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【摘要】数码显微互动实验室为岩石学的实验教学提供了高效，便捷的教学手段，应用此平台，可轻松实现显微图像和语音互动，有助于培养学生观察，交流等实践能力，促进了教学质量的提高。
【关键词】数码显微互动系统 岩石学 实验教学
【中图分类号】G612
【文献标识码】A
【文章编号】1 006--59 62(20l 2)08(a)--0004--02
1 前言
数码显微互动系统是将传统的显微教学和计算机成像技术、网络技术及多媒体控制技术相结合的综合信息技术，为教育现代化提供了全方位的优质技术支持，使教育教学手段产生了深刻的变革，目前多应用于医学，生物学教学，在岩石学实验教学中的应用鲜有报道。岩石学是研究岩石的成分、结构构造、产状、分布、成因、演化历史和它与成矿作用的关系等的学科，包括岩浆岩石学、沉积岩石学、变质岩石学等内容。利用偏光显微镜对岩石薄片进行镜下分析，是岩石学的重要组成部分，也是地质学相关本科、研究生必须掌握的专业技能。我校于2004年在Olympus BH-2型偏光显微镜上新建安装了数码显微教学系统，首次实现岩石学教学实验显微影像互动，是国内最早的数码显微互动岩石实验室之一。201 1年与2012年又分别在江南XP-213、Olympus CX3l～P偏光显微镜上安装了2套互动系统，实现了影像、语音、控制一体化互动系统。自此，建成三个数码显微互动岩石实验室，使我校岩石学教学实验室达到目前国内一流水平，为我校地质学及地质相关学科教学作出贡献。
2 数码显微互动实验室的组成与功能特点
数码显微互动实验室由数码显微系统、计算机软件系统、图像处理系统、语音问答系统和控制系统组成，主要设备包括偏光显微镜33台、教师用500万像素摄像头1个、学生用520TVL CCD摄像头32个、桌面互动台32个、计算机1台、投影设备1套。主要软件包括互动控制系统软件、图像分析软件、教学课件制作与管理软件等。
数码显微互动系统具有以下功能特点：
(1)提供清晰的多画面实时显示和丰富的交互手段。可将学生图像与教师图像同屏动态显示；通过软件控制学生端多台数码显微图像的同屏显示、捕捉和放大，以及教师端500万像素的数码显微图像显示、捕捉；并可对每一台数码显微镜的实时图像进行单独调整。
(2)强大的语音功能方便师生之间的交流。教师可选择广播模式讲课、师生对讲模式回答学生提问，或者使用分组讨论模式让学生之间分组进行自由交流和讨论，使得讨论内容更明确，沟通更方便。
(3)学生通过控制台回答教师提问，也可在教师许可后自由拍下自己观察到的现象，捕获的图片将自动保存在教师计算机指定的文件夹中。
3 基于数码显微互动系统的实验教学模式
数码显微互动系统的应用，很大程度上改变了传统岩石学的实验教学模式，给岩石学教学注入全新理念。
3.1 教师备课更方便，讲解更直观
传统的岩石学实验课，教师在备课时，需先观察岩石薄片，找出现象，讲课时在黑板上用素描的方式描绘该薄片的主要镜下特征，而颜色作为矿物光性特征最重要的要素，却只能通过口头描述或预先准备的照片来表述，这种传统的授课方式费时费力，学生听讲时觉得很抽象，不直观，教学效果不理想。应用数码显微互动系统后，教师在备课时，可根据实验教学目的将薄片的典型现象拍照，保存成图像文件，并制成PowerPoint幻灯片，在理论讲解时直接使用该幻灯片，省事省力、方便直观。在讲述矿物多色性、消光角、贝克线等内容时，可通过录制视频的方式讲述，这更是传统教学方式所不具备的手段。当然，这些教学内容也可在实验课上由教师亲自演示，经摄像头捕获图像后投影到屏幕上，这种边演示、边讲解的教学方式更能促进学生对授课内容的理解和掌握。
3.2 实时掌握学生学习过程，教师指导作用增强
在传统的岩石学实验课中，每位学生各自一台显微镜，教师无法掌握所有学生所看薄片的内容，只有当学生在观察过程中遇到困难和疑问时，教师才到学生显微镜前进行指导。这种模式下，教师对学生的学习过程缺乏掌握和监控，师生之间的沟通和交流受到时间和空间限制。教师需要重复回答多位学生提出的相似问题，一次实验课往往只能指导几名学生实验，而大多数学生不能得到老师的有效指导，教师的指导作用没有很好体现。利用数码显微互动系统平台，教师可以在微机上同时看到每个学生的显微镜中的实时内容，督促指导学生实验；也可选择任意几台显微镜为一组进行内容对比教学。当学生遇到某些典型问题提问时，教师可将他的镜下内容全屏放大，有针对性地对全体同学进行讲解。这样既能减少教师的重复劳动，又能及时发现学生实验过程中的问题，进行有针对性的指导，提高学生的学习效率。
3.3 师生互动交流
传统课堂教学中，如果有一位学生举手提问，教师回答过程中必然会吸引其他同学的注意力，某些情况下，可能这部分同学已经掌握了这些知识，无需在听讲解，因此教师的回答可能会打断他们的实验思路，使他们分心。在互动系统平台上，教师可利用语音系统与学生进行双向语音交流。学生实验中遇到问题可随时提问，教师可选择对讲模式回答他的问题而不会影响到其他学生。当教师认为该问题具有普遍意义时，也可使用广播模式对全体学生进行讲解。利用互动平台，还可实现学生分组讨论，同组学生之间可自由交流，不同组学生之间不会相互影响，教师可自由加入到他们的讨论中。这种师生互动交流方便、有效、直观，同时课堂氛围更活跃。
3.4 图像捕捉，照相、处理
利用互动系统的图像捕捉功能和图像处理软件，可轻松实现教师机自由拍照的需求。当教师在上课、备课和科研工作中发现某些典型现象，可随时拍照保存下来，不断丰富教学资料，完全不用考虑胶片带来的成本问题。在传统岩石实验课中，学生鉴定岩石薄片时，需要用素描的方式将看到的镜下内容描绘在记录纸上，应用数码显微互动系统后，学生可以在座位上随时将镜下图像捕捉下来，并且自动按编号保存在教师机中的特定文件夹内，这种方式快捷、直观，能让学生把更多精力放在观察薄片内容上，教师也可第一时间了解学生掌握实习内容的程度。 利用图像处理软件，可在照片上快速加注比例尺、标注注释，测量矿物显微长度和面积，也可利用该软件将岩石矿物微观影像灰度化，用于矿物形态学研究。
4 数码显微互动实验室存在的问题
数码显微互动系统扩充了传统显微镜实验室的功能，在传统显微教学基础上实现了图像的捕获、共享、存储、语音视频播放与互动等功能，提高了实验教学质量和效果。在互动系统的安装和使用过程中，也发现了一些存在的问题。
4.1 摄像头像素与分辨率较低
在实际使用过程中，我们发现互动系统成像分辨率和质量与实际镜下观察的图像仍存在一定差距，应提升摄像头像素、加大芯片尺寸。目前互动系统的摄像头规格主要为：数码摄像机500万像素、模拟摄像机520线；芯片尺寸一般1／2.5”～1／3”。而市售数码相机的有效像素可轻松达到1000～Y以上，传感器尺寸达到22，3ram×14.9mm，成像质量比摄像头高，说明互动系统的数码成像部分还有很高的提升空间。考虑到成本因素，可重点提升教师机摄像头规格，满足教师科研活动、教学演示的功能需求。
4.2 成像区域较小，与目镜不同步
由于受传感器尺寸和显微镜焦平面的限制，摄像头的成像区域一般为目镜可视范围的1／2“1／3，因此在学生实验时，当观察的矿物颗粒较大时，拍下的照片可能不能显示整个颗粒。为解决这一难题，各生产厂商给出的解决方案是在显微镜与传感器之间增加一个缩小镜，这样能增大摄像头的成像范围，但也带来一个问题。缩小镜后所成的图像是成球面的，在平面传感器上成像导致图像中间部分聚焦，而四周部分虚焦。在摄像头、缩小镜加工和安装时存在误差，摄像头的焦距与目镜焦距可能不一致，目镜已对焦时，可能摄像头中还是虚焦，需要进行对焦微调才能获得较高质量的照片。
4.3 图像颜色失真
岩石薄片鉴定分析，颜色是关键，细微的颜色差异都可能导致不同的鉴定结果。目前的摄像头成像都存在不同程度的颜色失真。对于起演示作用的教师数码摄像头，可用调节白平衡的方式进行细调，最大程度还原真实颜色；但对于学生所用的模拟摄像头，只有少数厂商提供自动白平衡功能，且无法手动细调。
数码显微互动系统进入岩石学实验课后，实现了图像、语音互动交流，为岩石学实验课提供了先进的教学平台。尽管数码显微互动系统现在还存在一些不足，但更先进的数码成像技术正在不断涌现，数码显微互动系统将不断完善，它将是显微实验教学的趋势。
参考文献
[1]杜丽坚，冷静，Motic数码显微互动实验室在病理学实验课教学中的应用[J].南京医科大学学报(社会科学版)，2005，4：368—370.
【关键词】数码显微互动系统 岩石学 实验教学
【中图分类号】G612
【文献标识码】A
【文章编号】1 006--59 62(20l 2)08(a)--0004--02
1 前言
数码显微互动系统是将传统的显微教学和计算机成像技术、网络技术及多媒体控制技术相结合的综合信息技术，为教育现代化提供了全方位的优质技术支持，使教育教学手段产生了深刻的变革，目前多应用于医学，生物学教学，在岩石学实验教学中的应用鲜有报道。岩石学是研究岩石的成分、结构构造、产状、分布、成因、演化历史和它与成矿作用的关系等的学科，包括岩浆岩石学、沉积岩石学、变质岩石学等内容。利用偏光显微镜对岩石薄片进行镜下分析，是岩石学的重要组成部分，也是地质学相关本科、研究生必须掌握的专业技能。我校于2004年在Olympus BH-2型偏光显微镜上新建安装了数码显微教学系统，首次实现岩石学教学实验显微影像互动，是国内最早的数码显微互动岩石实验室之一。201 1年与2012年又分别在江南XP-213、Olympus CX3l～P偏光显微镜上安装了2套互动系统，实现了影像、语音、控制一体化互动系统。自此，建成三个数码显微互动岩石实验室，使我校岩石学教学实验室达到目前国内一流水平，为我校地质学及地质相关学科教学作出贡献。
2 数码显微互动实验室的组成与功能特点
数码显微互动实验室由数码显微系统、计算机软件系统、图像处理系统、语音问答系统和控制系统组成，主要设备包括偏光显微镜33台、教师用500万像素摄像头1个、学生用520TVL CCD摄像头32个、桌面互动台32个、计算机1台、投影设备1套。主要软件包括互动控制系统软件、图像分析软件、教学课件制作与管理软件等。
数码显微互动系统具有以下功能特点：
(1)提供清晰的多画面实时显示和丰富的交互手段。可将学生图像与教师图像同屏动态显示；通过软件控制学生端多台数码显微图像的同屏显示、捕捉和放大，以及教师端500万像素的数码显微图像显示、捕捉；并可对每一台数码显微镜的实时图像进行单独调整。
(2)强大的语音功能方便师生之间的交流。教师可选择广播模式讲课、师生对讲模式回答学生提问，或者使用分组讨论模式让学生之间分组进行自由交流和讨论，使得讨论内容更明确，沟通更方便。
(3)学生通过控制台回答教师提问，也可在教师许可后自由拍下自己观察到的现象，捕获的图片将自动保存在教师计算机指定的文件夹中。
3 基于数码显微互动系统的实验教学模式
数码显微互动系统的应用，很大程度上改变了传统岩石学的实验教学模式，给岩石学教学注入全新理念。
3.1 教师备课更方便，讲解更直观
传统的岩石学实验课，教师在备课时，需先观察岩石薄片，找出现象，讲课时在黑板上用素描的方式描绘该薄片的主要镜下特征，而颜色作为矿物光性特征最重要的要素，却只能通过口头描述或预先准备的照片来表述，这种传统的授课方式费时费力，学生听讲时觉得很抽象，不直观，教学效果不理想。应用数码显微互动系统后，教师在备课时，可根据实验教学目的将薄片的典型现象拍照，保存成图像文件，并制成PowerPoint幻灯片，在理论讲解时直接使用该幻灯片，省事省力、方便直观。在讲述矿物多色性、消光角、贝克线等内容时，可通过录制视频的方式讲述，这更是传统教学方式所不具备的手段。当然，这些教学内容也可在实验课上由教师亲自演示，经摄像头捕获图像后投影到屏幕上，这种边演示、边讲解的教学方式更能促进学生对授课内容的理解和掌握。
3.2 实时掌握学生学习过程，教师指导作用增强
在传统的岩石学实验课中，每位学生各自一台显微镜，教师无法掌握所有学生所看薄片的内容，只有当学生在观察过程中遇到困难和疑问时，教师才到学生显微镜前进行指导。这种模式下，教师对学生的学习过程缺乏掌握和监控，师生之间的沟通和交流受到时间和空间限制。教师需要重复回答多位学生提出的相似问题，一次实验课往往只能指导几名学生实验，而大多数学生不能得到老师的有效指导，教师的指导作用没有很好体现。利用数码显微互动系统平台，教师可以在微机上同时看到每个学生的显微镜中的实时内容，督促指导学生实验；也可选择任意几台显微镜为一组进行内容对比教学。当学生遇到某些典型问题提问时，教师可将他的镜下内容全屏放大，有针对性地对全体同学进行讲解。这样既能减少教师的重复劳动，又能及时发现学生实验过程中的问题，进行有针对性的指导，提高学生的学习效率。
3.3 师生互动交流
传统课堂教学中，如果有一位学生举手提问，教师回答过程中必然会吸引其他同学的注意力，某些情况下，可能这部分同学已经掌握了这些知识，无需在听讲解，因此教师的回答可能会打断他们的实验思路，使他们分心。在互动系统平台上，教师可利用语音系统与学生进行双向语音交流。学生实验中遇到问题可随时提问，教师可选择对讲模式回答他的问题而不会影响到其他学生。当教师认为该问题具有普遍意义时，也可使用广播模式对全体学生进行讲解。利用互动平台，还可实现学生分组讨论，同组学生之间可自由交流，不同组学生之间不会相互影响，教师可自由加入到他们的讨论中。这种师生互动交流方便、有效、直观，同时课堂氛围更活跃。
3.4 图像捕捉，照相、处理
利用互动系统的图像捕捉功能和图像处理软件，可轻松实现教师机自由拍照的需求。当教师在上课、备课和科研工作中发现某些典型现象，可随时拍照保存下来，不断丰富教学资料，完全不用考虑胶片带来的成本问题。在传统岩石实验课中，学生鉴定岩石薄片时，需要用素描的方式将看到的镜下内容描绘在记录纸上，应用数码显微互动系统后，学生可以在座位上随时将镜下图像捕捉下来，并且自动按编号保存在教师机中的特定文件夹内，这种方式快捷、直观，能让学生把更多精力放在观察薄片内容上，教师也可第一时间了解学生掌握实习内容的程度。 利用图像处理软件，可在照片上快速加注比例尺、标注注释，测量矿物显微长度和面积，也可利用该软件将岩石矿物微观影像灰度化，用于矿物形态学研究。
4 数码显微互动实验室存在的问题
数码显微互动系统扩充了传统显微镜实验室的功能，在传统显微教学基础上实现了图像的捕获、共享、存储、语音视频播放与互动等功能，提高了实验教学质量和效果。在互动系统的安装和使用过程中，也发现了一些存在的问题。
4.1 摄像头像素与分辨率较低
在实际使用过程中，我们发现互动系统成像分辨率和质量与实际镜下观察的图像仍存在一定差距，应提升摄像头像素、加大芯片尺寸。目前互动系统的摄像头规格主要为：数码摄像机500万像素、模拟摄像机520线；芯片尺寸一般1／2.5”～1／3”。而市售数码相机的有效像素可轻松达到1000～Y以上，传感器尺寸达到22，3ram×14.9mm，成像质量比摄像头高，说明互动系统的数码成像部分还有很高的提升空间。考虑到成本因素，可重点提升教师机摄像头规格，满足教师科研活动、教学演示的功能需求。
4.2 成像区域较小，与目镜不同步
由于受传感器尺寸和显微镜焦平面的限制，摄像头的成像区域一般为目镜可视范围的1／2“1／3，因此在学生实验时，当观察的矿物颗粒较大时，拍下的照片可能不能显示整个颗粒。为解决这一难题，各生产厂商给出的解决方案是在显微镜与传感器之间增加一个缩小镜，这样能增大摄像头的成像范围，但也带来一个问题。缩小镜后所成的图像是成球面的，在平面传感器上成像导致图像中间部分聚焦，而四周部分虚焦。在摄像头、缩小镜加工和安装时存在误差，摄像头的焦距与目镜焦距可能不一致，目镜已对焦时，可能摄像头中还是虚焦，需要进行对焦微调才能获得较高质量的照片。
4.3 图像颜色失真
岩石薄片鉴定分析，颜色是关键，细微的颜色差异都可能导致不同的鉴定结果。目前的摄像头成像都存在不同程度的颜色失真。对于起演示作用的教师数码摄像头，可用调节白平衡的方式进行细调，最大程度还原真实颜色；但对于学生所用的模拟摄像头，只有少数厂商提供自动白平衡功能，且无法手动细调。
数码显微互动系统进入岩石学实验课后，实现了图像、语音互动交流，为岩石学实验课提供了先进的教学平台。尽管数码显微互动系统现在还存在一些不足，但更先进的数码成像技术正在不断涌现，数码显微互动系统将不断完善，它将是显微实验教学的趋势。
参考文献
[1]杜丽坚，冷静，Motic数码显微互动实验室在病理学实验课教学中的应用[J].南京医科大学学报(社会科学版)，2005，4：368—370.