物理沉積模擬在“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)改革中的探索

鄢繼華，陳世悅，袁 靜

中國(guó)石油大學(xué)（華東） 地球資源與信息學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061

物理沉積模擬在“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)改革中的探索

鄢繼華，陳世悅，袁 靜

中國(guó)石油大學(xué)（華東） 地球資源與信息學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061

實(shí)踐教學(xué)是“沉積學(xué)”課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)包括以巖類(lèi)鑒定為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和以現(xiàn)象觀察為主的野外沉積考察。本文通過(guò)分析“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，提出將物理沉積模擬作為“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容之一，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，完善“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)改革。同時(shí)結(jié)合本院實(shí)驗(yàn)室條件，就如何加強(qiáng)水槽實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和建立完善的物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了探討。

沉積學(xué)；物理沉積模擬；實(shí)踐教學(xué)；水槽實(shí)驗(yàn)

沉積學(xué)是從沉積巖石學(xué)發(fā)展而來(lái)的，是研究沉積巖（物）的形成、沉積特征、沉積相類(lèi)型和沉積巖時(shí)空分布規(guī)律的一門(mén)地質(zhì)科學(xué)。沉積巖和油氣關(guān)系密切，油氣不僅生成于沉積巖中，而且絕大部分也儲(chǔ)集于沉積巖中。從油氣勘探的角度來(lái)講，沉積學(xué)又是分析生、儲(chǔ)、蓋分布，尋找和預(yù)測(cè)地層圈閉、巖性圈閉和成巖圈閉的理論基礎(chǔ)。因此，“沉積學(xué)”已經(jīng)成為石油類(lèi)高等院校礦產(chǎn)普查與勘探等相關(guān)專(zhuān)業(yè)非常重要的一門(mén)基礎(chǔ)地質(zhì)課程。

一、實(shí)踐教學(xué)是“沉積學(xué)”課程的重要環(huán)節(jié)

“沉積學(xué)”課程的研究?jī)?nèi)容可分為巖類(lèi)學(xué)和巖理學(xué)兩大部分。巖類(lèi)學(xué)研究的是沉積物（巖）的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、分類(lèi)命名、產(chǎn)狀和巖層之間的接觸關(guān)系等。巖理學(xué)則主要是針對(duì)沉積巖的形成機(jī)理和古沉積環(huán)境的恢復(fù)。該課程的難點(diǎn)主要有兩方面，一是如何利用已學(xué)過(guò)的礦物學(xué)等知識(shí)，深刻理解沉積巖的組成特征、鑒別特征、形成過(guò)程與分布規(guī)律；二是如何利用各類(lèi)沉積相標(biāo)志恢復(fù)沉積環(huán)境，掌握主要沉積相特征。其中的許多概念、原理比較抽象，難于理解，實(shí)踐性很強(qiáng)。因此，實(shí)踐教學(xué)是解決教學(xué)中難點(diǎn)問(wèn)題的重要手段和途徑[1]。

目前，“沉積學(xué)”的實(shí)踐教學(xué)主要有兩種方式，一種是與理論教學(xué)同時(shí)開(kāi)設(shè)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，另一種是暑期安排的野外現(xiàn)代沉積考察。其中室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)過(guò)程中理論聯(lián)系實(shí)際的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)，深化理論教學(xué)，提高動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的開(kāi)發(fā)性、創(chuàng)造性思維的重要途徑，也是全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)的重要階段[2-3]。目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以巖類(lèi)學(xué)的內(nèi)容為主，通過(guò)肉眼和偏光顯微鏡來(lái)鑒定巖石的沉積構(gòu)造、巖石特征、成巖作用等。從教學(xué)效果看，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生更好的掌握本門(mén)課程的基本知識(shí)，鍛煉學(xué)生“認(rèn)”、“描”、“量”、“畫(huà)”、“析”等基本技能。但是，沉積物的形成是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，學(xué)生雖然能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)掌握巖石基本特征的描述方法和判斷巖石的基本類(lèi)型，但對(duì)于沉積物搬運(yùn)和沉積的動(dòng)態(tài)過(guò)程、沉積巖的形成機(jī)理以及古沉積環(huán)境等巖理學(xué)內(nèi)容的分析仍無(wú)從下手。究其原因，主要在于學(xué)生對(duì)沉積物的形成過(guò)程和沉積環(huán)境的演化過(guò)程沒(méi)有直觀的認(rèn)識(shí)，很難將所學(xué)知識(shí)結(jié)合起來(lái)綜合分析。

野外現(xiàn)代沉積考察是最有特色的輔助教學(xué)方式?！俺练e學(xué)”的野外實(shí)習(xí)教學(xué)主要側(cè)重于沉積環(huán)境的分析，通過(guò)對(duì)野外沉積現(xiàn)象的宏觀識(shí)別和鑒定，判斷沉積相類(lèi)型、總結(jié)沉積相標(biāo)志，幫助學(xué)生建立三維沉積空間模型。野外實(shí)習(xí)教學(xué)可以讓學(xué)生把抽象的理論知識(shí)與生動(dòng)的沉積現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，使得原來(lái)模糊的、難以理解的概念具體化、形象化，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)能激發(fā)學(xué)生探求知識(shí)的興趣，在潛移默化中提高學(xué)生觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[4]。但是，野外現(xiàn)代沉積考察一般都安排在大學(xué)二年級(jí)的暑假期間，與課堂教學(xué)相隔時(shí)間較長(zhǎng)，不利于知識(shí)的鞏固和加深。

二、物理沉積模擬是“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)改革的必然趨勢(shì)

物理沉積模擬實(shí)驗(yàn)在沉積學(xué)研究中占有十分重要的地位。從19世紀(jì)末笛康（Deacon，1894）首次在一條玻璃水槽中觀察到泥沙運(yùn)動(dòng)形成的波痕開(kāi)始，沉積模擬研究就始終貫穿在沉積學(xué)研究領(lǐng)域。沉積模擬研究的每個(gè)階段都有其研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，并帶動(dòng)了當(dāng)時(shí)沉積學(xué)發(fā)展的總體趨勢(shì)[5]。從沉積學(xué)的發(fā)展歷史來(lái)看，沉積模擬實(shí)驗(yàn)在沉積巖形成作用的研究中具有十分重要的地位。在水槽模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合各類(lèi)沉積環(huán)境和沉積體系實(shí)際，可促進(jìn)沉積學(xué)由定性向定量化發(fā)展，同時(shí)也為沉積地質(zhì)建模提供了更多的可比依據(jù)。

沉積學(xué)的研究和發(fā)展與沉積模擬研究息息相關(guān)，那么，將物理沉積模擬融入“沉積學(xué)”的實(shí)踐教學(xué)之中，也必然會(huì)帶來(lái)更好的教學(xué)效果。通過(guò)沉積學(xué)水槽實(shí)驗(yàn)，可以直接觀察沉積物的搬運(yùn)過(guò)程和搬運(yùn)方式、沉積構(gòu)造的形成過(guò)程、典型沉積相類(lèi)型的形成過(guò)程和演變歷史等。通過(guò)合理、完善的方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，完全可以將部分成熟的水槽模擬實(shí)驗(yàn)作為“沉積學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，這樣既可以緩解野外沉積考察與理論教學(xué)脫鉤的問(wèn)題，將野外教學(xué)搬進(jìn)室內(nèi)，又可以進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的主觀認(rèn)識(shí)，促進(jìn)巖理學(xué)內(nèi)容的掌握，提高學(xué)生分析和判斷沉積現(xiàn)象的能力。

我國(guó)的水槽實(shí)驗(yàn)室主要集中于水利、水電和地理部門(mén)的有關(guān)院校和研究單位，主要從事泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、河床演變及大型水利水電樞紐等方面的實(shí)驗(yàn)研究工作。20世紀(jì)70年代末，長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院建立了我國(guó)第一個(gè)用于沉積學(xué)研究的小型玻璃水槽，主要用于沉積底形的形成與發(fā)展的教學(xué)和研究工作。80年代，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所也用自己的小型水槽做了一部分研究工作。1998年湖盆沉積模擬實(shí)驗(yàn)室在江漢石油學(xué)院成立，是中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司四個(gè)重點(diǎn)基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室之一。該實(shí)驗(yàn)室是集科研與教學(xué)為一體的綜合實(shí)驗(yàn)室?？傮w來(lái)說(shuō)，物理沉積模擬是沉積學(xué)研究與發(fā)展的重要途徑之一，也是其實(shí)踐教學(xué)改革的必然趨勢(shì)。

三、加強(qiáng)物理沉積模擬，完善“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)體系

從我國(guó)目前的教學(xué)情況來(lái)看，物理沉積模擬并沒(méi)有被系統(tǒng)作為“沉積學(xué)”的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容之一。其根本原因有兩點(diǎn)，一是大部分高校不具備可用于教學(xué)的水槽實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)?zāi)M條件；二是缺少與之配套的參考材料和輔助教材。如果能解決這兩個(gè)問(wèn)題，將物理沉積模擬真正的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，必將會(huì)進(jìn)一步完善“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)體系。

1.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，保障物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件

我國(guó)目前的水槽實(shí)驗(yàn)室主要用于科學(xué)研究，專(zhuān)門(mén)用于教學(xué)的水槽實(shí)驗(yàn)室很少。江漢石油學(xué)院的湖盆沉積模擬實(shí)驗(yàn)室雖然能夠集科研與教學(xué)為一體，但是由于該實(shí)驗(yàn)室規(guī)模較大，操作流程長(zhǎng)，更適用于科研和教學(xué)參觀。中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球資源與信息學(xué)院的沉積學(xué)水槽實(shí)驗(yàn)室建立于2003年，水槽內(nèi)壁長(zhǎng)5m、寬2m、高1m，屬中等規(guī)模。該實(shí)驗(yàn)室在湖相盆地有利砂體的形成過(guò)程與分布預(yù)測(cè)等方面取得了大量科研成果。由于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初衷也是主要服務(wù)于科研，后期才逐漸擴(kuò)展到本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)和研究生培養(yǎng)之中，因此并不能直接應(yīng)用于“沉積學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為保障物理沉積模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，仍需要做一定的改建。一個(gè)完善的沉積水槽教學(xué)實(shí)驗(yàn)室需具備以下幾方面條件。

(1)水槽設(shè)計(jì)合理，實(shí)驗(yàn)設(shè)施齊全?；镜乃蹖?shí)驗(yàn)室應(yīng)包括主槽體、加砂槽和觀察臺(tái)三大組成部分。主槽體是實(shí)驗(yàn)室的主體部分，也是沉積物搬運(yùn)和沉積的基本空間。主槽體的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能多地考慮沉積條件的可變性，例如可以通過(guò)進(jìn)水口和排水口的合理應(yīng)用調(diào)節(jié)水槽內(nèi)水體的深淺和可容空間的變化，可以在水槽內(nèi)放置活動(dòng)支架模擬不同的沉積地形等。加砂槽屬于主槽體的外接部分，原始沉積物在加砂槽內(nèi)充分混合后，再由加砂通道和主槽體的進(jìn)水口相連。加砂槽的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于自動(dòng)化操作的實(shí)施。觀察臺(tái)是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和信息采集的場(chǎng)所。對(duì)一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室而言，觀察臺(tái)空間應(yīng)足夠大，最好能保證0.5～1個(gè)行政班級(jí)的學(xué)生同時(shí)進(jìn)行觀察。除此以外，水槽實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)配備圖像采集器、粒度分析儀以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)的相關(guān)測(cè)量設(shè)備，從而保障實(shí)驗(yàn)參數(shù)的定量化、實(shí)驗(yàn)流程的數(shù)據(jù)化和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信息化。

(2)操作流程簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方便。水槽實(shí)驗(yàn)因?yàn)樾枰么罅康哪唷⑸?、水等?shí)驗(yàn)原材料，因此實(shí)驗(yàn)室最好處于一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的場(chǎng)所。在室內(nèi)建水槽教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，水槽規(guī)模也不宜過(guò)大，以中小型為最好。水槽規(guī)模大則存在安全隱患多，而且單組實(shí)驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)員前期準(zhǔn)備工作繁重，也不利于重點(diǎn)現(xiàn)象的觀察。因此，應(yīng)該有針對(duì)性的設(shè)計(jì)水槽尺度，簡(jiǎn)化操作流程。以層理的形成過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)為例，層理特征的觀察主要通過(guò)剖面表征，因此可采用長(zhǎng)度較大、寬度窄的小型玻璃水槽，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅通過(guò)調(diào)整水動(dòng)力強(qiáng)度，就能觀察層理的形成過(guò)程和變化特征。這組實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)材料少、實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作量小，實(shí)驗(yàn)有針對(duì)性且操作方便。而且層理形成過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)在單組實(shí)驗(yàn)中具有可重復(fù)性，可以將學(xué)生分成多個(gè)小組分期觀察，解決實(shí)驗(yàn)水槽規(guī)模小而導(dǎo)致觀察點(diǎn)有限的問(wèn)題。此外，簡(jiǎn)化操作流程還可以節(jié)省出多余的時(shí)間進(jìn)行小組討論和現(xiàn)象分析。

2.自編實(shí)驗(yàn)教材，完善“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)體系

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材不但是師生上實(shí)驗(yàn)課程時(shí)的藍(lán)本，也是學(xué)生預(yù)習(xí)自學(xué)和課后消化復(fù)習(xí)的重要依據(jù)[6]。我院“沉積學(xué)”課程有配套的實(shí)驗(yàn)輔助教材，其內(nèi)容以沉積巖肉眼觀察和鏡下鑒定為主，其次為鉆井巖心的觀察描述、沉積巖分析技術(shù)和方法以及巖相古地理研究實(shí)踐，其中并不包括物理沉積模擬的內(nèi)容。從目前各高校沉積學(xué)教學(xué)情況看，還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)或包含物理沉積模擬的正式實(shí)驗(yàn)教材。長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院的《沉積巖石學(xué)實(shí)習(xí)教材》中，涉及了部分與底形相關(guān)的水槽實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但并不適用于我院水槽實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此必須根據(jù)我院沉積水槽實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀，認(rèn)真編寫(xiě)與之配套的實(shí)驗(yàn)教材，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容，分析實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)難點(diǎn)，建立物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，補(bǔ)充和完善沉積學(xué)輔助實(shí)驗(yàn)教材。

物理沉積模擬本身的操作過(guò)程繁瑣，涉及原型分析、參數(shù)選擇、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、結(jié)果分析等多個(gè)環(huán)節(jié)，而真正用于教學(xué)的主要是實(shí)驗(yàn)?zāi)M和結(jié)果分析這兩個(gè)環(huán)節(jié)。因此，編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)教材首先應(yīng)系統(tǒng)介紹物理沉積模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理、實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇的主要依據(jù)以及模擬實(shí)驗(yàn)的基本流程，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)和難點(diǎn)，并對(duì)可能出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并要求以實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告的形式提交課堂作業(yè)。同時(shí)，可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果多樣化的特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)腦設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維。

物理沉積模擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的觀察。對(duì)于一些典型的沉積現(xiàn)象，如碎屑物在流體中的搬運(yùn)、濁流的形成過(guò)程、層理類(lèi)型與水動(dòng)力條件的關(guān)系、典型沉積砂體的展布等等，只要前期工作準(zhǔn)備充分，完全可以讓學(xué)生在一個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)單元內(nèi)觀察到。而對(duì)于沉積模擬周期較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，如典型沉積相類(lèi)型的形成過(guò)程、不同環(huán)境條件下的沉積相變規(guī)律等，可通過(guò)錄像、照相等電子設(shè)備記錄下來(lái)，經(jīng)過(guò)剪切和編輯，選取關(guān)鍵沉積步驟和沉積變化過(guò)程在多媒體教室或?qū)嶒?yàn)室給學(xué)生進(jìn)行分析講解，將物理模擬實(shí)驗(yàn)融入理論教學(xué)之中，建立物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)之間相對(duì)獨(dú)立、相互依存、相互促進(jìn)辯證統(tǒng)一的教學(xué)關(guān)系。

四、結(jié)束語(yǔ)

將物理沉積模擬作為“沉積學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之一，是“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)改革的必然趨勢(shì)。但是，物理沉積模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐教學(xué)體系中的全面推廣仍面臨很多問(wèn)題，例如實(shí)驗(yàn)條件的限制、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與野外沉積現(xiàn)象存在一定差別、實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有多變性等等。應(yīng)當(dāng)指出，物理沉積模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完善是一個(gè)長(zhǎng)期的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐中不斷摸索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能將“沉積學(xué)”實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)行到底。

[1]楊吉.對(duì)地質(zhì)學(xué)（理科）專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考[J].中國(guó)地質(zhì)教育，2003，(1)：28-31.

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Physical Sedimentary Simulation in the Reform of Sedimentology Practical Teaching

YAN Ji-hua, CHEN Shi-yue, YUAN Jing
China University of Petroleum, Dongying 257061, China

Practical teaching is an important teaching program of sedimentology course. Traditional practical teaching of sedimentology includes experiment teaching giving priority to petrographic category identification and field depositional investigation giving priority to phenomenon observation. In this article, the present situation of sedimentology practical teaching is analyzed. It is proposed that physical sedimentary simulation should be regarded as one part of sedimentology practical education, which can cultivate the creative consciousness of students and perfect the reform of sedimentology practical teaching. Also, according to the laboratory condition of the academy, it is discussed on how to strengthen the construction of flume laboratory and establish perfect teaching system of physical simulation experiment

sedimentology; physical sedimentary simulation; practical teaching; fl ume experiment

G642

A

1006-9372 （2010）02-0036-04

2010-03-25。

山東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（SDYY0901）。

鄢繼華，男，講師，主要從事地質(zhì)學(xué)的教學(xué)和研究工作。