《工程地质分析原理》课程的教学实践与思考

祖辅平，杜菊民，蔺晓燕，陈延军，袁 珍

1.西安石油大学 地球科学与工程学院，西安 710065；

2.江苏省地质工程有限公司，南京 210018；

3.西安石油大学 电子工程学院，西安 710065；

4.西安石油大学 陕西省油气成藏地质学重点实验室，西安 710065

广义地讲，地质工程专业涉及的所有课程都是地质工程基础理论的组成部分；狭义地讲，地质工程学科体系中以《工程地质分析原理》为代表的专业核心课程构成了面向技术应用的地质工程基础理论和相应的地质控制论知识体系，涵盖了地质构造控制、岩体结构控制、土体结构控制以及地质体赋存环境因子等内容（孙广忠，1997）。《工程地质分析原理》开课时间是第五学期，正值四年大学生活的关键节点，教学内容包括地质环境（宏观的地壳稳定性和局部岩土环境稳定性）评价理论和方法、岩体质量评价理论和方法、工程地质探测和测试理论与方法、工程地质超前预报理论和方法、地质体改造理论和技术、岩土体稳定性分析理论和方法、以及地质工程设计和施工指导理论等。这些教学内容充分体现了地质工程学科体系的整体性和系统目标要求，既有理论知识的全面总结，反映了各门先修课程之间的摆布顺序和理论与技术之间的逻辑联系；也有技能应用的基本面，反映了分析思维过程中知识应用逻辑的加工和组织（王一真等，2009）；最终综合反映了学生理论知识的积累程度和应用娴熟度。

通过多年实践，我校《工程地质分析原理》课程教学取得了如下代表性成果：（1）通过介绍人类工程活动与地质环境之间相互作用相互制约的发展史，激发了学生的专业认同感和忠诚度，充分了解了国家和民族由弱变强、一代代劳动者前赴后继从实践获得真知的奋斗历程。（2）通过分析工程案例中具体的工程地质现象，提升了学生的学习兴趣，扩大了学生的专业视野。既有因岩体质量问题而导致的破坏工程，例如法国马尔帕塞（Malpasset）拱坝（左坝肩软弱夹层的滑移导致拱坝溃决）、意大利瓦依昂（Vajont）水库（岩坡滑动）等；也有因掌握了自然规律而长效运行的成功工程，例如都江堰水利工程。（3）自2011年我校地质工程专业成立以来，培养了近500名本科人才，为地质工程相关行业的人才梯队建设源源不断输送了后备力量。

我校《工程地质分析原理》课程在教学中也存在一些不足：（1）课程的部分内容有待优化，以适应学生的知识结构现状和专业接触面，因此需要进一步明确改革的基本环节。（2）学生的科研视野较局限，受其生活体验范围的限制，很难接触到与分析原理相关的诸多工程现象，提升科学思维难度较大，因此需要适时引入有效的创新思维和灵活的分析模式。（3）教学资源不足，师资力量相对薄弱，部分专题一人一课的模式导致了深入研究的局限性，因此需要进一步突出课程重点，加强师资调配以适应模块化教学的需要。

基于以上现状，围绕核心课程《工程地质分析原理》课程教改大纲，我们在教学理念、教学内容、教改方向、教学设计基本思路以及教学方法的适用性等方面开展了积极探索和实践，提高了教学质量，取得了行之有效的成果。

1 地质工程教学理念

地质工程学科体系的建立健全是一个系统化过程（图1），直接反映了教学理念系统化。具体是指在教学内容、知识体系、能力品格和适用方向等方面作出规定，帮助学生成长和发展，培养为国家需求为社会民众服务的合格专业人才（王晓辉，2018）。校园环境的理论学习与实践有助于培养学生的系统认知和三维思维，现场地质工程（岩土工程及其构筑物）的研究与实践有助于贯彻系统工程的设计思路，有效地实现工程目标，使之达到长久的可循环的良性运行状态（祖辅平等，2020）。

高校在设置地质工程专业时，所处的背景、师资条件和软硬件配套，以及经费支持千差万别，故其学科体系建设需要结合高校实际情况，以学生为本，把握行业风口，设定基础支撑课程，形成符合自身特色、特定阶段的学科体系和课程类目框架（图1）。为此，笔者从“水科学、测绘学和力学”等支撑理论着手，建立符合当前发展现状的地质工程学科体系，并努力在后续过程中不断完善。

1.1 地质工程学科体系的层次划分

地质工程学科关联水文学、地理学、水利科学、环境科学、生态学、大气科学、海洋学等学科，体现了基础与应用、自然科学与社会科学相结合的内涵，具有广阔的创新研究空间（河海大学，2015）。“水科学”覆盖了地质工程专业学科体系与环境保护基本面，处于学科建设系统中的第一层次（图1）。《工程地质分析原理》课程与水科学知识关系密切，涉及水的物理、化学、生物等特征以及水的分布、运动、循环等直接影响工程岩土体和天然岩土体稳定性的重要因素。因此，运用现代测绘科学和遥感科学先进技术手段，地质工程工作者首先要对与地质工程有关的水源分布格局、区域生态环境、气象环境影响等进行长期观测，总结规律，为地质工程顺利实施提供科学依据。

测绘工作贯穿地质工程的始终，处于学科建设系统的第二层次（图1）。工作内容包括精准定点、定线、定三维空间等，是建立GIS地理信息系统的基础性工作。地质学和地质工程的研究内容既突显了水作为物质循环参与者的重要性，也展示了科研及行业的基本面，处于学科建设系统的第三层次（图1）。从地质工程与工程地质以及土木工程之间的关系来看，地质工程是较大的概念范畴，而工程地质则是为获取第一手基础资料而进行的基础地质调查研究。地质工程专业主体属于技术应用领域，主要通过工程地质的基本理论和技术对突出工程地质问题进行原因分析，提出解决方案，目的是保证岩土体的长期稳定性，保证地质环境的良性运转。

图1 地质工程专业学科体系与环境保护基本面Fig.1 The disciplinary system of geological engineering and the fundamentals of environmental protection

数理基础及力学理论处于学科建设系统中的第四层次（图1），它们有助于地质工程工作者在思考问题与解决问题过程中形成良好的思维习惯、思维方式，进而提出科学而合理的解决方案。地质工程专业教学中涉及的力学理论知识较多，诸如工程力学、结构力学、材料力学、流体力学等，但弹性力学和岩体力学是最重要的两门力学课程。我们在讲授弹性力学的过程中，深切体会到了弹性力学作为分析地质工程问题的工具，其普适性最强、应用面最广，有效地体现了思辨性和运用价值。而岩体力学则具有明确的针对性和实践性，其研究对象就是工程岩体，因而弹性力学课程、岩体力学课程和工程地质分析原理课程三位一体，一脉相承。

（1）弹性力学主要是从细微观尺度研究各种材料（包括岩体）的力学性质。教学过程中需要运用各种数学理论，逐步培养学生们的空间想象力。

（2）岩体力学在教学过程中体现出了仿生学特点，即，把人作为仿生学的研究对象，试件的端面形状如图所示（图2）。在试件的两端施予均布荷载（压应力），同时把试件比作无数个“小人”（微单元）支撑起来形成的集合体。在承载板与试样端部摩擦力未被消除的情况下，越靠近试件中心位置的小人，其稳定性相对较好；其原因在于旁边的其他小人给予它一定的侧向力；与此同时，越靠近四角的小人越孤立，容易在外围较大膨胀回弹的情况下于角点产生更强的应力集中，角点处更容易产生变形破坏。因此，对于试件来说，在四角处容易产生应力集中的因素主要包括承载板的刚度系数、角点往下临空面的占比、材料自身的脆韧性差别、荷载的加载速率等。教学和研究的目的就是尽量减少在角点处的变形破坏。

图2 力学分析过程中的基本空间想象Fig.2 Basic space imagination in the process of mechanical analysis

（3）工程地质分析原理突显了人文科学通用规律。例如，在边坡工程建设中，根据地质环境的具体特征，对边坡的防护（图3）有时会采用留存植被生长空间的格子状构筑物，有时则会采用钢筋混凝土全覆盖。前者方案的思维理念是，虽然岩土体没有生命，但在整个地质环境系统中，有时需赋予其作为生命体存在，其设计施工理念就是非保守施工法。如图3所示，位置①可视为非保守防护，尽量发挥边坡自身的自我调节功能；而位置②可视为保守防护，边坡面被混凝土材料全覆盖。

1.2 资源利用与环境保护协调发展

资源与环境保护是多方位、多层次的（图1），地球表层的自然地理环境是人类及其他各生物种群获取生存及发展资料的基础。对人类自身来说，需重点关注以下方面：（1）气候与水文条件，这是考察生存条件及宜居环境的前提。（2）地形地貌条件，这是关系人类所能触及的各种资源边界的问题。因此，做好宏观和区域的自然地理环境规划工作是地质工程设计与施工中面临的重大民生要求，需要具备底线思维，既要满足民生的需求，也要处理好环境保护和可持续发展之间的关联性。因此，需要提前做好土地资源的规划和利用，以使生物种群繁衍生息的环境得到良好保护，为人类的生存与发展提供可持续的资源。（3）土壤环境以及动植物分布状况，其合理与否关系到地表食物链现状的优劣，直接关系到人类生存的质量和幸福指数。

鉴于上述，在《工程地质分析原理》课程教学方面，既要让学生掌握多变地理环境下地表形态的特征、成因、发展和分布规律（王文福等，2008），也要培养学生探索各种自然环境要素与过程之间、人与环境之间相互作用的机理（吴长航等，2017）。

2 教学改革与方法探索

2.1 与时俱进，坚持教学改革

高校教育的基本功能是人才培养，并引领社会进行思想更新和技术革新。目前，有一些企业已经超越高校，走在了改革的前列。高校教育要实现和发挥对社会的引领作用，就必须与时俱进，坚持教学改革。在具有高度认同感和忠诚度的专业教研氛围中，培养学生的创新意识，激发学生的创作灵感。

创新是引领地质事业发展的第一动力。地质学自问世以来，地质调查技术和方法一直在发展，在发展中不断推陈出新（梁忠等，2019）。从地质调查研究方面，从最初单一的地质调查、物探调查手段发展到今天多学科多技术集成的综合调研，形成了包括深层地震、高分辨率地形地貌测量、重磁电探测、地热流探测、高精度探测、地质取样、数据处理、实验测试等在内的一个综合探测体系。但是，作为以地质现象观察和科研或应用问题解决为使命的地质工程野外工作，目前的技术手段和方法仍然较为原始，其工作流程仍然是“野外采集岩石样品→运输至某地→寄送样品至分析测试单位→对获得的测试数据进行分析与研究→服务科技问题”，并没有出现质变的革新。为了提高地质工程的野外工作效率，增强从业者的工作成就感和幸福感，有必要思考地质工程的专业延伸方向问题。

（1）野外考察手段及工具轻量化与智能化。引入便携式采样设备，将大块样品调整为小尺寸的试样，规则有序地采集。根据科研需求设定测试内容，对测试手段进行技术革新。例如，一些地质工程数据可采用现场测试，即时展示其结果，及时了解工程进度并调整方案。再如，设计制作便携式定时定量测试设备，缩短测试周期，便于野外及时检验和调整工作流程。若能实现测试设备和仪器以及技术和方法的革新，则整个野外调研流程就有可能微型化和集约化，必将大大提高施工和研究效率。

（2）防灾减灾智能化。通过智能化的方法，实现全民防灾减灾的科学知识普及化，提高地质灾害预报方法的适用性和精准度，提升全社会应对地质灾害的快速反应能力。

基于以上思考，以《工程地质分析原理》课程为例，我们开展了如下教学改革。（1）加强野外考察内容，使野外考察实践成为该课程的特色。为了提高野外考察质量和效率，需要进行技术研发，如上述的便携式采样设备与测试工艺创新等。鉴于此，我们在教学中突破了固有的理论教学模式，目标明确地设置了技术研发内容，既促进了学科交叉，又提高了学生的学习兴趣。例如，在明确野外工作流程“野外考察—采样→测试分析→数据获取与分析—成果编制”的基础上，让学生思考如何在野外直接采获（50 mm×100 mm）的圆柱形试样？如何设计相应的采样工具？在野外如何操作并实施可行性的数据测量？通过规划设计和实践，不断训练和提高学生的科研技能和创新思维。（2）训练和培养学生解决地质工程问题的设计能力。让学生明白，实践是创新的源泉。工程设计属于项目管理的组成部分，要求目标明确，内容规范，设计必须针对各种工程地质问题，按照工程（项目）的具体内容和要求，拟订工程项目评价方案和解决方案，包括流程制作、图文制作、可行性分析等。鉴于学生在《工程地质分析原理》课程的学习过程中对具体工程现场缺乏感官认知，故我们多从身边的工程地质现象入手进行教学和引导。如校园内根系作用、污水管地下硐室、教学楼局部沉降、卫生间局部渗漏等，将身边的这些工程地质现象作为工程专题，组织学生开展专题设计，借此训练和培养学生分析问题和解决问题的能力。

经常性地开展以上实践环节，主要是为了巩固学生理论知识的学习并积累初步的实践经验。为了取得良好教学效果，我们改革了一些不合理的课程内容与教学方法，补充了必要的新理论、新技术、新方法，完善了课程内容与教学方法。同时，也结合专业要求和市场发展前景，培养学生技术创新、工具手段革新和理论创新的意识，为今后的科研与生产实践夯实基础。

2.2 突出重点，兼顾其他

2.2.1 突出工程地质基本理论授课重点

工程地质基本理论是《工程地质分析原理》课程教学的重点和基础。如果把地质环境比作有机体，则工程地质基本理论主要由3部分组成。一是工程岩土学，对应于有机体的生理特征，二是工程地质分析原理，对应于有机体的病理特征，三是工程地质勘查，对应于有机体的诊断。工程地质分析原理主要是分析工程地质所涉问题赖以产生的地质条件、力学机制及演化规律，目的是作出稳定性和安全性评价，提出可行的防治办法。只有充分掌握该门课程的内容、理念和分析思路，才能为后续的工程地质勘查提供理论参照和技术支持。

在教学过程中，我们尝试运用人体解剖学原理引导学生建立仿生学思维（李富德等，2013），把仿生学所涉形态、功能、视觉、结构（姚江，2014）与岩体的形态、功能、能量传输、结构相联系（表1），引导学生对具体工程地质问题进行具体分析，达到活跃学生思维，培养学生创新意识的初衷，进而脉络清晰地研究工程岩体的各种问题，实现科学思维朝工程建模的转变。

2.2.2 开展人文现象分析 促进工程地质问题解决

在工程地质问题的分析过程中，我们适当开展了人文现象分析，籍此促进工程地质问题的解决。大家知道，岩土体的抗压能力远超抗拉能力。当斜坡岩土体的坡面形成之前，坡面是受到上覆荷载限制的，处于压性力学状态，是相对稳定的，但是一旦上部荷载撤除（即斜坡岩土体被切削后），则坡面上就会形成一个自由临空面，随之就会产生膨胀回弹，张性力学状态占据主导地位，致使岩土体不稳定。犹如人文环境下，人们的自由是受社会道德和法律约束的，不能无限制要求自由，更不能超过限度。面对困难和压力，人们容易变得坚强，然而一旦一帆风顺，部分意志薄弱者就会缺少自我克制，放任骄傲自大，最后必然会出现堕落，甚至面临灾难的深渊。自然犹如人文，斜坡岩土体最应注意的不是原始上覆荷载体，而是施工后产生的自由临空面（坡面），应特别注意自由临空面形成后的可能隐患，提前具有防范意识，采取预防措施，确保斜坡岩土体的稳定。

2.3 理论联系实际，增强感观认知

教学中，不断积累各种工程地质问题案例，向学生介绍广泛而普遍出现的工程案例，籍此加强学生对有关地质工程知识点的理解，继之开展野外现场的工程实践，理论联系实际，增强学生的感观认知。对大一学生，以课堂讲授为主，辅以工程类画册或读物的阅读，以及开设工程地质问题专题研讨课、工程基地现场的课间实习等方法，把学生引进工程地质大门，培养学生兴趣，提升学生视野。我们还因地制宜，通过身边工程案例的观察与分析，提高学生对工程地质原理的掌握，培养问题解决的能力，很受学生欢迎。例如，农村的土路路面经常出现雨季的泥泞和晴天的车辙，过往的车轮与穿梭的牛羊无不在此路面留下各自的印记，印记的产生和消失过程体现了土体稳定性受控于含水率、外荷载等条件。再如，农村小河上的砖混结构拱形桥，看似简单，其实内涵丰富，涉及控制桥体和桥基稳定性的通用规律和机理。在现场，我们在基本原理介绍的基础上，循序渐进地提问学生，这里的桥基应该如何处理？应该采用什么材质？桥洞是采用圆拱形，还是圆拱加矩形的结构？丰水期水流作用于桥墩的流动荷载是否超出桥墩的承载力？怎样提高桥体的耐久性？通过生活中诸如此类常见的简单工程案例观察和思考，凸显了理论联系实践的重要性，既讲授了道、桥、隧基本工艺和稳定性分析原理，又让学生面对生活中的工程实体而不停思维，既掌握了工程建设的思路和初步技能，又展现了《工程地质分析原理》课程的民生特色，使学生获得了生活的乐趣。

2.4 教学方法采用“传递接受—陶冶领悟”

课堂上，工程地质的理论讲解容易出现照本宣科的现象。为改变这种现象，我们在传递接受式（孟群，2018）的理论讲解过程中突出了理论的应用功能，引导学生的思维贴近日常生活中所遇见的工程地质问题。与此同时，选择合适的工程基地现场，以课间实习的方式使学生身临其境，陶冶并领悟（孟群，2018）基本原理在现实工程中的应用，提高学生对此核心课程的兴趣和喜爱。我们还在教学中将理论知识分解成多个专题，指导学生在课下广泛阅读，搜集整理，分析总结，并安排学生演讲报告并互相讨论。据此提高了师生互动性，激发学生的创造性思维。

2.5 课程考核采用理论知识笔试与实践能力相结合的计分法

《工程地质分析原理》这门课的考核采用综合计分法，体现理论与实践相结合。总分由四部分组成：（1）理论知识笔试，包括学期末考试和期中考试，占比30%； （2）学习态度，包括课堂提问与回答、工程地质文献阅读与整理总结（图片资料和文字表述），占比20%；（3）逻辑思维能力和表达能力的考核。在规定的时间内，学生介绍自己所做的工程地质方案，介绍其工程地质问题，阐述工程地质问题的形成机理，此部分占比20%；（4）实践动手能力的考核。通过操作实验设备，展示和介绍样品制备和测试过程，提供现象分析和问题解决方案的文字报告，此部分占比30%。通过这四方面的考核，一些优秀生脱颖而出。

2.6 教学资源建设多元化

以多元化的理念对《工程地质分析原理》课程施行一系列的教学资源扩充。多渠道引进并整理文字资料及视频资料（包括反映工程地质问题或工程地质条件的文献资料、反映灾害现场动态过程的影视资料、用于考核之用的试题库等）；逐步完善室内试验设备的配置，备足样品以满足学生室内动手试验的能力。同时，配置野外工程岩体作业现场和实验操作用的原位设备仪器以及采样制样的工具等。多元化的教学资源有助于学生对基础理论的理解，养成分析问题的清晰思维习惯，容易找到解决问题的灵感和突破口。

另外，师资力量是教学资源的重要组成部分。一人一课的教学模式是指由一个教师独自完成《工程地质分析原理》课程教学大纲的制定、授课计划的安排、课堂讲授、作业布置与批改，分散了该教师的精力，导致了深入研究部分专题的局限性。因此，我们对该课程的专题内容进行了模块化分割，分别是结构面控制下的坝基岩体渗流特性、地震形成机制解析、土木工程设计与防护措施；以此为基础，调配有限的师资与各个模块相对应，发挥各位老师的专长和行业技能，引导学生进行模块化学习和实践；采取该措施以后，我们取得了建设性效果，使学生在学习过程中思路更广，技术应用经验更全面，为将来从事专业科技工作打下良好基础。

3 面向地质工程专业学生的体会和建议

大三是大学生课堂教育的尾声阶段，也是每位学生成长的里程碑。作为工科学生，他们不断在思考的是：今后如何在社会立足？能为社会做什么贡献？如何实现自我目标？只有想清楚这些问题后，才能给自己定好位，制定自己人生的目标。

3.1 端正专业态度

虽然在一些学生中存在消极的专业认知，但大多数人是把自己所学专业技能作为今后相当长时间内维持生存的基本技能。一些人根据短时间区内从业得失议论专业好坏，但多数人能用长时间尺度树立自己的专业精神，辩证地理解人生的道理。诚然，从事专业研究不一定能给从业者带来丰厚的经济利益，但基本生活要求肯定能被满足，而且会有隐形的巨大社会价值和人生意义。

每个地质工程专业学生在成长过程中必然面对各种困难和坎坷，多数人会经过实践磨炼逐渐成熟，不断进步和发展。对于大一新生，他们对专业的认知往往处于懵懂状态，对于大二和大三学生，多数处于模糊认知阶段。对于从业多年、历经沧桑的专业工作者，由于他们具有宽广的知识面和丰富的实践经验，对专业的认知往往具有较高的社会价值和长远的发展视野。世上无难事，只要肯攀登，在攀登过程中，必须具有坚忍不拔的意志，具有不畏艰辛、克服任何困难的勇气，坚持不懈，永不放弃，必能到达无限风光的峰顶。

因此，在地质工程专业的高等教育过程中，需要给学生一定时间，让他们在不断学习和不断实践的进程中不断思考，逐渐端正专业态度，逐渐热爱专业，明确职业方向，为国家为社会奉献自己的一生。实践表明，我们的专业教育是成功的。近年毕业的学生都能安心工作，努力奋斗，不少学生取得了很好的业绩，得到从业单位的普遍好评。

3.2 修习地质工程专业是标志性历程

标志性历程是指学生从在校专业学习直至走入社会的过程中形成适应社会经济发展需要，符合内心诉求，有利于自身生存和发展的专业认知素养和外在气质。具有鲜明的专业特色，是体现个人技能积累过程和应用水平的重要标志。作为地质工程专业的学生应该热爱专业，具备坚忍不拔的专业意志，立足当下，脚踏实地，圆满完成专业修习，满怀热情地迎接人生新起点。热爱专业，学好专业技能，坚守岗位不动摇，有助于人生的成长与工作进步，有助于专业成就的取得，实现自己的人生目标，做一个有利于国家、有利于社会、有利于人们的人。

4 结语

（1）地质工程专业的教学内涵宜适当调整，适合所在学校的特色和发展方向，体现其服务国家与社会需求的思想与发展思路。

（2）地质工程专业关注的焦点是修复和改善民生环境，实现自然修复的功能。

（3）地质工程专业教学应以学生为本，教学理念和教学内容需要与时俱进，不断革新与发展。通过文化性（做人）、 技能性（做事）、专业性的耐心教育和引导，培养和树立学生的专业自信，把握学科方向，建立学习目标，设定人生规划，落实具体的可行性方案。既让学生认同祖国建设的成就和发展方向，又让学生充满对未来从业和生活的期望(目标感、获得感、幸福感)， 奠定为国家为社会做贡献的精神基础。

（4）我们的教学实践表明，根据我校特点和专业发展方向建立起一个完善的地质工程学科体系的目标是可行的，所采取的教改措施是行之有效的，提高了教学质量，得到了同学们的普遍欢迎。