基于小组的讨论和研究报告的汇报，因此教学班人数过多将难以保证教学质量和效果。

需要有实验室开放的支持。设计性、综合性实验的开展，要花费更多的时间，投入更多的精力来完成。除了课堂时间外，实验室要实行对学生全面开放。同时教师也需投入更多的时间与精力与学生开展课外和课内的讨论。

需要投入更多的实验经费。实验室为学生的开放实验提供必要的实验器材，包括消耗性的器材和药品。实验室管理人员的配合与支持，是其能够成功实施的保障。

需要学生具有良好的学习主动性。设计性、综合性实验往往以小组为单位进行实验的设计与实验活动的实施。部分学习主动的学生往往承担了大部分以至于全部的实验活动，导致实质上仍有学生没有按教师要求去做实验，却可“不劳而获”。一个良好的实验研究报告，是学生的主动性、团队合作精神的体现。

整体来说，设计性、综合性实验的引入，大大提高了学生的学习兴趣，培养了学生独立分析问题、解决问题的能力。通过课堂中提炼学生共同存在的问题有针对性地解答，不仅不会延误课程学习，相反使学生可以举一反三，加深对课堂知识的理解与掌握。

通过三轮的实验教学改革，既激发了学生的求知欲，又促使我们的教师不断地进行教学研究。我们总结经验，发表了“精心设计综合性实验，培养学生创新能力——以《结晶学及矿物学》实验课程为例，实验室研究与探索，2012，31（5）:92—94”的直接与此相关的教改论文。

六、课程教材及实验参考书

［1］李荣胜，许虹，申俊峰等.结晶学与矿物学（第二版）.北京:地质出版社，2012

［2］赵珊茸，边秋娟，王勤燕.结晶学及矿物学（第二版）.北京:高等教育出版社，2011

［3］秦善，结晶学基础.北京:北京大学出版社，2010

［4］秦善，王长秋.矿物学基础.北京:北京大学出版社，2010

［5］沈忠悦.地球物质基础（I）实验指导书（自编油印本），浙江大学地科实验中心，2012

［6］课件网.http://gs.zju.edu.cn/down/地物/index.html

其中，［1］或［2］为理论课教材，［5］为实验教材，［3］和［4］为参考书。