楊 鋒，劉蘇橋，白艷萍，馮佐海，張桂林

（桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院／廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室，廣西桂林 541004）

晶體光學(xué)是研究可見光通過透明礦物晶體時所引起的反射、雙折射、全反射、偏光、吸收、干涉、色散等光學(xué)現(xiàn)象及其規(guī)律的一門科學(xué)［1－2］。晶體光學(xué)是地質(zhì)學(xué)、資源勘查工程和寶石學(xué)等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是進行礦物光性鑒定的基礎(chǔ)，更是學(xué)習(xí)礦物學(xué)、巖石學(xué)等課程的基礎(chǔ)［3］。由于晶體光學(xué)要在偏光顯微視野中觀察礦物形態(tài)及光學(xué)現(xiàn)象，因此實驗教學(xué)是一個重要環(huán)節(jié)。通過實驗教學(xué)可以使學(xué)生理論聯(lián)系實際，掌握各種礦物形態(tài)以及光性特征。因此，實驗課輔以先進教學(xué)設(shè)備的運用直接影響到實驗教學(xué)效果［4－5］。隨著當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展和新技術(shù)、新方法的不斷發(fā)明和涌現(xiàn)，作為現(xiàn)代教學(xué)的重要手段——顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各類實驗教學(xué)及科學(xué)研究［6－7］。

桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院于2008年建成了以顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)為主的晶體光學(xué)實驗教學(xué)平臺，通過4年的教學(xué)實踐，該平臺在提高實驗教學(xué)效果、改善實驗教學(xué)環(huán)境、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和提高學(xué)生分析以及解決問題的能力等方面發(fā)揮了重要作用。

1 顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)的構(gòu)建

顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，見圖1。系統(tǒng)分為教師端和學(xué)生端。教師端和學(xué)生端都配備一臺微型計算機和一架帶攝像裝置的偏光顯微鏡（實驗室配備1臺教師機和40臺學(xué)生機），通過網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實現(xiàn)教師和學(xué)生之間實時互動，進行圖像、語音及文字等的傳輸。

圖1 顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)

1.1 硬件配置

顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)的硬件組成主要包括Nikon E200POL和Leica DMEP兩種型號偏光顯微鏡、HP DX2310MT 微型計算機（包括教師端和學(xué)生端用計算機）、Moticam 2206顯微攝像裝置、EPSON 6010投影儀以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。

偏光顯微鏡是研究晶體光學(xué)性質(zhì)和進行透明礦物薄片鑒定的重要儀器［8］，用來測定礦物不同方向的光學(xué)性質(zhì)。偏光顯微鏡配備3個補色器：光程差為550 nm 或530nm 的石膏試板、光程差為147nm 或137 nm 的云母試板以及光程差為0～1 650nm 的石英楔。補色器是已知晶體光率體橢圓半徑及光程差的礦片，是由已知非均質(zhì)晶體制成的一定厚度的定向切片。補色器可應(yīng)用補色法測定礦物某些光學(xué)常數(shù)和性質(zhì)。

1.2 軟件配置

顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)采用Motic DigiLab Ⅱ軟件系統(tǒng)［9］。該系統(tǒng)是一種全新的分布式數(shù)碼互動軟件系統(tǒng)，分為教師端控制軟件和學(xué)生端控制軟件。教師端與每一個學(xué)生端都是獨立的圖像處理單元，各自具備強大的圖像分析、處理功能，還可通過系統(tǒng)自帶的局域網(wǎng)，實現(xiàn)實時動態(tài)圖像的共享和語音的交流。教師通過教師端軟件可以觀察所有學(xué)生的偏光顯微鏡圖像與電腦屏幕圖像，隨時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并可通過屏幕控制對學(xué)生進行獨立輔導(dǎo)。學(xué)生端軟件在教師端軟件的操作下，可以顯示教師端或其他任意一個學(xué)生端的圖像，實現(xiàn)師生之間（學(xué)生之間）真正的互動。該系統(tǒng)還具備完善的語音和文字交流功能，提供廣播、對話、問答等多種交流方式，全面方便地滿足教學(xué)的需求。

2 系統(tǒng)在晶體光學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

晶體光學(xué)是以實驗為主的重要的地學(xué)專業(yè)課程。實驗教學(xué)方式主要是借助偏光顯微鏡來觀察礦物在單偏光、正交偏光和錐光下的光學(xué)特征等，具有高度的實踐性。在傳統(tǒng)晶體光學(xué)教學(xué)中，教師只能利用晶體模型講解、手繪圖案或通過投影機等方式對光學(xué)現(xiàn)象進行闡述，學(xué)生自己在偏光顯微鏡下觀察。然而多數(shù)學(xué)生在偏光顯微鏡下找不到需要觀察的礦物，或觀察方法不正確，幾乎都需要教師幫助。學(xué)生實驗效率低，教師的勞動強度大。

顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)在其他學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)較為普遍［10－12］，但在晶體光學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用未見相關(guān)文獻。本次探討了顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)的組成和功能，以及晶體光學(xué)實驗教學(xué)特點，詳細闡述了兩者結(jié)合的特征，為拓展晶體光學(xué)實驗教學(xué)方法提供參考。

2.1 全程監(jiān)控與教學(xué)示范

在顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)的教學(xué)中，教師在學(xué)生屏幕的模式下只要點擊分組管理按鈕，監(jiān)控屏幕上可同時顯示所有學(xué)生的顯微數(shù)碼圖像；也可以選擇顯示任意一臺偏光顯微鏡下的圖像進行教學(xué)示范。有利于教師及時了解學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，并就學(xué)生中普遍存在的問題進行有針對性的講解指導(dǎo)，改變了教師被動為學(xué)生解答問題的局面；同時教師可主動向?qū)W生提出問題，引發(fā)學(xué)生思考。另外，教師利用顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)可以把顯微鏡下觀察的內(nèi)容通過計算機屏幕向?qū)W生展示。

以尋找輝石垂直光軸切面為例，許多學(xué)生難以辨別礦片中各種不同的礦物，且輝石的不同切面也具有不同的光學(xué)特征，教師可以拿一張礦片放在偏光顯微鏡載物臺上，鏡下的圖像會同步出現(xiàn)在學(xué)生機的屏幕，找到需要的礦物之后從低倍（4×）、中倍（10×、20×）到高倍（40×），單偏光到正交偏光的順序一步一步地觀察，見圖2。通過動態(tài)的演示，伴以講解，能夠較好地啟發(fā)學(xué)生，使學(xué)生既能掌握輝石垂直晶體光軸的光學(xué)特征，也能對比斜交光軸的特征，或觀察其他礦物的形態(tài)及光學(xué)特征。因此，運用顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)使得教師的指導(dǎo)變得更加便捷。

2.2 實時互動交流

教師通過監(jiān)控屏幕可隨時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并可以進行師生間的互動交流。例如教師發(fā)現(xiàn)礦片中有典型的礦物、或者學(xué)生在偏光顯微鏡下觀察到特殊的礦物顆粒，教師可以對部分或全班學(xué)生示教并討論，這樣就避免了傳統(tǒng)晶體光學(xué)實驗教學(xué)中可能出現(xiàn)的找不準(zhǔn)或看錯等現(xiàn)象。如果學(xué)生在偏光顯微鏡內(nèi)發(fā)現(xiàn)自己不認(rèn)識或不能確定的礦物，可對圖像中進行標(biāo)記并提問，也可以請求發(fā)言，師生之間可以通過耳機用單獨對講的方式進行解答。顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅建立了師生間互動交流的平臺，更重要的是提高實驗教學(xué)效果的同時也減輕了授課教師的強度以及重復(fù)性。另外，同一實驗組的學(xué)生之間可以相互察看所見到的礦物特征，為實驗小組進行內(nèi)部討論提供了良好的平臺，促使學(xué)生之間相互交流，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又培養(yǎng)了他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

圖2 尋找輝石垂直晶體光軸切面及光學(xué)特性判斷圖

2.3 圖像分析及共享

Motic DigiLabⅡ軟件系統(tǒng)帶有圖像處理功能，能夠提供高清晰的畫面顯示。學(xué)生在偏光顯微鏡下觀察的礦物光學(xué)特征能夠被及時顯示，可以對觀察到的礦物形態(tài)的局部進行預(yù)覽、放大，使觀察效果更好。顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)把教師端的偏光顯微鏡和學(xué)生端的偏光顯微鏡與計算機相連，鏡下數(shù)碼圖像可傳至計算機上，因此每位學(xué)生可以在計算機上建立一個自己的實驗文件夾，把重要或難理解的各種礦物光學(xué)典型圖像進行捕捉、拍照以及標(biāo)注后存儲在自己的文檔中，便于學(xué)生復(fù)習(xí)與記憶，為學(xué)生主動學(xué)習(xí)提供方便。

由于在制片過程中切片的類型、部位、角度等一系列的原因?qū)е旅课粚W(xué)生所觀察到的礦物形態(tài)不盡相同。例如：觀察薄片中垂直光軸的礦物時，由于礦物切片方位不一樣，一些礦物很可能是斜交光軸的形態(tài)，教師可通過操作系統(tǒng)軟件對任何一臺偏光顯微鏡視野中出現(xiàn)的罕見、少見或典型礦物進行捕捉、拍照、處理和保存，經(jīng)過長時間積累的圖件可以豐富教學(xué)資源，用到后續(xù)的實驗課和理論課的教學(xué)、學(xué)生課外自學(xué)、復(fù)習(xí)以及科研中，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

另外，圖像處理系統(tǒng)還可對圖像進行各種測量（長度、面積、灰度值等）、錄像、編輯、剪切、放大、對比等。這些功能使教學(xué)內(nèi)容得到了極大的拓展。在實驗過程中，學(xué)生還可把多個易混淆的礦物圖像集中放在同一個屏幕上進行對比分析，如鉀長石和斜長石、普通輝石和紫蘇輝石、黑云母和普通角閃石等，在同一畫面上比較他們的異同，找出他們的區(qū)別點，從而加深對知識的理解，提高自主分析理解能力。

3 結(jié)束語

數(shù)碼顯微互動實驗系統(tǒng)主要功能在于其真實性、直觀性和互動性，教師將偏光顯微鏡下的所見能實時地傳送到學(xué)生顯示屏上，利于觀察和講解；同時可以實時動態(tài)監(jiān)控每位學(xué)生偏光顯微鏡下的畫面，并可以將任意學(xué)生的觀察礦片的過程演示給所有學(xué)生；通過語音系統(tǒng)對學(xué)生進行集體授課或單獨答疑輔導(dǎo)，學(xué)生也可以分組討論；還能對圖像進行處理及共享等。所有的功能都在教師的監(jiān)控與授權(quán)的情況下實現(xiàn)，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。通過這一網(wǎng)絡(luò)平臺，可以將教師與學(xué)生聯(lián)系在一起，使教師和學(xué)生間實現(xiàn)了真正意義上的雙向互動。顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)將計算機、偏光顯微鏡、數(shù)碼攝像裝置和網(wǎng)絡(luò)有機地結(jié)合起來，使得晶體光學(xué)的實驗教學(xué)形式、教學(xué)觀念和教學(xué)方法等得到了較大的改變。

晶體光學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容較多，直觀性和實踐性極強。通過顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)的投射使學(xué)生能更多地看到不同礦物的形態(tài)及光性特征，加深了學(xué)生對知識點的掌握；同時，教師更容易實時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進度與掌握程度，更好地發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中存在的問題。通過師生之間、學(xué)生之間交流互動，可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，加強理論運用于實際的能力，減少了教師重復(fù)性的勞動。顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)在晶體光學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，改變了以教師為主的晶體光學(xué)傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，營造了以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)環(huán)境，為師生提供了教學(xué)互動平臺，增強了晶體光學(xué)教學(xué)效果，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。顯微數(shù)碼互動實驗系統(tǒng)是地學(xué)實驗教學(xué)的重要方法和發(fā)展方向。

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