面向卓越工程师的“沉积岩石学”实验教学方法研究

2018-01-03金振奎

中国地质教育 2017年4期

关键词：卓越研究性沉积

梁婷，金振奎

中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249

面向卓越工程师的“沉积岩石学”实验教学方法研究

梁婷，金振奎

中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249

“卓越工程师教育培养计划”是教育部为高校培养创新人才实施的教育计划。在该计划的引导下，如何突破传统单一教学模式，对“沉积岩石学”实验教学方法进行改革，激发学生兴趣，是一个亟待解决的问题。本文基于“沉积岩石学”实验教学的特点，提出了验证性实验与设计性和研究性实验相结合的教学方法，并强调创新能力、操作能力和科研能力的培养。

沉积岩石学；实验教学；卓越工程师

国土资源领域“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是贯彻落实《国家中长期教育改革与发展规划纲要（2010—2020年）》和《国土资源中长期人才发展规划（2101—2020年）》实施的国土资源领域高等教育重大计划，旨在建设创新高校人才培养机制，提高国土资源领域人才培养质量，培养造就一大批创新能力强、适应国土资源系统和地质勘查行业发展的高素质工程技术人才。为了推进“卓越计划”，教育部联合国土资源部颁布了《国土资源部关于实施国土资源领域卓越工程师教育培养计划的意见》（教高[2014]6号）。意见强调了实验教学环节的重要性，指出“加强实验和实践环节建设，突出野外观察能力和室内分析能力的培养”是“卓越计划”中的重要工作内容。

“沉积岩石学”是我国国土资源领域专业的核心基础课程，其重要性不言而喻。做为一门地矿、石油类院校的老牌课程，“沉积岩石学”在理论教学和野外实习建设等方面取得了众多突破[1-4]。然而在实验教学方面，教学改革的步伐却稍显滞后。目前，“沉积岩石学”的实验教学多以薄片鉴定为主要内容[4]。虽然这种验证性实验可以加深学生对理论知识的理解，但实验结果雷同，留给学生发挥的空间不足。显然，这样的实验教学方法与“卓越计划”是不匹配的。因此，“沉积岩石学”如何以“卓越计划”为引导，利用科研资源，在实验教学上进行合理的教学内容和教学方法改革以促进学生应用能力、创新能力和综合素质的培养，就成为当务之急。

一、“沉积岩石学”实验教学现状和存在的问题

“沉积岩石学”课程主要介绍沉积岩的形成过程、成分、结构、构造、分类、成岩变化和成因分析等方面内容。目前，大部分的地矿、石油类高校中“沉积岩石学”的实验教学主要为沉积岩的镜下鉴定、描述和成因分析（表1）。这些实验需要学生通过显微镜来验证性质、现象和特征，均属于验证性实验。这种类型实验的优点是将抽象的陈述具体化，深化对理论知识的理解。然而，单一的实验类型令实验教学内容枯燥，而且无法对培养学生理论联系实际能力、动手能力、工程应用和创新能力发挥促进作用和效果。经过20个学时的实验课程的学习之后，学生的反应往往是“不知道学了有什么用处”，甚至认为“沉积岩石学”就是一门死记硬背的学科，失去了学习兴趣。

表1 “沉积岩石学”传统实验内容和教学手段

相较其他理工科类专业的核心课程的实验教学，“沉积岩石学”的实验教学显然过分依赖于验证性实验，而忽视了对设计性实验和研究性实验的开发。不同于验证性实验，设计性实验更强调学生自己的设计和实验操作得到实验结果，而研究性实验则是为解决某一未知问题而进行的探索。因此，相较于验证性实验，后两者对于学生创新能力的培养更为显著。

二、“沉积岩石学”实验教学框架设计

针对目前“沉积岩石学”实验教学中存在的问题，笔者认为应该从以下几个方面入手，开展实验教学改革，提高实验教学效率，满足“卓越计划”对地学人才的要求。

1.精简验证性实验

“沉积岩石学”的基础验证性实验比较多，而且实验课的课时有限。为了适当增加其他实验类型比例，薄片鉴定教学内容需要进行精简。以中国石油大学（北京）的“沉积岩石学”以往实验教学为例，实验内容按照砾岩和石英砂岩、长石砂岩、岩屑砂岩、杂砂岩、碎屑岩综合鉴定、火山碎屑岩、碳酸盐岩的结构组分、灰岩、白云岩和碳酸盐岩成岩作用划分分为十次实验课（表1）。这些实验教学往往存在内容上的重复，导致重点不突出。为了提高教学效率并突出教学目的，笔者结合国外同类高校“沉积岩石学”实验课程安排，尝试着将碎屑岩的5次验证性的实验内容整合为2次碎屑岩镜下和手标本鉴定，将碳酸盐岩的4次验证性实验内容整合为3次碳酸盐岩镜下和手标本鉴定。于此同时，增加1次观察和描述沉积构造的实验内容（表2）。这样的安排既可以避免鉴定内容的重复性和单一性，也可以锻炼学生鉴定、描述、估计含量和素描等基本技能。另外，为了避免学生实际操作时可能出现的盲目性，授课教师要编写相应的实验课习题并开发实验数据库，将实验过程规范化和图形化，引导学生完成实验。

2.开发设计性实验

物理沉积模拟实验一直伴随着沉积岩石学的发展，也是当前沉积学科的科学前沿问题[5]。将这样的模拟实验融入到“沉积岩石学”实验教学中，不仅可以让学生直观地观察沉积现象和沉积岩的形成过程，也可以激发学生对“沉积岩石学”的兴趣，培养学生的创新思想和创新能力。这种想法已经在一些院校得到了实现，比如中国石油大学（华东）就尝试着将“水槽实验”融入到实验教学中[5]。

然而，将研究用途的模拟实验引入本科实验教学，不仅受到实验仪器和空间的限制，还要不可避免遇到学生参与度低的尴尬。比如，水槽实验在“沉积岩石学”的实验教学中只能做到让学生分多个小组分期观察[8]，而无法真正达到设计性实验的要求，即让每个学生都进行实验操作和修改。显然，这样的“设计性实验”并不能对“卓越计划”中所强调的动手能力、理论联系实际能力以及工程应用能力起到很好的促进作用和效果。

表2 “沉积岩石学”实验教学框架设计

对于“沉积岩石学”课程而言，开发设计性实验既要考虑操作方便，又要具有一定的针对性。为此，笔者尝试着将一些操作性强的设计性实验引入到“沉积岩石学”实验课程中（表2），并结合验证性实验，极大地促进教学效果并提高学生的动手能力。例如，实验教学增加了“碎屑岩的结构和粒度分析”的设计性实验环节，同时针对“碳酸盐岩成岩作用和孔隙结构”这一内容补充了相关的设计性实验。其中，在“碎屑岩的结构和粒度分析”一节中，笔者选取了不同搬运距离下的碎屑岩颗粒，让学生利用筛析法进行粒度分析和成分差异识别（表2）。在“碳酸盐岩成岩作用和孔隙结构”一节中，开发了碳酸盐岩次生孔隙形成的设计性实验，即针对不同类型的灰岩和白云岩样品进行单位时间内同种溶液的淋滤，然后磨片观察对比与原始样品的差异（表2）。在这些设计性实验过程中，教师不仅要提供实验材料，还需给出实验的整体框架和思路。学生要自己完成实验构想，验证沉积现象，整理实验数据并撰写实验报告。设计性实验，一般是分成三人小组进行。在此过程中，不仅团队协作能力得到培养，学生的创新思维和解决问题能力也得到极大程度的促进。更为重要的是，这种类型的实验可以让学生从被动灌输知识的角色转换为主动获取知识的主体，极大地调动其兴趣和主观能动性。

3.建设研究性实验

验证性实验和设计性实验强调感官刺激以深化学生对理论知识的理解，为学生创新思维与能力的培养奠定了基础。然而，验证性和设计性实验内容往往具有独立性，是针对某个沉积现象设计的，逻辑联系不紧密，应用目的不突出。为了解决学生“为什么学”的问题，笔者尝试着根据教学内容将科研课题转化为研究性实验题目（表2），连同手标本、岩石薄片和相关测试数据提供给学生，使实验教学和科研相互促进。当然，这种研究性实验必须与研讨课堂区分开。前者强调实验数据的获得、整理和分析能力的培养，而后者则着重于对学生文献调研能力的培养。由于研究性实验具有一定的探索性，仅仅通过实验教学规定的学时是无法完成的。笔者推荐的做法是，教师提前对选定区域地层划分小层，并为每个小层配备相关的薄片、手标本、野外露头照片、厚度数据、地质图和露头的信手剖面图等资料。在研究性实验开始前一个月的时候，教师为每位学生分配连续的5～6个小层，并将研究内容、样品、相关数据、图件、研究目的和报告格式发放给学生，要求学生在指定时间上交一份关于沉积岩石学特征分析的研究报告。在这样的过程中，教师鼓励学生利用课余时间预约显微镜实验室开展研究性实验，并进行一定的文献调研。这种做法，在一定程度上，可以对学生合理利用时间起到一定的敦促作用，而且研究性实验的推进可以使学生掌握收集文献资料的方法，了解科研过程，并培养研究能力。