李龚健，王庆飞，许 博，王 宁，张小凡

1.中国地质大学（北京） 地球科学与资源学院，北京 100083；
2.中国地质大学（北京） 珠宝学院，北京 100083 3. The University of Texas at Dallas, School of Natural Sciences and Mathematics, America Dallas 75080

岩石鉴定是科研和生产者跨入地球科学领域的敲门砖与基本功[1-4]。在国内外大专院校地球科学基础教程中，岩石分类及其鉴定特征都被列为重要基础部分而在多个章节进行介绍[5-9]。不同类型岩石的相似性和相同类型岩石的多样性导致单纯通过口头或者文字授课形式难以使学生理解复杂抽象的个体岩石鉴别特征，因此基于传统实际岩石样品或其对应数码图片的教学不可或缺。本文分析了实际样品和数码图像在岩石鉴定教学中的优势和弊端，指出基于实际样品教学虽收效甚好但自身资源不足，而基于数码图像教学虽无资源限制但其实效性尚未被证实。由此引入美国心理学家和地质学家近期联合开展的一项对比教学实验成果，概括介绍该实验的条件、过程和结果[10]，讨论实验制约因素及其教学启示。进而结合岩石鉴定教学现状和数码信息技术发展趋势，解析了基于岩石数码图像教学是否能够作为基于实际样品教学的重要辅助手段而推广应用。

岩石鉴定对于初学者甚至部分专业人员都普遍充满挑战，主要原因在于：（1）不同类型岩石辨识特征的相似性导致区分它们的依据不清晰。如将细粒花岗岩从细粒闪长岩中分辨出来常需仔细探寻其中的石英颗粒。（2）相同类型岩石辨识特征的多样变化性导致辨识过程中的迷惑多解。如砂岩由于岩屑、矿物和胶结物类型及其在岩石中的占比差异而呈现多种组构和颜色。因此在岩石鉴定教学中，简单依靠教师的口头或者文字描述授课方式使学生理解并掌握复杂抽象的岩石辨别特征是具有难度的，因此指导学生进行直接的实际岩石标本学习一直是传统教学中必不可少的部分[1-3]。

实际岩石样品学习过程通常是在实验室摆放一定数量的岩石标本，教师先讲解当次标本各自的独特鉴定特征，然后由学生进行观察和学习，并辅以放大镜、小刀、磁铁等物理工具和稀盐酸、钼酸铵等化学试剂。学生学习过程是以视觉为主，融入其他感觉（如触觉）的综合感知，且其中包含着积极的思维活动。这种教学模式可以使学生能够真实、全面地感知实际样品的辨别特征并将相关信息烙印于脑海，由此培养并建立起学生鉴定岩石的能力，其作用的长程有效性已经得到国内外多年教学实践的论证[11-12]。然而，国内各大专院校可用于教学的实际样品却普遍不足。在专业地质院校的岩石学实验课堂甚至野外实习中，教师也时常基于有限的实际样品虽然全面讲授相关知识，但学生并未真正接触过这些岩石。国内高校持续扩招致使长期出现多位学生围绕有限岩石样品在限定学时内进行学习的情况，其明显缩短了单个学生平均观察和学习时间。由于教学岩石标本的稀少和不便携带，通常学生只有在实验和实习课上才能接触到。实际岩石样品教学资源的不足业已遏制了学生基本岩石鉴定能力的培养（图1）。

随着近年来数码摄像和网络教学技术的日新月异，基于岩石数码图像的教学模式逐渐被应用于岩石鉴定课堂上。由于该模式能够无限制地获取世界各地的岩石类型和同类型岩石多种表象的数码图像，因此其有望成为缓解实际岩石教学资源不足的重要辅助手段。通过网络媒介可将岩石图像快捷地分享在各大专院校信息化教学平台上，借助电脑程序易于优化选择与梳理处于实时更新中的岩石网络图像库，从而将丰富多样、重点突出的岩石表观鉴定特征呈现给学生。尽管如此，图像教学目前主要展示岩石的视觉鉴定特征，而对于岩石的密度、硬度、磁性、触感、化学反应等却很难直观或者不可能进行显示，如火山浮岩较小的密度、砂岩砂质构造的触觉感知、不同类型碳酸盐岩遇稀盐酸产生的差异性起泡程度等。此外，数码图像教学的实效性从未得到验证，即学习者基于岩石图片的观察而捕获岩石的表观鉴定信息并存储于脑海的教学模式，是否能真正培养和提高学习者的岩石鉴定能力从而应用于真实的岩石辨别中，其是否能取得和基于真实岩石样品教学模式等同的成效，一直缺乏可信的对比教学实验的证明（图1）。

美国印第安纳大学和华盛顿大学心理学和脑科学系与地球科学和大气科学系的研究人员合作，于2018年首次针对基于实际标本和基于数码图像两种方法在岩石鉴定教学中的实际效果开展对比实验研究（图1）[10]。

1.实验方法和过程

实验样品涵盖岩浆岩、变质岩和沉积岩三大岩类中常见的12种岩石，即斜长角闪岩、玄武岩、角砾岩、沉积砾岩、闪长岩、辉长岩、片麻岩、泥晶灰岩、黑曜岩、火山浮岩、砂岩和片岩，每种岩石8件样品，共计96件。招募了45名几乎无地质教育背景的学员，根据初始培训类型的差异将他们分为标本组、图像组和控制组3组，每组15人，不管哪组都经历培训和测试两个阶段。各组学员的实验培训和测试全程由电脑协助完成，实验数据通过MATLAB程序进行分析。96件样品平均分为2群，分别用于培训和测试，每群都包括12种类型岩石各4件样品，2群样品的鉴定难度近似相同。标本组直接采用实际岩石样品进行培训，而图像组和控制组采用岩石样品的数码照片（突显每类岩石的表观鉴定特点）。各组的培训阶段均由4个试验模块组成，每个模块都包含培训群48件实际样品或对应图像，不同模块同一样品或图像的试验顺序完全随机，通过4个模块培训相当于单个样品或图像被重复试验培训4次，总共经历192次试验培训。

图1 实际样品和数码图像在岩石鉴定教学中的对比实验研究

标本组学员接收到每件实际岩石样品后，根据自己的感知判断其属于12类岩石中的种属，在电脑上选择答案（显示器上列出12类岩石的名称）并提交，电脑即刻反馈答案正确或者错误。不论答案正确与否，电脑都会显示正确的岩石名称，每个模块结束后学员将获悉本轮正确率，整个过程约40分钟。图像组除培训对象为岩石图像外，培训过程和标本组完全相同。控制组不进行任何与岩石归类相关的培训，仅仅根据个人喜好对岩石图像进行分级，因此也不接收电脑的反馈。培训结束10分钟后进入测试阶段，三个分组的测试形式都是鉴定另外一群的48件实际岩石样品，测试过程采用电脑逐题回答与反馈形式，类似于标本组的培训过程。首轮测试完成后再重复测试一次，旨在检验控制组经过第一轮测试过程的速记后能否快速追上标本组和图像组，从而验证后两组的初始培训是否长程有效。

2.实验结果

标本组和图像组在各自形式的培训过程中成绩都不断提升，培训结束后两组学员的平均鉴定正确率非常接近（约80%），因为两者测试前处于近乎同一起跑线上。两者测试的最终成绩也相似，平均鉴定正确率分别为77.8%和72.5%，标本组略占优势，然而他们的正确率都远高于控制组（37.5%）。标本组和图像组关于12种类型岩石各自的鉴定正确率由于其辨识难度的差异而表现出较大变化，角砾岩和沉积砾岩、斜长角闪岩和辉绿岩等特征相似容易混淆的岩石对的正确率较低，而黑曜岩和火山浮岩的正确率近乎100%。除了砂岩、片麻岩等少数岩石，标本组的正确率高于图像组（亦是造成标本组总成绩略高的原因），对于其余10种岩石两者的平均正确率都很相近。排除砂岩、片麻岩和火山浮岩，标本组和图像组的平均正确率在数理统计学上无明显差异。相同样品或照片重复测试结果显示控制组的正确率大幅提高，但其依然明显低于标本组和图像组的成绩。

对比实验结果表明，无论通过实际岩石样品还是岩石照片的方式，通过初始培训的标本组和图像组的最终平均成绩相近并且其都明显高于未经培训的控制组，即使控制组经由第一轮测试过程的速记而后在重复测试中成绩得以提升但其仍旧显著落后。说明基于数码照片的培训能够有效锻炼学习者的岩石鉴定能力从而成功应用于真实的岩石辨别中，并且其取得了和基于真实岩石样品培训等同的、具长程影响性的成效。由于实验培训过程中学员并未接受专业的岩石学培训，导致各组对于角砾岩和沉积砾岩、斜长角闪岩和辉绿岩等特征相似的岩石对的鉴定结果普遍发生混淆。该现象再次强调了初始培训的重要性，若能改进初始培训条件，如通过声音或文字形式传达给学员沉积砾岩的砾石磨圆度相对角砾岩明显高、斜长角闪岩较之辉长岩具有矿物定向性等关键鉴定信息，在实际授课中对不同岩石进行细致归类和鉴定特征对照[13]，对于加强学员的岩石鉴定能力、提高实际教学质量的意义显而易见。

值得指出的是，基于数码图像进行岩石鉴定教学并不能完全取代传统的基于实际标本教学。根据经验假设，数码图像因难以表达岩石的密度、硬度、触感等视觉以外的鉴定特征而影响教学效果，其也得到了部分实验结果的支持，如图像组不能同标本组一样可以直接通过触觉感知砂岩的砂质构造而未取得同样好的成绩。虽然经验推断标本组较之图像组能够通过直接掂量感知火山浮岩较小的密度而获得更多鉴定信息，但两组都高达100%的测试成绩说明仅依靠视觉所获取的火山浮石标志性的气孔构造就足以对其进行准确鉴定。此外，标本组通过全方位翻转观察加深对片麻岩中细小云母和片麻理的印象，从而能获得了更佳成绩。这一方面突显了实际样品能提供全方位、多角度和任意远近变化的视觉感应，另一方面反映岩石图像的拍摄角度、重点突出程度和画面质量等视觉要素决定了基于图像的岩石鉴定培训效果，因而摄像技术和地质知识的结合是保障图像教学质量的根本。

如前所述，实际岩石样品在教学中的不足已成为制约培养学生的基本岩石鉴定能力的重要瓶颈，而解决问题的关键在于探寻行之有效的辅助教学方式。对于实验随机选择的12件基本岩石样品，图像组和标本组在以表观特征为主要鉴定依据的10件样品（改善图像质量后可达11件）的成绩表现基本一致。在实际地质教学及以后的研究和生产中，多数岩石样品的鉴定也主要以视觉辨识特征为基准[1-3]。此外，随着现代信息化音视频技术的发展及其在教学领域中应用的日臻成熟[14-15]，基于岩石图像的教学不仅局限于静态照片，还可以是融合声音解读和文字解释的动态图像或视频，从而全方面生动的表现岩石鉴定特征。这些图像不但可以在多媒体课堂上进行展示，而且能够灵活的拷贝和存储于学生个人电子设备（如电脑和智能手机），便于课下随时学习。因此，充分开发和应用基于数码图像的岩石鉴定教学模式，可望为缓解实际岩石样品教学资源的不足提供有效途径。

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