地質(zhì)教學(xué)實習(xí)中定量思維的初步培養(yǎng)—以北京周口店實習(xí)為例

趙江南

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074

實踐教學(xué)

地質(zhì)教學(xué)實習(xí)中定量思維的初步培養(yǎng)—以北京周口店實習(xí)為例

趙江南

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074

野外地質(zhì)實踐教學(xué)是培養(yǎng)新型地學(xué)人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于提高本科生觀察及分析地質(zhì)現(xiàn)象具有不可替代的作用。在地質(zhì)教學(xué)中初步培養(yǎng)學(xué)生從定量的角度認識地質(zhì)現(xiàn)象，能夠加深對地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)規(guī)律的認識，從而啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。本文以周口店實踐教學(xué)為例，從定量描述地質(zhì)現(xiàn)象、定量刻畫地質(zhì)規(guī)律以及地質(zhì)工作方法的定量化數(shù)字填圖等方面探討了教學(xué)過程中對定量地學(xué)思維的初步培養(yǎng)，以達到提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的目的。

定量思維；地質(zhì)實踐教學(xué)；周口店

野外實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生野外地質(zhì)工作能力非常重要的手段。為培養(yǎng)地質(zhì)類專業(yè)本科生實踐能力，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）前三學(xué)年先后需進行北戴河地質(zhì)認識實習(xí)、周口店地質(zhì)教學(xué)實習(xí)以及結(jié)合畢業(yè)論文的地質(zhì)生產(chǎn)實習(xí)[1]。其中周口店地質(zhì)教學(xué)實習(xí)是大學(xué)本科二年級學(xué)生在完成礦物學(xué)、巖石學(xué)、地層學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)基礎(chǔ)理論課程的基礎(chǔ)上，所進行的一次全面系統(tǒng)的野外基礎(chǔ)地質(zhì)教學(xué)實踐活動[2]。通過多學(xué)科、多方法的綜合運用，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生認識地質(zhì)現(xiàn)象及了解野外工作程序和方法，而且能夠在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的地質(zhì)思維，進而引導(dǎo)和提高學(xué)生認識地質(zhì)問題、分析地質(zhì)問題和解決地質(zhì)問題能力。前人也探討了如何在教學(xué)中培養(yǎng)如“地質(zhì)時空觀”、“現(xiàn)象與本質(zhì)”等地學(xué)思維的實踐教學(xué)經(jīng)驗[2-3]。論文以筆者自身帶班實踐為基礎(chǔ)，結(jié)合本學(xué)科資源勘查工程專業(yè)特點，以周口店地質(zhì)現(xiàn)象分析為例，對實習(xí)中如何初步培養(yǎng)學(xué)生的定量地學(xué)思維進行探討。

一、定量地學(xué)思維

地質(zhì)學(xué)一般認為屬于定性的、推理的、歷史的科學(xué)。比如描述一塊巖石手標(biāo)本，我們主要從巖石的顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、主要礦物組成等方面進行描述，并獲得準(zhǔn)確的巖石定名，這些描述多屬于定性的描述。又比如我們認識一個鞘褶皺構(gòu)造，我們可以通過三維空間不同截面的構(gòu)造特征（XY面為舌狀、YZ面圓形及橢圓形、XZ面不對稱褶皺）來認識，并根據(jù)鞘褶皺以及線理方向?qū)π纬傻捻g性剪切環(huán)境及剪切方向進行推斷，屬于定性與推理的描述。我們現(xiàn)在所觀測的地質(zhì)現(xiàn)象是經(jīng)過漫長地質(zhì)歷史而緩慢進行的地質(zhì)作用的最終產(chǎn)物,正因為這種復(fù)雜性，造成不易于通過簡單的數(shù)字來定量表述。

從宏觀構(gòu)造到微觀礦物都需要直接觀察，首先在腦子里形成的第一印象就是直覺，但是直覺不等于認識，只有通過邏輯思維, 直覺才能夠成為認識。然而邏輯思維加工生產(chǎn)認識產(chǎn)品，地質(zhì)學(xué)家不但要善于獲得原料, 還要精于加工制作，定量思維有助于原材料的精細加工，把直覺搜集來的情報進行仔細加工，判別其主次，提取其內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。因此筆者認為，定量思維實際上是將具體事物轉(zhuǎn)化和提取客觀數(shù)據(jù)，然后篩選并分析數(shù)據(jù)加工轉(zhuǎn)化為有用信息的思維方式，雖然不能用簡單的數(shù)字完整地表達整個地質(zhì)事物及現(xiàn)象，但是我們可以對他們的某些特征進行定量表達，同時地質(zhì)現(xiàn)象的產(chǎn)生也常?？梢酝ㄟ^概率來定量表征。

在定量思維指導(dǎo)下，運用一定的數(shù)學(xué)方法，主要能夠解決地學(xué)以下幾個方面的問題[4]：首先，查明地質(zhì)體數(shù)學(xué)特征，建立地質(zhì)產(chǎn)物的數(shù)學(xué)模型。

例如地質(zhì)體厚度、品位等標(biāo)志變化的數(shù)量規(guī)律性，按其屬性可劃分為幾何特征、空間特征、統(tǒng)計特征和結(jié)構(gòu)特征等4類；其次，研究地質(zhì)作用中的各種因素及其相互關(guān)系，建立地質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型。如地層剖面的計算機模擬等；最后，研究適合地質(zhì)任務(wù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)特點的數(shù)學(xué)分析方法，建立地質(zhì)工作方法的數(shù)學(xué)模型，可根據(jù)定量指標(biāo)，對所研究的地質(zhì)對象進行分類或判別，解決地質(zhì)成因分析和成礦遠景預(yù)測等各類地質(zhì)問題。在野外實踐教學(xué)中，不可能對這些數(shù)學(xué)地質(zhì)理論與方法進行詳細解說，這也不是野外實踐教學(xué)任務(wù)的主要內(nèi)容，而且在大三資源勘查工程專業(yè)將會學(xué)習(xí)礦床統(tǒng)計預(yù)測，會系統(tǒng)學(xué)習(xí)地質(zhì)礦產(chǎn)中的定量分析方法，但是在野外實踐中，可以通過講授，逐步使學(xué)生接觸地學(xué)研究中定性的方法，也能夠運用定量方法來表征并研究地質(zhì)規(guī)律，能夠在地質(zhì)工作中運用定量地學(xué)思維解決地質(zhì)問題。

二、定量描述地質(zhì)現(xiàn)象

在野外地質(zhì)教學(xué)路線中，各類巖石的認識及地質(zhì)現(xiàn)象的觀察貫穿始終。地層觀察描述包括地層中各類單層的顏色、巖石成分、結(jié)構(gòu)（包括顆粒的粒度、分選和磨圓）及單層厚度等，巖漿巖的野外觀察，一般包括如下內(nèi)容：礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、產(chǎn)狀、相、分類命名等。變質(zhì)巖描述一般包括礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、變質(zhì)礦物組合及其含量變化等等。巖石的鑒定方法是從事野外地質(zhì)工作的基礎(chǔ)，巖石的許多特征需在較大范圍露頭上觀察才能得出正確結(jié)論，有些巖石的正確鑒定和命名也必須結(jié)合野外觀察結(jié)果。定性觀察至關(guān)重要，特別是對礦物的認識，沒有扎實的基本功，一般不能準(zhǔn)確定名。在巖石描述與定名中，除了強調(diào)需要從巖石的各個特征進行仔細觀察，也要求學(xué)生對礦物的成分做估算，獲得具體的數(shù)值，并記錄于野薄之中，有助于提高巖石定名的準(zhǔn)確度。除此之外，還告訴學(xué)生，巖石的定名除了野外鑒定之外，還可以在野外觀察基礎(chǔ)上，通過巖石取樣及測試分析，獲得主要造巖元素的定量數(shù)值，通過一定的圖解，如侵入巖的QAPF等圖解、火山巖的TAS分類圖等輔助定名。

構(gòu)造現(xiàn)象的認識也是野外教學(xué)實踐的重要任務(wù)。野外對各類構(gòu)造研究除相關(guān)的專門方法外，地質(zhì)填圖是最基本手段，包括劃分構(gòu)造類型、描述形態(tài)特征、采集各種要素的數(shù)據(jù)和信息；厘定力學(xué)性質(zhì)、分析成因機制；查明空間上的組合關(guān)系和時間上的發(fā)育順序；闡明構(gòu)造變形背景和重塑變形演化史等[5]。典型構(gòu)造現(xiàn)象觀察要求我們善于觀察，推理，要求我們搜集和記錄有關(guān)構(gòu)造的各種數(shù)據(jù)，如各類面理及線理的產(chǎn)狀，反應(yīng)褶皺位態(tài)分類的軸面傾角和樞紐傾伏角數(shù)據(jù)，各種節(jié)理的產(chǎn)狀，構(gòu)造變形區(qū)各類指標(biāo)的數(shù)據(jù)等等，這些定量數(shù)據(jù)是我們分析各類構(gòu)造的基礎(chǔ)，同時，也可以在教學(xué)中穿插講授構(gòu)造研究的定量方法，如在各觀察區(qū)段（點）所獲得的節(jié)理數(shù)據(jù)在室內(nèi)進行整理、統(tǒng)計、存儲和制圖。制作相關(guān)圖件，若了解節(jié)理或與之相關(guān)的脈體發(fā)育情況時常繪編玫瑰花圖、節(jié)理極點圖等；若為分析節(jié)理與構(gòu)造應(yīng)變關(guān)系則可繪制節(jié)理應(yīng)變場狀態(tài)圖等[6]。

三、定量刻畫地質(zhì)規(guī)律

在野外地質(zhì)教學(xué)不僅需要培養(yǎng)學(xué)生認識各類巖石，也需要在教學(xué)推進過程中，認識時空演化地質(zhì)規(guī)律，而定量分析方法也是研究這一規(guī)律的重要手段。以周口店野外地質(zhì)教學(xué)路線重要的巖體認識路線即從西鳳坡-迎風(fēng)坡-磊孤山房山復(fù)式巖體路線為例，說明如何在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生定量刻畫空間分布規(guī)律。

巖體位于房山區(qū)西北，平面上近于圓形，直徑7.5～9km，面積約60km2，為中等規(guī)模巖株。復(fù)式巖體早期侵位的是石英閃長巖體和閃長巖體，后期侵位的是花崗閃長巖體。巖體路線教學(xué)任務(wù)中有兩點：（1）了解觀察并描述復(fù)式巖體相帶或單元劃分標(biāo)志及各自巖石學(xué)特征；（2）觀察描述包體發(fā)育的位置、含量變化、形態(tài)特征，可以運用定量分析方法輔助學(xué)生加深對地質(zhì)空間分布變化規(guī)律的理解與認識，從而更好完成這一教學(xué)任務(wù)。

要了解花崗閃長巖體巖相分帶的依據(jù)，即鉀長石斑晶呈有規(guī)律的變化，據(jù)其大小、含量的差異性，從外向內(nèi)劃分為邊緣相、過渡相和中央相，其間無明顯分界。那么到底粒徑多大屬于哪個相帶，也是學(xué)生可能產(chǎn)生疑惑的地方。為了深入了解斑晶的分布規(guī)律，可以定量地確定相帶界線?？梢砸们叭说难芯砍晒o助說明這個變化規(guī)律[5]。前人對房山巖體系統(tǒng)的進行斑晶測量，共完成測線14條，觀測點236個，對所測得數(shù)據(jù)進行了分布統(tǒng)計、有序樣品最優(yōu)分割和趨勢變化分析等。揭示了長石斑晶的空間分布規(guī)律，中央相，斑晶長軸均值大于11.5mm；過渡相，斑晶長軸均值11.5至8.8mm，邊緣相，斑晶長軸均值小于8.8mm，具體劃分相帶界線時，必須考慮趨勢變化特征，劃

分界線的數(shù)值允許略有變動[1]。通過這個定量分析手段可以更好地刻畫長石斑晶的變化規(guī)律，促進學(xué)生更好的理解從中央相巨斑狀到粗斑中粒直到邊緣相等粒狀花崗巖的變化特征。包體特征的變化也是認識巖體空間變化規(guī)律的重要野外觀測對象，從種類、含量、粒度、形態(tài)等4個方面觀測從中央相到邊緣相的變化規(guī)律，除了要求學(xué)生在路線過程中仔細定性觀測外，還要求測量包體長軸與短軸的長度數(shù)據(jù)，整個路線跑完之后，學(xué)生對自己測得數(shù)據(jù)進行對比，就不僅僅一個直觀的定性概念，還有精確地數(shù)據(jù)作為自己認識的證據(jù)，從而對變化規(guī)律有個更深的了解與認識。

四、數(shù)字填圖—地質(zhì)工作過程的定量化

為了更加適應(yīng)未來工作的需要，周口店實習(xí)基地給資源勘查專業(yè)學(xué)生提出了更高的要求，需要在傳統(tǒng)地質(zhì)填圖基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)數(shù)字填圖的方法，并應(yīng)用到填圖區(qū)的實踐。數(shù)字填圖實際上是把野外地質(zhì)路線與實際材料圖、地質(zhì)圖的人工工作過程，轉(zhuǎn)變?yōu)橐巴猬F(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與填圖信息化的過程。周口店數(shù)字填圖實踐以PRB技術(shù)為核心，將野外數(shù)字地質(zhì)調(diào)查過程分解為地質(zhì)定點（Point）過程，分段路線（Routing）過程以及點和點界線（Boundary）過程三部分，PRB數(shù)字填圖技術(shù)基本理論、技術(shù)方法、PRB過程及相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型的建立，實現(xiàn)了野外路線觀測過程精確地定量化描述。通過數(shù)字填圖，除了促進學(xué)生了解地質(zhì)工作者使用的“老三件”錘子、羅盤、放大鏡以外，也能熟練使用筆記本電腦、全球定位系統(tǒng)、數(shù)碼相機等“新三件”，也使學(xué)生了解從野外定點、地質(zhì)素描到地質(zhì)圖件制作等環(huán)節(jié)直接使用數(shù)字技術(shù)定量化工作的流程。因此要求安排學(xué)生以小組為單位, 提交完成野外地質(zhì)填圖路線設(shè)計、定點、地質(zhì)界線劃分、室內(nèi)整理等工作,使學(xué)生真正得到鍛煉，牢牢掌握數(shù)字填圖的工作原理、方法步驟。

五、結(jié)論

總體說來，以上探討了具體教學(xué)活動如何用數(shù)與量去認識地質(zhì)現(xiàn)象，培育學(xué)生的定量思維，啟發(fā)學(xué)生運用定量方法分析問題，應(yīng)進一步加強對在實習(xí)中培育學(xué)生的定量思維這一教學(xué)活動的教學(xué)規(guī)律的總結(jié)：（1）注重野外地質(zhì)觀察與描述，注重野外基本技能訓(xùn)練，野外是室內(nèi)教學(xué)的實踐，要求學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)和完備的實踐技能；（2）注意定性觀察與定量分析相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生在野外工作中勤于獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)的方法與習(xí)慣；（3）在教學(xué)活動中，認清教與學(xué)的關(guān)系，充分發(fā)揮師生兩個積極性，通過問題教學(xué)、互動教學(xué)、綜合對比等教學(xué)方法，加強趣味性和新舊內(nèi)容的聯(lián)系性，以舊引新、講新復(fù)舊，使學(xué)生在野外實踐中能夠取得對客觀事物的定量認識，揭示地質(zhì)規(guī)律。

[1] 王敏芳，宮勇軍，何謀春，等.周口店野外地質(zhì)教學(xué)實習(xí)中高新技術(shù)的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)教育， 2008，(3)：31-33.

[2] 譚俊.周口店地質(zhì)教學(xué)實習(xí)中學(xué)生地質(zhì)時空演化思維的培養(yǎng)[J].中國地質(zhì)教育， 2012，(1)：155-157.

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Title: Preliminary Training of Quantitative Idea during Geological Practice Teaching in Zhoukoudian Practice Teaching Base

Author(s): Zhao Jiang-nan

quantitative idea; geological practice teaching; Zhoukoudian

G642

A

1006-9372 （2014）01-0065-03

2013-11-10。

本文系中央高校新青年教師科研基金（CUG120841）。

趙江南，男，講師，主要從事數(shù)學(xué)地質(zhì)、礦產(chǎn)普查與勘探的教學(xué)和研究工作。