水利水电工程专业“工程地质”野外实践教学改革研究

王 涛，李 杨，赵先宇，肖 雄，周炜波

1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；

2.宾夕法尼亚州立大学 地球与矿物科学学院，美国 State Co11ege 16802-2323

实践教学

水利水电工程专业“工程地质”野外实践教学改革研究

王 涛1，2，李 杨1，赵先宇1，肖 雄1，周炜波1

1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；

2.宾夕法尼亚州立大学 地球与矿物科学学院，美国 State Co11ege 16802-2323

“工程地质”是水利水电工程专业一门实践性很强的专业基础课程。对于工程地质野外实践教学，如何在较短的时间内来达到教学目标，是一项亟待深入研究的教学课题。武汉大学（原武汉水利电力大学）从上个世纪50年代开始，为水利水电工程专业的本科生开设了工程地质野外实践教学课程。为了适应新时期对大学生综合能力培养的要求，教学改革也是非常必要和紧迫的。本文分析了2010年实习地点由湖北省赤壁市改为秭归县三峡库区后，对教学理念、教学内容和教学手段等方面进行教学改革的总结与思考。

水利水电工程；工程地质；三峡秭归；野外；实践教学

一、工程地质野外实习的现状

素质教育的实质是创新教育，就是要培养具有创新意识、创新能力和创业精神的大学生。推进这“三创”教育的途径是多种多样的，其中实践教学环节至关重要[1]。工程地质学是工程科学与地质科学相互渗透、交叉而形成的一门基础科学，是研究人类工程活动与地质环境相互关系，也是服务于工程建设的应用科学。因此，工程地质教学具有实践性很强的特点，这就决定了工程地质野外实践教学是工程地质教学过程中不可或缺的重要环节。学生在书本中与课堂上所学的地质专业知识大多是抽象的，对于各种工程地质现象，学生如果只通过书本上的描述去想象，得到的理解往往是片面的、机械的，甚至有可能是错误的。因此，在“工程地质”课程的学习中，必须到野外亲自考察，找到地质概念的原型，才能加深对地质概念和地质作用的理解,使抽象的地质理论更加具体化、形象化。为进一步提高实践教学效果，对工程地质野外实践教学的教学理念与教学方法等进行新的探索具有重要意义。

对于工程地质野外实习教学的探索，目前主要是针对相关地学专业进行的实习教学方法研究。周建伟等在分析环境地质学科发展前景及国家建设对环境地质专业人才需求情况的基础上，提出秭归三峡实习基地环境地质专业教学的主要内容[2]。谭松林等根据工程地质专业实习的情况，分析了工程地质专业教学实习内容的选择问题，包括秭归实习基地的特点、教学内容选择的原则、内容的确定以及内容的合理安排[3]。刘建朝等以长安大学为例，在分析目前地学实践教学现状和存在问题的基础上，提出了对策和建议[1]。张明结合周口店地质实习的教学经验，总结出“学生独立观察—老师讲解—学生素描—学生总结—老师点评”的教学方法[4]。另外，王建秀等对非地质专业工程地质实习教学方法进行了探讨,提出了野外实习教学中启发式、参与式、讨论式、探究式和案例式的教学方法[5]。

对于水利水电工程专业的“工程地质”课程来讲，如何使学生在较短的实习期间（一周）内，理解各种工程地质的概念和现象是非常重要的。目前对此专门的教学理论研究还很少，因此是一项亟待深入研究的教学改革课题。武汉大学水利水电学院水利水电工程专业的工程地质野外实践教学已经开展已经60多年，积累了一些经验，但是目前还是存在很多问题。首先，传统的实践教学方法（即老师带领学生沿着实习路线走，老师在前面讲，学生走马观花式地看），无法培养学生的兴趣，更无法培养他们刨根问底的求知精神。在这个过程中，教师缺乏培养学生主观能动性的意识。如何让学生真正理解各种地质现象，如何培养学生主动探索地学知识的能力等，并没有引起教师足够的重视。其次，早期的实习地点位于湖北省赤壁市（原蒲圻市），由于城市的建设，破坏了很多地质观察点，实习内容已经逐渐变得单一枯燥，无法激起学生学习的热情。另外，教学手段的陈旧也日益突出，简单的课堂介绍很难使同学们理解复杂的地质现象。这样，恶性循环逐渐形成，野外实习流于形式，教学效果不理想。本文以武汉大学水利水电学院水利水电工程专业的工程地质实习为例，结合笔者多年来的实习经历，对工程地质野外实习教学改革进行探索。教改的内容涉及教学理念、实习地点、教学内容等。

二、 教学理念的变革

1.独立观察能力

由于参加地质实习的学生已经学习了相关的基础理论，因此，对于教学中遇到的地质现象，应该充分发挥学生的主观能动性，让他们独立自主地进行观察和思考。在独立观察地质现象的过程中，学生会主动结合课堂上所学的理论知识，判断地质现象的特点和类别。但由于野外实际具体的地质现象与教科书中的描述不完全一致，更为复杂，因此学生在实习的过程中肯定会遇到各种疑惑难以理解。

比如，在省道S334（兰陵溪-屈原镇路线）断裂构造观察点，沿公路过了杉木溪大桥后，在崆岭群片麻岩区域发育有断层带，断层存在牵引现象，但同时断层面上又存在水平方向擦痕的证据。在观察断层时，学生会将观察到的地质现象与教科书中关于断层的描述进行对照，判断所观察地质现象是否是断层，再进一步判断是逆断层、正断层还是平移断层，并给出依据。由于学生刚刚接触断层，难以确认观察到的就是断层，而且对断层角砾岩、牵引现象和擦痕等衍生现象也一知半解。而且，当存在多条断层之间相互切割的现象时，学生识别起来就会更加困难。此时，出于求知的本能，学生就会急于弄清楚心中的疑惑，不断向老师提问寻求解答。此时，老师需要因时制宜，把握教学节奏，针对学生提出的问题进行系统讲解，这样学生吸收理解的效果会更好，有利于提高实习教学的质量。

2.对比分析和综合判断能力

通过野外实习，可以逐渐培养学生对比分析和综合判断的能力。比如，高家溪实习路线上有棺材山危岩体，其三面临空，体积约14万m3，直接威胁坡下居民生命财产安全。危岩体处在陡山沱组与灯影组地层的分界点上，学生在现场可以看到被加固的采空区，可被开采的究竟是什么矿却无法判断。这时是培养学生思维的良好时机，可向学生进行提问，并引导学生进行思考。让学生联想另一条实习路线（兰陵溪-屈原镇路线）中，陡山沱组第四黑为炭质页岩和煤层，而棺材山危岩体正处于陡山沱组和灯影组岩层的分界线上，因此采空区内原来很可能就是煤层。与此同时，可绘制一幅示意地质剖面图来说明危岩体形成的力学机理以及加固工程作用机理，并利用所学过的力学知识对其稳定性进行计算和评价。通过将各个孤立的地质点联系起来并整合在一起，可实现对于实习区域地质条件的整体把握。这样既锻炼了对比分析能力，又学以致用，将课本知识应用到了现场地质问题综合分析中。

3.团队合作能力

于是作为董海川最出名的两大弟子之一的程廷华就让朝廷鹰犬给缠上了，慈禧还让光绪下旨，让宫宝田去请他师叔。程廷华想都不想就拒绝了宫宝田，说人各有志，不愿为官。

现代社会中，团队合作精神越来越深入人心，越来越为人们所重视。在实习过程中，岩层产状的测量、地质构造的识别、GPS定位以及最后的内业整理工作，都需要小组成员分工合作才能顺利完成，这就为提高学生团队合作能力提供了良好契机。如果在实习中小组内部学生们有不同的意见或者观点，就需要互相协商解决。小组之间的数据和资料，也可以进行对比和验证。比如：实习中学生们在秭归港首次定点就遇到了困难，由于过于追求精度导致难以确定位置，后来经过讨论分析，商定在允许一定误差并考虑到定点效率的情况下进行定位。在定位时，为保证准确性，各个小组之间也可以对比数据，并相互检查彼此的定点位置，并根据标志性地点来判断定点的准确性。从一开始，各个小组和小组成员之间就需要建立良好的合作关系，具备良好的互助精神。

三、实习地点与内容的选择

从上个世纪50年代以来，工程地质教研室就承担了我校工程地质的课堂和野外实践教学任务。原来的实习地点位于湖北省赤壁市（原蒲圻市），距武汉150千米，是水电工程—三峡试验大坝（陆水水利枢纽工程）所在地，各种岩性和地质构造现象较丰富，当初是一个比较合适的工程地质实习基地。然而由于城市建设对地质露头的破坏，以及学生学习生活条件不便等原因的限制，2010年起实习地点改为湖北省秭归县，距武汉500km，距三峡大坝1km。

1.三峡秭归地区实习的优缺点分析

秭归实习区位于扬子地台鄂黔台褶带与四川台向斜两个二级构造单元过渡区段的黄陵背斜内。结晶基底及盖层出露广泛，构造比较发育，岩石类型丰富，地质教学内容比较齐全[7]。

秭归实习区内发育有不同时代、不同岩性的岩层及各种构造行迹，这为研究岩石的组分、结构、构造以及岩体的力学性质对于工程稳定性的影响提供了良好的条件。由于深沟大谷的下切作用和人类日益频繁的工程活动，自然环境的平衡逐渐遭到破坏，因而在实习区内各种岩体边坡的稳定性问题十分突出，天然崩塌(或危岩体)、滑坡和泥石流等地质灾害现象很常见。其中典型的危岩体和滑坡现象，如链子崖危岩体和新滩滑坡等，都是进行工程地质教学的典型题材。另外，由于修建公路和其他工程的施工，各种人为高边坡大量出现。受各种结构面的影响，这些人工高边坡也容易产生新的危岩体。在实习路线中边坡支护治理工程到处可见。这些典型的工程地质现象，是工程地质课程中主要讲解的内容，也成为野外实践教学的重要内容。

著名的三峡水利枢纽工程也位于实习区内，实习中可以安排学生实地考察，成为水利水电工程专业的学生参观学习的好地方。然而同时也存在一些缺点，比如三峡水利枢纽虽位于库区内，但已经建设完毕，岩石和构造的露头基本不存在，而且枢纽的安保级别很高，从一定程度上也限制了实习教学的开展。在这一点上，三峡秭归地区的实习效果不如赤壁陆水水库坝区好。

2.实习教学内容

秭归工程地质实习从以下几方面来考虑选择实习教学内容：一是选择秭归县的一些典型工程地质现象作为实习内容，选择地质现象主要要素较明显的点作为教学内容[1]，这样能针对性地加强学生对于工程地质现象的认识与理解，达到好的教学效果。二是将外业与内业有机结合在一起。外业是实习教学的基础和重点，而内业是对外业工作的总结和提高，二者缺一不可。三是在选择教学内容时,要充分考虑到学生的人身安全，尽量选择交通便利的实习路线。基于上述原则,为了达到工程地质专业教学实习的目的,秭归地质教学实习的内容包括如下几方面。

（1）地质基础教学内容。

地层：了解兰陵溪-屈原镇路线(震旦系-志留系)地层成因时代、岩性、接触关系等。这套基岩地层沿公路边的露头较好,地质界线也较明显。第四纪地质地貌主要了解三峡竹海的泗溪河谷地质地貌特点，在三峡竹海中，可以看到采石场、瀑布和悬崖陡壁等。

构造：兰陵溪-屈原镇路线沿途有许多构造形迹,如褶皱、小型断层、节理和劈理等,可以选择具有代表性的构造现象对学生进行讲解。仙女山大断裂是一个规模较大的构造现象,这条断裂目前是活动性断层,可以让学生了解活动性断裂的一些特点,分析活断层研究的工程地质意义；整个实习区又处在黄陵背斜内，了解了实习区的几条路线后，可以总结出野外识别不同规模的褶皱现象的方法。

水文地质：实习区主要有泗溪、迷宫泉和五叠水等水文地质点，高家溪路线的和尚洞则是讲解岩溶现象的地点。通过分析，进一步了解泉水与岩溶的形成，以及岩溶与工程建筑的关系。

（2）工程地质现象与地质灾害治理工程教学。

岩体风化壳特征：观察和认识大沙坝区域花岗岩风化壳、风化壳的分带以及分带的工程地质性质。

边坡危岩体防治工程：了解棺材岩危岩体的岩体结构特点、形成机制、危害以及工程治理措施。沿着兰陵溪-屈原镇路线，特点突出的点有棕岩头危岩体加固、九畹溪桥头危岩体加固和路口子滑坡体等，可介绍库岸地质结构及塌岸的工程地质问题以及防治工程。

新滩-链子崖崩滑地质灾害及其治理：了解滑坡与崩塌变形体的一些外部特征、形成机制、危害、监测手段及防治措施等。

（3）内业工作（地质图件与报告）。

绘制工程地质剖面图是在完成上述各教学任务的基础上，选择合适的区域将地层、岩性和工程地质条件等绘制在剖面图上。绘图是一次综合性的训练，也是对学生掌握专业知识的程度及工作能力的考察。编写实习报告，主要目的在于培养学生野外地质现象的观察能力，深化对工程地质课程理论知识的理解，培养地质思维以及撰写工程地质报告的能力。

四、新的教学手段

随着地学领域的研究方法和手段不断进步，我们能更加清楚地认识和理解各种地质现象，这些成果也可以应用到地质野外实习教学中。

（1）GPS与遥感影像结合的应用。野外实习中，可以通过GPS对实习点进行标注，通过相应的接口将路径和实习点导入实习区的遥感影像中，也可以通过输入相应地点的经纬度创建路径和地标并生成Google Earth的KML文件(KML是Google Earth作为保存地标的文件类型。它是一种XML描述语言，是文本文件格式)。另外，还可以对每个实习点进行详细标注，KML文件拷入电脑以后，用Google Earth打开，可以利用强大的Google Earth功能查看记录的实习路线（图1）。

图1 沿兰陵溪-屈原?镇实习路线及实习点分布

（2）测距仪。野外实习中，实习小组也配备了手持式激光测距仪。激光测距仪是利用激光对目标进行准确测距的仪器。在野外实习中，地质体的高度和范围、各个测点间的距离等都可以通过激光测距仪方便地获取。

（3）三维地质模型。通过三维地质建模技术,将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等结合起来。地质体在空间上是按照三维方向分布的，如果是三维地质模型可以显示岩体在空间里的立体形态、品位分布和断层特征等，就可以让学生直观地了解岩体的空间分布，从而更好地理解实习的内容（图2）。

图2 兰陵溪-屈原镇实习路线某滑坡三维地质模型

五、 教学效果的初步评估

经过连续3年在三峡秭归的野外地质实践教学，取得了一些的教学成果，积累了一定的教改经验。秭归实习区有三峡工程背景，教学中又有了新的教学理念和手段，这样教师与学生的互动在增加，同学们主动学习的意识在增强。同学们在野外实习中，表现出了比较强烈的探索地学知识的兴趣。实习结束后的考核结果也证明了教学效果的提高。在面试环节，通过分析同学的回答，发现同学们从实习中获取的信息量在增大，同学们对一个问题往往从不同的方向、途径来给予解释，出现了发散性思维模式。另外本校的水利水电专业的本科毕业生，在报考工程地质方向的研究生在逐年增多，质量也在逐步提高（图3）。

图3 秭归野外地质实习现场

六、结论

通过短期的实习，在一定程度上培养了学生的野外地质信息采集、处理和综合分析能力。学生掌握了基本的野外工作方法（如罗盘和地质地形图的使用、岩性和构造的识别等），学会了绘制地质剖面图和撰写地质报告等的要领。通过将理论教学与野外实习相结合，巩固了学生在课堂上所学的理论知识，并强化训练了他们的地质思维能力。武汉大学作为国家教育部直属重点综合性大学，基础实习教学的改革更要走在前列，以培养出优秀的当代大学生为社会服务。

[1] 刘建朝，薛春纪.实践教学是保证地学教育质量的关键[J].中国地质教育，2004，(1)： 24-25.

[2] 周建伟，马传明， 孙自永.三峡实习基地环境地质野外教学探索与实践[J].中国地质教育，2008，(2)： 71-75.

[3] 谭松林.工程地质专业教学实习内容选择探讨[J].高等建筑教育，2007，(1)： 115-117.

[4] 张明.如何在地质实习教学中培养学生的地质思维能力[J].科教文汇(下旬刊)，2011，(11)： 45-46.

[5] 王建秀，唐益群，杨坪，等.非地质类专业工程地质实习教学方法探讨[J].教育教学论坛，2012，(31)： 124-125.

[6] 曹文融，高远.美国南加州大学以学生为中心的野外地质实习感受[J].中国地质教育，2008， (1)： 53-56.

[7] 樊光明，张先进，余英，等.秭归实习基地教学资源和教学条件评述[J].中国地质教育，2010 ， (1)： 56-61.

Title: Teaching Reform Research on Engineering Geological Field Practice of Water Resources and Hydropower Specialty

Author(s): WANG Tao, LI Yang, ZHAO Xian-yu, XIAO Xiong, ZHOU Wei-bo

water resources and hydropower; engineering geology; the three Gorges reservoir region of Zigui County; field; practice teaching

G640

A

1006-9372 （2014）02-0107-05

2014-02-08；

2014-03-20。

武汉大学教学改革研究项目(JG2013036)。

王 涛，男，副教授，主要从事工程地质与岩石力学的教学和研究工作。