地質(zhì)工程專業(yè)普通地質(zhì)認(rèn)識實(shí)習(xí)教學(xué)的思考

許寶田，張 勇，王 博，楊愛華，解國愛

南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

普通地質(zhì)學(xué)（以下簡稱“普地”）是地質(zhì)工程專業(yè)本科生的第一門專業(yè)課，也是拓展知識視野、擴(kuò)大知識面和提高知識層次的課程。地質(zhì)工程是一個工科類專業(yè)，本專業(yè)畢業(yè)生去向包括土木工程、交通工程、水利水電工程、礦山工程、園林工程、城市規(guī)劃和國土資源管理等眾多行業(yè)，涉及的專業(yè)除了地質(zhì)學(xué)方面外，還有力學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、測繪、材料和計算機(jī)等。在這眾多的行業(yè)和專業(yè)領(lǐng)域的工作中，基礎(chǔ)地質(zhì)知識和理論的應(yīng)用無不貫穿始終。因此，很多有多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)教師和從事生產(chǎn)實(shí)踐的技術(shù)人員均認(rèn)為，野外普通地質(zhì)認(rèn)識實(shí)習(xí)（以下簡稱“普地實(shí)習(xí)”）是地質(zhì)工程專業(yè)實(shí)踐的首要環(huán)節(jié)，是訓(xùn)練學(xué)生把理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的橋梁（王建秀等，2019）。根據(jù)現(xiàn)有的教學(xué)條件和教學(xué)設(shè)計，普地實(shí)習(xí)中大部分的教學(xué)內(nèi)容主要是認(rèn)識地質(zhì)現(xiàn)象，也就是能夠清楚地識別地質(zhì)現(xiàn)象，描述地質(zhì)現(xiàn)象，解決“看—認(rèn)”問題（張帆和王孔偉，2017；黃河等，2019）。在上述基礎(chǔ)上，初步認(rèn)識其成因，但對地質(zhì)體未來的演化規(guī)律，特別是跟人類活動相關(guān)的發(fā)展規(guī)律上的教學(xué)內(nèi)容明顯偏少，甚至沒有。這就導(dǎo)致了基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)與地質(zhì)工程專業(yè)課程之間的割裂，以至于學(xué)生認(rèn)識不到基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)在本專業(yè)中的重要性，實(shí)習(xí)過程中的積極性和參與程度不足。

地質(zhì)學(xué)研究的內(nèi)容有組成地球的物質(zhì)、組成方式和演化規(guī)律、地質(zhì)歷史及應(yīng)用等問題（舒良樹，2010），研究的方法包括野外調(diào)查、儀器測量和理論分析等。這些內(nèi)容和方法也貫穿于野外實(shí)習(xí)教學(xué)的全過程。其中調(diào)查和測量的教學(xué)內(nèi)容主要涵蓋地層和巖性特征（如年代、物質(zhì)成分、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等）、內(nèi)（外）動力地質(zhì)現(xiàn)象及產(chǎn)狀的測量等。

普地實(shí)習(xí)中觀察到的地質(zhì)體其實(shí)跟地質(zhì)工程專業(yè)課程中很多知識點(diǎn)緊密聯(lián)系，如巖石的物理和力學(xué)性質(zhì)問題、地下水問題，以及地質(zhì)災(zāi)害（特別是滑坡）問題等。實(shí)習(xí)教學(xué)中講解的巖石結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分和巖石風(fēng)化等知識點(diǎn)無不與上述地質(zhì)工程專業(yè)元素息息相關(guān)。因此，在基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)中融入地質(zhì)工程的教學(xué)元素的完全可行性的，也必然能大大提升教學(xué)質(zhì)量。

普地實(shí)習(xí)是地質(zhì)工程專業(yè)本科階段相對其他課程而言投入成本高、時間長和精力多的一門課程，野外實(shí)習(xí)的時間應(yīng)得到充分的利用，并為今后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)（王博等，2013）。本文擬探討在普通地質(zhì)認(rèn)識實(shí)習(xí)中融入地質(zhì)工程專業(yè)知識或基本理論的可行性問題，為相關(guān)實(shí)習(xí)教學(xué)設(shè)計提供參考。

1 地質(zhì)工程專業(yè)普地實(shí)習(xí)的思考

野外實(shí)踐教學(xué)過程中一般以教師講解為主，要求學(xué)生結(jié)合課本知識，在現(xiàn)場認(rèn)識并準(zhǔn)確的描述這些地質(zhì)現(xiàn)象，定性上了解地球內(nèi)（外）動力作用導(dǎo)致的巖石風(fēng)化、河谷演化、邊坡活動，及地質(zhì)構(gòu)造（如層面、褶皺、斷層、節(jié)理、片理、線理等）等的特征。但對于地質(zhì)現(xiàn)象的形成機(jī)制以及未來演變規(guī)律的預(yù)測方面的教學(xué)內(nèi)容略顯偏少，甚至在相關(guān)的教材中也是如此。這樣必然導(dǎo)致普地實(shí)習(xí)與具體專業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的斷層。

普通地質(zhì)學(xué)教材中描述了大量的地質(zhì)現(xiàn)象，野外實(shí)習(xí)往往觀察的是比較典型的現(xiàn)象點(diǎn)，通過現(xiàn)場講解，使學(xué)生認(rèn)識該現(xiàn)象并了解其地質(zhì)意義，但對地質(zhì)現(xiàn)象成因和機(jī)制分析上的教學(xué)內(nèi)容往往不足。如在斜層理的地質(zhì)特征方面，教材上一般僅交代其“頂截底切”的地質(zhì)意義，而關(guān)于斜層理形成的原因和機(jī)制，一般教材中很少提及。根據(jù)作者多年來帶實(shí)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，地質(zhì)現(xiàn)象的成因機(jī)制往往是參與實(shí)習(xí)同學(xué)們的關(guān)注對象，也是激發(fā)興趣的“點(diǎn)”，所以學(xué)生在這方面提出的問題較多。特別是近年來隨著專業(yè)文獻(xiàn)越來越多，加上互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，很多學(xué)生往往在實(shí)習(xí)之前已經(jīng)了解到大量的專業(yè)知識，提問往往超出室內(nèi)教學(xué)的范疇?？偨Y(jié)起來地質(zhì)工程專業(yè)本科生在實(shí)習(xí)中關(guān)心的問題主要包括3個方面：（1）地質(zhì)體的基本特征及其工程意義；（2）巖（土）的基本力學(xué)問題；（3）常見的工程地質(zhì)問題。所以正確、合理的解釋學(xué)生們提出的這些結(jié)合自身專業(yè)的問題是帶隊(duì)教師必須要耐心、細(xì)致完成的教學(xué)工作。同時，通過對這些問題進(jìn)行原理方面的講解，既增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果，也提升了專業(yè)興趣，往往能獲得很好的效果。

此外，工程制圖（剖面圖、平面圖和結(jié)構(gòu)圖等）是地質(zhì)工程專業(yè)的基本功，普地實(shí)習(xí)中也需要繪制剖面圖，但要求稍有差別，地質(zhì)剖面圖的繪制隨著計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的愈發(fā)普遍，一般都要求學(xué)生在坐標(biāo)紙上繪制手圖之后再繪制電子圖。而工程制圖也是地質(zhì)工程學(xué)科的專業(yè)課程，在講解剖面圖的繪制要求時融合工程制圖的標(biāo)準(zhǔn)也是對學(xué)生的一個專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練。如在工程制圖中使用縮小比例尺時一般優(yōu)先考慮1:1×10n、1:2×10n、1:5×10n等，而不允許采用類似1:7×10n、1:9×10n這樣的比例尺，這樣的規(guī)定與普地實(shí)習(xí)中繪圖要求其實(shí)也不矛盾，不至于增加過多的教學(xué)工作量，在繪制剖面圖的教學(xué)設(shè)計中加入這些要求的講解也是非?？尚?、并易被學(xué)生接受的。

2 普地實(shí)習(xí)中的地質(zhì)工程思維

2.1 地質(zhì)體的基本特征及其工程意義

以沉積巖為例，野外調(diào)查其地質(zhì)特征的主要內(nèi)容有沉積物的來源、礦物、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等。野外教學(xué)主要著重于地質(zhì)現(xiàn)象的描述，雖然沉積巖的種類很多，成分復(fù)雜，不同巖石的性質(zhì)千差萬別，但這些巖石成分、結(jié)構(gòu)或構(gòu)造對工程有什么樣的影響，似乎兩者對接不上。因此很多學(xué)生完成野外實(shí)習(xí)的學(xué)習(xí)任務(wù)后不免有些疑惑，認(rèn)為基礎(chǔ)地質(zhì)的學(xué)習(xí)跟專業(yè)之間的聯(lián)系似乎不大，導(dǎo)致學(xué)習(xí)的積極性自然下降。

因此在教學(xué)設(shè)計中，針對所服務(wù)地質(zhì)工程專業(yè)需要，結(jié)合普通地質(zhì)認(rèn)識實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，開展需求分析工作。在課程設(shè)計時，特別突出這些專業(yè)共同性或差異性的需求。比如，從地質(zhì)工程專業(yè)課程（工程地質(zhì)學(xué)或巖石力學(xué)）角度，巖（土）的地質(zhì)條件的分析是研究其力學(xué)性質(zhì)和工程性質(zhì)的前提，也涉及到地質(zhì)特征的描述。如在研究巖體的力學(xué)性質(zhì)時，一般從以下幾個方面：（1）巖塊的地質(zhì)特征，包括巖石的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造和風(fēng)化程度等；（2）結(jié)構(gòu)面（斷層、節(jié)理、層面等）的地質(zhì)特征，包括結(jié)構(gòu)面的成因、規(guī)模以及結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、密度、張開度、形態(tài)等；（3）巖體的地質(zhì)特征，包括巖體的成因、結(jié)構(gòu)類型和巖體分類等（劉佑榮等，2008），這些內(nèi)容與普通地質(zhì)學(xué)密切聯(lián)系。因此，在實(shí)習(xí)教學(xué)中，當(dāng)在講解巖石礦物成分、碎屑成分時可融入不同成分的巖石力學(xué)性質(zhì)、風(fēng)化特征和水軟化性的差異等內(nèi)容。在講解節(jié)理的特征時可適當(dāng)分析節(jié)理面的粗糙、起伏和充填物成分對節(jié)理面抗剪、透水等特性的影響。

上述幾門課程側(cè)重點(diǎn)不同，在分析巖石的基本地質(zhì)特征時，專業(yè)術(shù)語和分析角度從字面上看似乎有較大的差別，但其實(shí)針對的對象和內(nèi)容是一致的，現(xiàn)場講課過程中，結(jié)合具體專業(yè)名詞術(shù)語講解，便能引導(dǎo)學(xué)生積極思考專業(yè)問題。比如在認(rèn)識巖石不同物質(zhì)成分時，可分析其成分對巖塊密度、抗風(fēng)化能力、水反應(yīng)等的影響；分析巖石膠結(jié)物特征時，可結(jié)合講解膠結(jié)物對巖石強(qiáng)度以及水理性質(zhì)的影響；認(rèn)識巖體中斷層、節(jié)理等裂隙對巖體滲透性、完整性和巖體結(jié)構(gòu)影響及其工程意義。這些專業(yè)問題的初步認(rèn)識可促進(jìn)學(xué)生在在興趣的驅(qū)使下主動探索新知識，創(chuàng)造新知識，也擴(kuò)展和豐富了普通地質(zhì)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。

2.2 基本力學(xué)問題

在基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)課程中其實(shí)涉及到很多巖土力學(xué)問題，如斷裂（正、逆、平移斷層和節(jié)理）、褶皺、地層傾斜等的形成機(jī)制，在普通地質(zhì)學(xué)課程上，往往是只描述相關(guān)的現(xiàn)象，而很多同學(xué)卻非常關(guān)心這些地質(zhì)現(xiàn)象的成因機(jī)制?，F(xiàn)今大多地質(zhì)現(xiàn)象已經(jīng)完全能從實(shí)驗(yàn)?zāi)M和理論推導(dǎo)角度得到解釋，所以典型地質(zhì)現(xiàn)象的力學(xué)解釋其實(shí)也并不復(fù)雜，結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以在現(xiàn)場教學(xué)時對地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行圖解說明。

以巖石的剪切破壞為例，野外可看到大量的剪性節(jié)理（圖1），教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，很多野外只描述現(xiàn)象，學(xué)生們大多不太能完全理解的成因，其實(shí)在力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，有很多這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了看到的地質(zhì)現(xiàn)象。所以根據(jù)“現(xiàn)場現(xiàn)象觀察→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→理論解釋”的思路講解后，普遍能被學(xué)生接受和理解。

圖1 剪節(jié)理現(xiàn)場照片與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.1 Comparison of field photos and experimental results of shear joints

巖土的力學(xué)性質(zhì)不外乎變形和破壞兩大類，具體涉及到巖土材料的基本變形屬性和破壞特征的種類，有的可以在力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程上通過試驗(yàn)得到驗(yàn)證，有的力學(xué)特征受試驗(yàn)條件限制，在室內(nèi)試驗(yàn)課程中并不一定能簡單模擬出來，而在普地實(shí)習(xí)教學(xué)中，往往能夠遇到這些室內(nèi)不能模擬出來的現(xiàn)象。比如像巖石脆性和塑性變形屬性問題，巖石力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般只能做出脆性特征，而野外實(shí)習(xí)時看到的糜棱巖構(gòu)成的韌性剪切帶則很好的反映了巖石從常溫、常壓下的脆性特性轉(zhuǎn)變?yōu)樵诟邷?、高壓下的塑性特性。地質(zhì)工程專業(yè)中的“滑坡”問題是典型的巖體剪切破壞問題，其形成的力學(xué)機(jī)制與剪節(jié)理的力學(xué)成因相同，將兩者聯(lián)系起來講解豐富了普地實(shí)習(xí)的內(nèi)容。

雖然說本科階段專業(yè)性的力學(xué)課程設(shè)置時間上靠后，但在后期力學(xué)課程中卻不可能再返回來進(jìn)行野外觀察，很難做到理論聯(lián)系實(shí)際，所以這些力學(xué)元素的加入，也可對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)帶來啟發(fā)性，起到互補(bǔ)性的作用。實(shí)踐證明， “現(xiàn)場觀察+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證+理論講解”的教學(xué)方法普遍收到學(xué)生的歡迎，能使大家記憶深刻。通過手機(jī)上的QQ群和微信群等通信工具，可以快速傳送實(shí)驗(yàn)照片，現(xiàn)場也可以隨時隨地畫出理論分析的示意圖。這樣的實(shí)踐教學(xué)同樣也使得學(xué)習(xí)環(huán)境輕松自由，地質(zhì)現(xiàn)象具體鮮明，成因機(jī)制清晰，師生之間交流互動頻繁，便更容易激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和學(xué)習(xí)積極性。同時把教學(xué)方式由“灌輸式”向“啟發(fā)式”轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，也能提高學(xué)生的參與程度。

2.3 常見工程地質(zhì)問題

在地質(zhì)工程設(shè)置的專業(yè)課程中，分析的工程地質(zhì)問題主要有邊坡工程地質(zhì)、地基承載力和地下洞室圍巖穩(wěn)定性3類。但在工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)和巖石力學(xué)這些課程中講到這些具體工程地質(zhì)問題時，一般沒有野外實(shí)習(xí)課程配套，直到臨畢業(yè)前的生產(chǎn)實(shí)習(xí)中才有可能遇到，但即使生產(chǎn)實(shí)踐中也不一定能遇到上述3類問題的全部。其實(shí)在普地實(shí)習(xí)中幾乎在野外處處都能遇到上述問題中至少一種或多種類型，其中最常見的就是邊坡問題。比如在工程地質(zhì)學(xué)中分析滑坡地貌時，關(guān)于滑坡后的“圈椅狀”地形、馬刀樹、醉漢林等等現(xiàn)象，普地實(shí)習(xí)中在野外見到的非常多。還有在巖體力學(xué)中，分析巖體結(jié)構(gòu)對巖體穩(wěn)定性的控制作用問題，在野外也很容易能找到對應(yīng)的現(xiàn)象（圖2）。根據(jù)這些現(xiàn)象，分析其成因機(jī)制，往往是學(xué)生們非常感興趣的。

所以，結(jié)合現(xiàn)場所見具體工程地質(zhì)問題，分析成因機(jī)制、演化規(guī)律和具體工程問題，將能夠使學(xué)生基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)的思維得到提升。利用基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)研究中固有的“將今論古”、“以古論今，論未來”和“活動論”的思維分析諸如滑坡之類的工程地質(zhì)現(xiàn)象和作用結(jié)果，總結(jié)其發(fā)生規(guī)律，預(yù)測未來，從而形成一整套的專業(yè)思維。

3 普地實(shí)習(xí)中滲透地質(zhì)工程思維的實(shí)踐路徑

普地實(shí)習(xí)的帶隊(duì)教師一般以基礎(chǔ)地質(zhì)專業(yè)出身的為主，工科專業(yè)的教師較少，某種程度上影響到工科專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的加入。此外，大多數(shù)指導(dǎo)教師都沒有實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，年輕教師通常都是從學(xué)校畢業(yè)走向?qū)W校，注重理論教學(xué)，自身實(shí)踐能力不高，往往在指導(dǎo)實(shí)習(xí)的過程中也是力不從心。指導(dǎo)教師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)直接影響學(xué)生對生產(chǎn)實(shí)踐的信心和生產(chǎn)實(shí)習(xí)的質(zhì)量。這些實(shí)際問題某種程度上對實(shí)習(xí)中融入專業(yè)思維的教學(xué)有一定的阻礙作用，對教師的再教育和培訓(xùn)十分重要（鄭有偉等，2020）。

另外，普地實(shí)習(xí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)中人員配置是一個需要認(rèn)真考慮的因素。可以采用變換的教學(xué)方法，如“分散—集中型”，每個教師帶隊(duì)的學(xué)生人數(shù)有限，所以每個實(shí)習(xí)隊(duì)一般都分為幾個小組，現(xiàn)場教學(xué)時采用分組教學(xué)的方法，遇到特殊的現(xiàn)象或?qū)I(yè)問題（如滑坡）可以由相關(guān)專業(yè)教師集中講解。但無論哪種方式，都必須建立長期穩(wěn)定的教師團(tuán)隊(duì)，對教學(xué)進(jìn)行研討，采用交叉教學(xué)法，且必須配置專業(yè)教師。在普地實(shí)習(xí)中，采取增加與地質(zhì)工程專業(yè)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)辦法，既擴(kuò)大了學(xué)生知識面，初步提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)，也為實(shí)現(xiàn)畢業(yè)后成為專業(yè)領(lǐng)域合格工程師和科研人員的培養(yǎng)目標(biāo)邁出重要的第一步。

4 結(jié)論

本文從普地實(shí)習(xí)中融入地質(zhì)工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的可行性方面進(jìn)行了探討。結(jié)合作者幾年來的實(shí)習(xí)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過這一方法可以初步幫助學(xué)生建立專業(yè)思維，也可以為未來的學(xué)習(xí)和工作中更好的融入地質(zhì)工程思維建立基礎(chǔ)，激發(fā)專業(yè)興趣和創(chuàng)造性，不失為一種值得借鑒的教學(xué)方法。

通過地質(zhì)工程內(nèi)容的加入，可以使學(xué)生直觀地了解常見工程地質(zhì)問題，使實(shí)習(xí)時間、機(jī)會得到充分利用。豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。通過專業(yè)性教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，增強(qiáng)了教學(xué)方式的靈活性，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。