郝憲杰 趙廣輝 趙毅鑫 吳仁倫 滕騰

【摘要】本文針對互動式教學(xué)模式在大學(xué)科研導(dǎo)論這門課程中的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用進(jìn)行研究，以北京市新機(jī)場地鐵施工為背景，通過課堂上師生互動的教學(xué)模式向同學(xué)們講授細(xì)觀分析在地下工程中的應(yīng)用，在講解電鏡掃描操作流程的基礎(chǔ)上，采用師生互動探討形式指導(dǎo)學(xué)生如何應(yīng)用掃描特征對不同巖性的掃描結(jié)果進(jìn)行分析和判斷。實(shí)踐表明通過課堂上師生互動的教學(xué)模式使得課堂氣氛更加活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)情緒高漲，不僅使學(xué)生掌握了電鏡掃描分析技術(shù)，同時也激發(fā)了學(xué)生對于地下工程行業(yè)科研的興趣，有利于提升學(xué)生進(jìn)行科研的能力。

【關(guān)鍵詞】科研導(dǎo)論 ?互動教學(xué) ?地下工程 ?細(xì)觀分析 ?電鏡掃描

【基金項(xiàng)目】本論文受中國礦業(yè)大學(xué)（北京）課程建設(shè)與教學(xué)改革項(xiàng)目（J180114，J200103）和2020年課程思政示范課程建設(shè)項(xiàng)目科研導(dǎo)論（采礦工程）資助。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）45-0076-02

科研導(dǎo)論（采礦工程）是中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程專業(yè)的本科課程，該門課程旨在通過教師授課，逐步培養(yǎng)起學(xué)生對科研內(nèi)容的興趣，以及科研能力。

細(xì)觀分析是指通過電子顯微鏡對材料的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的一種方法[1]，近年來電子顯微鏡在巖土工程中電鏡掃描技術(shù)對于分析巖石微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，揭示巖石力學(xué)破壞機(jī)理具有重要意義[2]。因此講述電鏡掃描成為了許多擁有地下工程專業(yè)學(xué)校教學(xué)任務(wù)中必不可少的一個環(huán)節(jié)。

本文針對互動教學(xué)在大學(xué)科研導(dǎo)論的教學(xué)課程的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行研究，在科研導(dǎo)論課堂上以北京市新機(jī)場地鐵施工為例，通過施工現(xiàn)場取樣、實(shí)驗(yàn)室電鏡掃描、掃描結(jié)果對比分析等步驟，向?qū)W生講述細(xì)觀分析的知識，通過師生之間的互動形式使得學(xué)生能夠通過科研導(dǎo)論這門課對自己所處巖土行業(yè)里的細(xì)觀具體分析方法進(jìn)行掌握，激發(fā)學(xué)生對于地下工程領(lǐng)域科研的興趣。

1.課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

由于掃描電鏡是大型貴重設(shè)備，學(xué)生很難保證擁有上機(jī)操作的時間，因此老師可以通過學(xué)校的多媒體設(shè)備，以圖片、3DMAX建模、Flash動畫形式向?qū)W生講解掃描電鏡的原理及其操作流程[3]。老師根據(jù)電鏡掃描實(shí)驗(yàn)的操作和對比分析流程將本堂課分為以下三個部分：第一部分說明施工現(xiàn)場取樣及其注意事項(xiàng);第二部分介紹實(shí)驗(yàn)室電鏡掃描;第三部分對掃描結(jié)果對比分析。

2.施工現(xiàn)場取樣

現(xiàn)場取樣是進(jìn)行電鏡掃描的基礎(chǔ)，盡管無法帶領(lǐng)學(xué)生親自到現(xiàn)場采集樣品，但是老師可以通過多媒體設(shè)備向?qū)W生講述取樣過程。例如，本次取樣地點(diǎn)為北京市新機(jī)場地鐵線施工現(xiàn)場，試樣取自工作面具有明顯土壤分層的區(qū)域（圖1）。

關(guān)于現(xiàn)場取樣需要注意的細(xì)節(jié)有很多，因此老師需要將每一個細(xì)節(jié)部分作出詳細(xì)的說明，具體如下：

（1）保證取樣前一周內(nèi)天氣正常，不可出現(xiàn)降雨。其目的是為了保證土壤條件未受到破壞。（2）取樣時應(yīng)該在掘進(jìn)工作面上選取具有明顯土壤分層的區(qū)域。其目的是為了使選取的樣品更便于區(qū)分。（3）取樣應(yīng)采用潔凈的鐵鍬于所選各土層的中部挖掘取樣，并稱裝進(jìn)備好的袋中封存。其目的是防止工具上殘留的土對樣品產(chǎn)生影響;使選取的土壤能夠代表該土層的性質(zhì)。（4）盡量避免在交界處取樣。其目的是防止所取樣品中混雜其他種類的土。

3.實(shí)驗(yàn)室電鏡掃描

3.1實(shí)驗(yàn)原理介紹

由于電鏡掃描設(shè)備是大型貴重儀器，因此，在課堂上老師只能通過多媒體播放PPT、視頻、Flash動畫的、3D建模等形式來講解其構(gòu)成原理，而無法向?qū)W生展示實(shí)物進(jìn)行操作。掃描電鏡（SEM）的工作原理是利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束，通過在試樣上掃描，以獲得測試試樣表面形貌的觀察[4]。

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為中國石油大學(xué)（北京）提供的Quanta 200F場發(fā)射掃描式電子顯微鏡。實(shí)驗(yàn)過程如下：（1）將試樣制成體積為1cm×1cm×1cm的小塊，對其進(jìn)行噴金處理以提高導(dǎo)電性。（2）將制好的樣品放在電子顯微鏡下進(jìn)行掃描。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

如何通過掃描特征對不同巖性的掃描結(jié)果進(jìn)行分析是本堂課的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。本次實(shí)驗(yàn)共得出100倍、1000倍兩組不同倍鏡下放大結(jié)果（圖2、圖3），在課堂上老師可以安排學(xué)生就同一倍鏡下不同材料樣品進(jìn)行互動討論，即在相同倍鏡下不同材料樣品進(jìn)行的宏觀和微觀的比較。

通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀測，可以發(fā)現(xiàn)100倍電鏡放大下對比4類樣品掃描結(jié)果，一方面請學(xué)生從粒徑上進(jìn)行互動探討，粗砂的砂粒具有較大的粒徑，平均在1mm左右;砂卵石中的砂粒與細(xì)砂的砂粒具有較為相似且略小于粗砂砂粒的粒徑，大約在0.5mm左右，但波動較大。

在1000倍電鏡放大下，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀測對比?？梢钥闯觯N樣品表面均含有較多的細(xì)微顆粒。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生觀測，可以發(fā)現(xiàn)粗砂表面呈現(xiàn)多孔狀，細(xì)砂表面幾乎無孔狀結(jié)構(gòu)，而砂卵石樣品表面細(xì)微顆粒明顯大小不一，有大有小。

綜上可以看出，通過不同倍數(shù)電鏡下樣品的細(xì)觀特征對不同巖性進(jìn)行分析，可以了解各類巖性的特征，對于研究地下硐室的穩(wěn)定性起到重要的指導(dǎo)作用，這個過程不僅可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)到細(xì)觀特征的分析方法，還可以教會學(xué)生逐步深入的科研方法，提升學(xué)生的科研能力。

5.結(jié)論

綜上可以看出，在不具備到現(xiàn)場的條件下，老師仍然可以運(yùn)用多媒體技術(shù)向?qū)W生講授電鏡掃描實(shí)驗(yàn)。電鏡掃描作為當(dāng)代巖土行業(yè)分析的常用技術(shù)，通過科研導(dǎo)論這門課程向?qū)W生講解電鏡掃描技術(shù)，更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐表明采用課堂上師生互動的教學(xué)模式，課堂學(xué)習(xí)氣氛更加活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)情緒高漲，不僅使學(xué)生掌握了電鏡掃描分析技術(shù)，同時也激發(fā)了學(xué)生對于地下工程行業(yè)科研的興趣，有利于提高學(xué)生的科研能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐建紅，許建卓，劉應(yīng)然.掃描電鏡技術(shù)在黃土場地工程勘察中的應(yīng)用[J].山西建筑.2013（21）：58-59.

[2]左靖，徐衛(wèi)亞，王環(huán)玲，等.巖石電鏡掃描圖像的分形特征研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（2）：72-76.

[3]郝憲杰，馮夏庭，江權(quán)，等.基于電鏡掃描實(shí)驗(yàn)的柱狀節(jié)理隧洞卸荷破壞機(jī)制研究[J]，巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013（08）：1647-1655.

[4]逯桂平.掃描電鏡技術(shù)及其在礦物加工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].廣州化工.2012（10）：51-53.

作者簡介：

郝憲杰（1987-），男，山西孝義人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）副教授、碩導(dǎo)，從事地下工程穩(wěn)定性方面的研究，入選中國科協(xié)青年人才托舉工程。