工学的地质思维

王建秀 周洁 刘琦 叶真华

摘要：针对工学学科对于地质思维的需求，建设《工学的地质思维—普通地质学通识课程》。将普通地质学与工学类其他学科的知识进行交叉和融合，讲授地质知识、地质思维和地质哲学，利用通识教育拓展学生的视野，让学生在工学思维的基础上，融入地质学的思维，将人类工程活动融入大自然的演化和发展中。

关键词：通识教育课程;工学的地质思维;教学设计

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）11-0166-03

一、引言

地学和物理、化学、生物、力学并称五大基础学科，地质学是地学的重要组成部分。学习地质学知识，可以大大拓展学生的视野，增强学生的知识面和知识层次。目前，国家正在大力鼓励学科交叉和创新，新工科的发展更是对学科交叉融合提出了新的要求。目前，我国许多工科类学科，比如土木工程、交通工程、水利工程、矿山工程、城市规划、风景园林、环境工程等，都会涉及地质知识。所以，学生会学习工程地质、环境地质、水文地质等课程，但偏于应用，对于涉及到地球的历史与演化、各种内力地质作用、外力地质作用、行星地质等，则涉及比较少。通识教育，有时更加强调无用知识，即非即学即用的实用性知识，而是拓展学生的视野和世界。所以，在工学类学生中开设地学类通识教育课程，具有非常重大的意义。特别是地质学在发展过程中，形成了一套独特的思维方法[1-3]，总结和发展出了地质哲学，这些知识的学习，对于工学类大学生而言，具有非常大的启发意义。

目前，许多大学都设置有地球科学学院，开设有地质学、地质资源与地质工程等地学类专业。地学专业有些属于理科，有些属于工科，但都可以为工学类学科开设地质学类通识教育课程。本文主要介绍《工学的地质思维—普通地质学通识课程》的教学设计，可为同类通识教育课程的开设提供参考依据。

二、工学的地质思维

1.工学思维。工学思维（工程思维）是宇宙中最复杂、最奇妙的现象之一。人的实践活动方式与内容直接影响着思维活动的各个方面，从而出现了与不同实践活动相应的思维方式。由于工学面向解决实践问题，所以其思维模式一般都是从问题中来，再回到问题中去。对于已有成功案例的问题，则可充分学习其解决问题的思路，然后总结规律，上升到指南、规范范畴，将其变成一般知识，供行业内学习和应用。对于成熟问题，强调成熟经验，遵守规范要求，在遵从既有规则的前提下，开展设计工作，进行有条件的创新。同时，还需要解决成本和可靠性的问题。各类工学学科面向对象不同，但解决问题的方法和思路是大同小异的。

2.地质思维。地质上常用的理性思维表现形式有形式逻辑（抽象思维、分析与综合、归纳与演绎）和辩证逻辑。非理性思维最具典型的表现形式有想象、联想、直觉和类比。地质思维就是运用地质学知识和原理去分析、研究古今地质作用的过程。地质思维背后是地质哲学，是通过多年探索和积累，逐渐发展起来的一种思维方法。主要有“将今论古”、“以古论今，论未来”和“活动论”。将今论古就是通过各种地质事件所遗留下来的片段现象和作用结果，利用现今地质作用的规律，去反推古代地质事件发生的特点、条件以及大致的演化过程。将今论古意为现在观察到的地质现象在地质历史上也会发生。如河流携带着大量泥砂，并将其搬运到远处沉积下来。现在观察到了，那在地质历史上的河流，也会有同样的搬运作用。这样就可以用现在发生的事件，类比和推断历史事件。以古论今和论未来，意为地质历史上曾经发生的事件，现在也可能会发生，在未来也可能会发生。研究地质历史上地质事件发育的规律，可以认识现在，预测未来。过去地质历史在地层里遗留的各种构造行迹，可以推断历史上发生过什么，也可以利用这些历史上发生的规律，推算未来事件演化的历程和发生的可能。活动论意为地球上一切都在演化之中，没有静止和停滞，人类经历的只是其中的一些片段。

3.工学的地质思维。在工学中，也可参考地质思维。地质思维包括归纳、演绎和各种推理方法。在思维过程中，需要逻辑和推理，注重证据，要能根据现有的证据，推断其历史，展望其未来。需要能根据历史的遗迹，推断其成因机制，需要具备较强的形象思维和发散思维，具备较强的类比分析能力等。例如土木工程涉及到材料的耐久性问题。那就可以采用将今论古的方法，或者以古论今，论未来的方法进行研究。我们国家修建了都江堰，其历经沧桑，仍然是非常成功的水利工程，至今仍在使用。国外有很多已经使用数百年的城堡，仍然保留了较好的使用功能。我国上海发现了最早使用的木质桩基，说明历史上成功的范例，也可在现代重复，目前《规范》规定了地下工程设计使用寿命，按“以古论今”的思维方法，其设计使用年限还可以延长。又如在发现某种维护条件下，或者某种工程材料，在实验室具有良好的耐久性，则可以解释，历史上采用了类似材料的工程使用年限长仍能正常使用的原因，在工程中应该研究此种材料并将其用于工程实践。同时，在城市规划、风景园林等工作中，也会涉及山水布局及成因机制等，地质历史上很多城市的兴衰都和地质环境密切相关。消失的女儿国、拥有两千多年历史的苏州城、平地生出的大庆等，都和地质环境密切相关。学习地质知识，掌握工学中的地质思维，对于提高学生的素质、知识基础和创新能力都是非常必要的。

三、课程设计

1.教学对象。本通识教育课程首先针对工学部学生开设。工学部的专业包括：土木工程、水利工程、环境工程、市政工程、交通工程、測绘工程、材料科学与工程、城市规划、风景园林、机械工程、汽车工程、电气工程等。主要设计的教学对象为土木、水利、交通、环境、采矿和城规、风景园林类与地质有交叉关系的低年级本科生。

2.需求分析。针对所服务工科专业，结合教学内容设计，开展需求分析工作。在课程设计时，特别突出这些专业共同性或差异性的需求。比如，对于土木工程而言，岩体的前世和今生与其工程性质密切相关，那就将岩浆作用与岩浆岩、外力地质作用与沉积岩和变质作用同变质岩与土木工程紧密结合起来。比如交通工程线路长，跨越地质单元多，则重点讨论地质构造及其对其选线的影响。比如环境工程涉及水土质量，则在地下水的地质作用与外力地质作用部分，重点讲述地下水的类型、循环、补径排和水质。在城市规划，涉及城市地质和自然景观，则重点讨论城市的兴衰与地质环境，以及人为地质作用对地质环境的影响。在风景园林部分，重点讨论风的地质作用（如雅丹地貌）和丹霞地貌等，展示壮美图片的同时，介绍这些风景地貌的形成机制。

3.教材比选。可用于通識教育的教材包括各种《普通地质学》、《地质学概论》、《动力地质学原理》等，各个单位和编者都有不同的内容编排。这些教材格局特色，最终选用是南京大学主编的《普通地质学》（第三版）作为参考教材。

4.教师团队。通识教育课的教师需专门配置和培训。在教师安排上，可有不同方法。可以分章节多人讲授，也可以一人讲授。无论哪种方式，都必须建立教师团队，对教学进行研讨采用交叉教学，并设置备用教师。最理想的配置是1位主讲教师，1位实验教师，1位实习教师，1位Mooc系统维护员。

5.教学形式。在课堂教学中，主要采用讲课和互动的形式。每次讲课的标题都结合一个或几个非地质工科的内容展开。以一个具有普遍兴趣的话题开始，引出地质问题，讲述地质现象和发生的机制，讲述地质作用，讲述变化的内因和外因，讲述由于各种地质作用所引发的岩石的生死循环、褶皱断裂、地震火山，讲述地质体的前世今生，讲述世界的沧海桑田和各种演化，讲述生物的大爆发和大灭绝。在收尾部分，以地质现象说明内涵的地质思维，留下思考题，让学生思考地质思维和自己工学学科的结合点和结合方式。

四、教学方法设计

1.Mooc与混合教学。普通地质学课时多，内容多，跨度大，而上课的学时又非常有限。将课程中部分重要补充内容做成Mooc形式，让同学利用Mooc进行通识课程的学习。同时，对所有知识点进行充分梳理，划分出必须掌握的知识、一般掌握的知识和一般了解的知识，各知识点之间设定严格边界，彼此保持独立可选。按此层次，对Mooc课程进行分级，在基本级别，重点讲授主要知识点。在初级，讲述一般掌握知识。对于高级，则对一般了解的拓展知识进行充分讲授和解析。同时，开设通识教学平行班，在课堂进行主要知识点的讲授，采用Mooc教学的方式为同学们提供补充知识。如果设定课时有限，则开展课堂和Mooc混合教学。课堂教学重点讲授必须掌握的知识，之外的知识学习利用初级和高级别Mooc知识点实施。

2.课堂—实验—实习三位一体教学。地质学是一门实践性很强的课程，要提升教学效果，必须增强实验和实习教学。在具备条件时，可开设与课堂教学配套的实验和实习课程，把部分教学直接放到实验室或现场试验点上开展。利用课堂教学讲授基本知识点，在实验室标本和模型的辅助下，利用实验来验证课堂所学知识点。对于有限标本无法阐释的内容，利用实习模式现场调查和体验所学的知识点。由于通识教育课程学时有限，建立课堂—实验—实习三位一体的教学体系，以此来有效提高学生的直观感性认识。以同济大学为例，实验可利用岩土与地下工程教育部重点实验室岩矿实验室开展课堂实验教学。在实习方面具备一定的条件，可在苏州虎丘、横山、灵岩山和天平山等地开展实习教学。如果实习课时或经费不能满足要求，可利用当地国土资源部门的地质博物馆，作为课程教学的实习场地。

3.碎片时间自学。设定微信公众号，教师结合通识教育课程的进度，在课前预发课程相关的背景简介，主要知识体系框架、主要知识点及重点概念等。在课程结束后，通过发布微信问卷调查和选择题的形式，测试同学们对课堂知识掌握的程度。开发虚拟竞技App软件，将地质学知识游戏化，利用虚拟考试、完成任务类游戏等，将主要教学内容固化于移动软件。基于Android或IOS开发手机端软件，让学生可以随时利用碎片时间进行学习和复习。亦可开发具有开放功能的App软件，让学生自己以该软件为平台，根据兴趣拓展地质知识，并结合自己专业进行二次开发，将计算机知识的学习与应用和通识教育结合起来。这部分工作主要是让学生可以利用碎片时间进行学习，提高学习效果并增加有效学习时间，寓教于乐，让学生在轻松气氛下，潜移默化地掌握知识。

4.综合考核。本课程为通识教育课，针对设置该课程的初衷，采用多维的考核方法和考核体系。在知识考多维核体系中，第一维是随堂测验，主要考核基本概念和基本知识点，用于计算平时成绩。第二维是岩矿肉眼鉴定测验，在实验课程结束后，在实验室利用肉眼鉴定岩石和矿物，测试同学掌握常见矿物和岩石基础特征和鉴定与识别的能力。第三维是小组研究报告与汇报。同学们根据兴趣自行组成3-5人研究小组，寻找可用地学思维解决的工程问题。让学生结合自己专业特色，在解决工程问题的同时，融入并运用地质学的思维方法。完成工作后，汇报小组工作，依据课题完成情况，由课程专家组综合打分。具备条件的情况下，可以利用开发的虚拟竞技App软件进行学生能力和水平测试，并结合小组工作汇报及平时成绩，综合给定最终成绩。

五、结论

本文将普通地质学与工学类其他学科的知识进行交叉和融合，针对土木工程、交通工程、水利工程、矿山工程、城市规划、风景园林、环境工程等，开设通识教育课程，讲授地质知识、地质思维和地质哲学。讲述地球的历史与演化、各种内力地质作用、外力地质作用、行星地质等。利用通识教育拓展学生的视野和世界，让学生在工学思维的基础上，融入地质学的思维，将人类工程活动融入大自然的演化和发展。

参考文献：

[1]白屯.地质思维方式的历史演变[J].河北地质学院学报，1989，12（1）：111-117.

[2]林清茶，程雄卫.普通地质学认识实习中地质思维的培养[J].科技创新导报，2011：228.

[3]姜照勇，王成武.地质教学过程中地质思维的培养[J].教育教学论坛，2013，（31）：131-132.

Teaching Design for General Education Course of Geological thought in Engineering–General Geology

WANG Jian-xiu，ZHOU Jie，LIU Qi，YE Zhen-hua

（Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：In view of the demand for geological thought in engineering discipline，the general education course of Geological Thought in Engineering is constructed.The knowledge of general geology and other disciplines of engineering are intersected and integrated.Geological knowledge，geological thought and geological philosophy are taught to expand the students' vision，so that students can integrate the human engineering activities into the evolution and development of nature on the basis of engineering thought.

Key words：General education course;Geological thought in engineering;Instructional design