地质工程专业普通地质认识实习教学的思考

2022-06-29许宝田杨爱华解国爱

高校地质学报 2022年3期

许宝田，张勇，王博，杨爱华，解国爱

南京大学地球科学与工程学院，南京 210023

普通地质学（以下简称“普地”）是地质工程专业本科生的第一门专业课，也是拓展知识视野、扩大知识面和提高知识层次的课程。地质工程是一个工科类专业，本专业毕业生去向包括土木工程、交通工程、水利水电工程、矿山工程、园林工程、城市规划和国土资源管理等众多行业，涉及的专业除了地质学方面外，还有力学、化学、数学、测绘、材料和计算机等。在这众多的行业和专业领域的工作中，基础地质知识和理论的应用无不贯穿始终。因此，很多有多年教学经验的相关教师和从事生产实践的技术人员均认为，野外普通地质认识实习（以下简称“普地实习”）是地质工程专业实践的首要环节，是训练学生把理论知识转化为实际应用的桥梁（王建秀等，2019）。根据现有的教学条件和教学设计，普地实习中大部分的教学内容主要是认识地质现象，也就是能够清楚地识别地质现象，描述地质现象，解决“看—认”问题（张帆和王孔伟，2017；黄河等，2019）。在上述基础上，初步认识其成因，但对地质体未来的演化规律，特别是跟人类活动相关的发展规律上的教学内容明显偏少，甚至没有。这就导致了基础地质学与地质工程专业课程之间的割裂，以至于学生认识不到基础地质学在本专业中的重要性，实习过程中的积极性和参与程度不足。

地质学研究的内容有组成地球的物质、组成方式和演化规律、地质历史及应用等问题（舒良树，2010），研究的方法包括野外调查、仪器测量和理论分析等。这些内容和方法也贯穿于野外实习教学的全过程。其中调查和测量的教学内容主要涵盖地层和岩性特征（如年代、物质成分、颜色、结构、构造等）、内（外）动力地质现象及产状的测量等。

普地实习中观察到的地质体其实跟地质工程专业课程中很多知识点紧密联系，如岩石的物理和力学性质问题、地下水问题，以及地质灾害（特别是滑坡）问题等。实习教学中讲解的岩石结构、物质成分和岩石风化等知识点无不与上述地质工程专业元素息息相关。因此，在基础地质实习教学中融入地质工程的教学元素的完全可行性的，也必然能大大提升教学质量。

普地实习是地质工程专业本科阶段相对其他课程而言投入成本高、时间长和精力多的一门课程，野外实习的时间应得到充分的利用，并为今后的学习奠定基础（王博等，2013）。本文拟探讨在普通地质认识实习中融入地质工程专业知识或基本理论的可行性问题，为相关实习教学设计提供参考。

1 地质工程专业普地实习的思考

野外实践教学过程中一般以教师讲解为主，要求学生结合课本知识，在现场认识并准确的描述这些地质现象，定性上了解地球内（外）动力作用导致的岩石风化、河谷演化、边坡活动，及地质构造（如层面、褶皱、断层、节理、片理、线理等）等的特征。但对于地质现象的形成机制以及未来演变规律的预测方面的教学内容略显偏少，甚至在相关的教材中也是如此。这样必然导致普地实习与具体专业学习内容之间的断层。

普通地质学教材中描述了大量的地质现象，野外实习往往观察的是比较典型的现象点，通过现场讲解，使学生认识该现象并了解其地质意义，但对地质现象成因和机制分析上的教学内容往往不足。如在斜层理的地质特征方面，教材上一般仅交代其“顶截底切”的地质意义，而关于斜层理形成的原因和机制，一般教材中很少提及。根据作者多年来带实习的经验，地质现象的成因机制往往是参与实习同学们的关注对象，也是激发兴趣的“点”，所以学生在这方面提出的问题较多。特别是近年来随着专业文献越来越多，加上互联网技术发展，很多学生往往在实习之前已经了解到大量的专业知识，提问往往超出室内教学的范畴。总结起来地质工程专业本科生在实习中关心的问题主要包括3个方面：（1）地质体的基本特征及其工程意义；（2）岩（土）的基本力学问题；（3）常见的工程地质问题。所以正确、合理的解释学生们提出的这些结合自身专业的问题是带队教师必须要耐心、细致完成的教学工作。同时，通过对这些问题进行原理方面的讲解，既增强了学习效果，也提升了专业兴趣，往往能获得很好的效果。

此外，工程制图（剖面图、平面图和结构图等）是地质工程专业的基本功，普地实习中也需要绘制剖面图，但要求稍有差别，地质剖面图的绘制随着计算机技术应用的愈发普遍，一般都要求学生在坐标纸上绘制手图之后再绘制电子图。而工程制图也是地质工程学科的专业课程，在讲解剖面图的绘制要求时融合工程制图的标准也是对学生的一个专业实践训练。如在工程制图中使用缩小比例尺时一般优先考虑1:1×10n、1:2×10n、1:5×10n等，而不允许采用类似1:7×10n、1:9×10n这样的比例尺，这样的规定与普地实习中绘图要求其实也不矛盾，不至于增加过多的教学工作量，在绘制剖面图的教学设计中加入这些要求的讲解也是非常可行、并易被学生接受的。

2 普地实习中的地质工程思维

2.1 地质体的基本特征及其工程意义

以沉积岩为例，野外调查其地质特征的主要内容有沉积物的来源、矿物、结构和构造等。野外教学主要着重于地质现象的描述，虽然沉积岩的种类很多，成分复杂，不同岩石的性质千差万别，但这些岩石成分、结构或构造对工程有什么样的影响，似乎两者对接不上。因此很多学生完成野外实习的学习任务后不免有些疑惑，认为基础地质的学习跟专业之间的联系似乎不大，导致学习的积极性自然下降。

因此在教学设计中，针对所服务地质工程专业需要，结合普通地质认识实习教学内容设计，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，从地质工程专业课程（工程地质学或岩石力学）角度，岩（土）的地质条件的分析是研究其力学性质和工程性质的前提，也涉及到地质特征的描述。如在研究岩体的力学性质时，一般从以下几个方面：（1）岩块的地质特征，包括岩石的物质组成、结构与构造和风化程度等；（2）结构面（断层、节理、层面等）的地质特征，包括结构面的成因、规模以及结构面的产状、密度、张开度、形态等；（3）岩体的地质特征，包括岩体的成因、结构类型和岩体分类等（刘佑荣等，2008），这些内容与普通地质学密切联系。因此，在实习教学中，当在讲解岩石矿物成分、碎屑成分时可融入不同成分的岩石力学性质、风化特征和水软化性的差异等内容。在讲解节理的特征时可适当分析节理面的粗糙、起伏和充填物成分对节理面抗剪、透水等特性的影响。

上述几门课程侧重点不同，在分析岩石的基本地质特征时，专业术语和分析角度从字面上看似乎有较大的差别，但其实针对的对象和内容是一致的，现场讲课过程中，结合具体专业名词术语讲解，便能引导学生积极思考专业问题。比如在认识岩石不同物质成分时，可分析其成分对岩块密度、抗风化能力、水反应等的影响；分析岩石胶结物特征时，可结合讲解胶结物对岩石强度以及水理性质的影响；认识岩体中断层、节理等裂隙对岩体渗透性、完整性和岩体结构影响及其工程意义。这些专业问题的初步认识可促进学生在在兴趣的驱使下主动探索新知识，创造新知识，也扩展和丰富了普通地质学的教学内容。

2.2 基本力学问题

在基础地质实习课程中其实涉及到很多岩土力学问题，如断裂（正、逆、平移断层和节理）、褶皱、地层倾斜等的形成机制，在普通地质学课程上，往往是只描述相关的现象，而很多同学却非常关心这些地质现象的成因机制。现今大多地质现象已经完全能从实验模拟和理论推导角度得到解释，所以典型地质现象的力学解释其实也并不复杂，结合理论和实验结果可以在现场教学时对地质现象进行图解说明。

以岩石的剪切破坏为例，野外可看到大量的剪性节理（图1），教学经验表明，很多野外只描述现象，学生们大多不太能完全理解的成因，其实在力学实验课程中，有很多这样的实验结果验证了看到的地质现象。所以根据“现场现象观察→实验验证→理论解释”的思路讲解后，普遍能被学生接受和理解。

图1 剪节理现场照片与实验结果对比Fig.1 Comparison of field photos and experimental results of shear joints

岩土的力学性质不外乎变形和破坏两大类，具体涉及到岩土材料的基本变形属性和破坏特征的种类，有的可以在力学实验课程上通过试验得到验证，有的力学特征受试验条件限制，在室内试验课程中并不一定能简单模拟出来，而在普地实习教学中，往往能够遇到这些室内不能模拟出来的现象。比如像岩石脆性和塑性变形属性问题，岩石力学室内实验教学一般只能做出脆性特征，而野外实习时看到的糜棱岩构成的韧性剪切带则很好的反映了岩石从常温、常压下的脆性特性转变为在高温、高压下的塑性特性。地质工程专业中的“滑坡”问题是典型的岩体剪切破坏问题，其形成的力学机制与剪节理的力学成因相同，将两者联系起来讲解丰富了普地实习的内容。

虽然说本科阶段专业性的力学课程设置时间上靠后，但在后期力学课程中却不可能再返回来进行野外观察，很难做到理论联系实际，所以这些力学元素的加入，也可对后续课程的学习带来启发性，起到互补性的作用。实践证明， “现场观察+实验验证+理论讲解”的教学方法普遍收到学生的欢迎，能使大家记忆深刻。通过手机上的QQ群和微信群等通信工具，可以快速传送实验照片，现场也可以随时随地画出理论分析的示意图。这样的实践教学同样也使得学习环境轻松自由，地质现象具体鲜明，成因机制清晰，师生之间交流互动频繁，便更容易激发学生的主观能动性和学习积极性。同时把教学方式由“灌输式”向“启发式”转变，引导学生积极思考，变被动学习为主动学习，也能提高学生的参与程度。

2.3 常见工程地质问题

在地质工程设置的专业课程中，分析的工程地质问题主要有边坡工程地质、地基承载力和地下洞室围岩稳定性3类。但在工程地质学、土力学和岩石力学这些课程中讲到这些具体工程地质问题时，一般没有野外实习课程配套，直到临毕业前的生产实习中才有可能遇到，但即使生产实践中也不一定能遇到上述3类问题的全部。其实在普地实习中几乎在野外处处都能遇到上述问题中至少一种或多种类型，其中最常见的就是边坡问题。比如在工程地质学中分析滑坡地貌时，关于滑坡后的“圈椅状”地形、马刀树、醉汉林等等现象，普地实习中在野外见到的非常多。还有在岩体力学中，分析岩体结构对岩体稳定性的控制作用问题，在野外也很容易能找到对应的现象（图2）。根据这些现象，分析其成因机制，往往是学生们非常感兴趣的。

所以，结合现场所见具体工程地质问题，分析成因机制、演化规律和具体工程问题，将能够使学生基础地质学的思维得到提升。利用基础地质学研究中固有的“将今论古”、“以古论今，论未来”和“活动论”的思维分析诸如滑坡之类的工程地质现象和作用结果，总结其发生规律，预测未来，从而形成一整套的专业思维。

3 普地实习中渗透地质工程思维的实践路径

普地实习的带队教师一般以基础地质专业出身的为主，工科专业的教师较少，某种程度上影响到工科专业教学内容的加入。此外，大多数指导教师都没有实际工程经验，年轻教师通常都是从学校毕业走向学校，注重理论教学，自身实践能力不高，往往在指导实习的过程中也是力不从心。指导教师的实践经验直接影响学生对生产实践的信心和生产实习的质量。这些实际问题某种程度上对实习中融入专业思维的教学有一定的阻碍作用，对教师的再教育和培训十分重要（郑有伟等，2020）。

另外，普地实习教学团队的建设中人员配置是一个需要认真考虑的因素。可以采用变换的教学方法，如“分散—集中型”，每个教师带队的学生人数有限，所以每个实习队一般都分为几个小组，现场教学时采用分组教学的方法，遇到特殊的现象或专业问题（如滑坡）可以由相关专业教师集中讲解。但无论哪种方式，都必须建立长期稳定的教师团队，对教学进行研讨，采用交叉教学法，且必须配置专业教师。在普地实习中，采取增加与地质工程专业结合的实践教学环节的教学办法，既扩大了学生知识面，初步提高学生专业素养，也为实现毕业后成为专业领域合格工程师和科研人员的培养目标迈出重要的第一步。