“显微构造地质学”课程建设与发展

徐海军，彭松柏，王永锋，徐先兵，章军锋

中国地质大学（武汉） 地球科学学院，湖北 武汉 430074

显微构造地质学属于构造地质学分支，学科知识涵盖构造地质学、结晶学、矿物学、岩石学、年代学、岩石力学和岩石物理学等学科，是一门多学科交叉的前缘学科。它主要以岩石内部的小型-微型-超微型构造为研究对象，借助光学显微镜、电子显微镜和高能射线衍射等技术方法，解析矿物和岩石的显微构造特征、成因机制、形成过程和形成条件，探讨地质构造和岩石圈形成与演化的过程与规律。显微构造地质学的起源可以追溯到19世纪中后期，即偏光显微镜和费氏台（Universal Stage）的发明及其在地质学中的应用。1930年，奥地利学者桑德尔（B.Sander）出版专著Gefügekunde der Gesteine（《 岩 石 组 构 学 》），系统阐述变形岩石的组构、分析方法和解释原则，标志着显微构造地质学作为一门独立分支学科的出现。90多年来，显微构造地质学的测试分析方法和技术不断更新和完善，研究范围和领域也不断被拓展和深化[1]。

面向地质学专业本科生和研究生开展显微构造地质学的教学工作，不仅可以拓展学生的视野、增强专业知识和技能学习，而且有助于吸引和培养后备人才，推动相关学科领域的健康发展。我国显微构造地质学的研究与教学工作始于20世纪30年代，何作霖、王嘉荫和池际尚等率先开展显微构造地质学的相关科研和教学工作，积极推动学科发展。20世纪70年代以来，显微构造在我国取得快速发展，许多高校地质系都开设了相关课程，在基础地质研究、矿产开发和工程地质等方面得到有效应用[2-4]。近年来，电子背散射衍射（EBSD）等测试分析方法和技术不断更新完善和广泛应用，显微构造地质学的研究领域不断被拓宽和深化，面临学科快速发展的重要契机。

中国地质大学（武汉）地球科学学院组建“显微构造地质学”教学团队，主要面向地质学专业高年级本科生和研究生开展课程教学。如何建设好“显微构造地质学”课程，在本科生和研究生中普及显微构造知识，吸引和培养显微构造研究领域的后备人才，是一个重要教学议题。本文基于“显微构造地质学”课程建设的实践，在课程目标、教学内容和教学方法等方面提出一些想法和建议。

一、课程定位与目标

随着科学技术的发展，现代地质学的观测范围得到很大拓展。一方面利用空间大地测量技术，可以从全球范围和板块尺度整体上观测研究构造现象，探讨岩石圈和大地构造演化；另一方面利用光学显微镜、电子显微镜、X射线和中子射线等微区观测方法，可以从微米到纳米尺度研究岩石和矿物内部结构，探讨微观变形机制和过程[1-2]。2002年，美国基金委地球科学部主持研讨并发布白皮书New Departures in Structural Geology and Tectonic（《构造地质学和大地构造学的新起点》），提出了构造地质学重要研究进展和未来的发展方向，进一步明确利用先进研究方法，对地球构造地质开展多学科、多角度、多尺度和多层次的系统研究[5]。2018年，美国构造学界发布愿景报告Challenges and Opportunities for Research in Tectonics（《大地构造学研究的挑战与机遇》），提出未来研究的新视角、新思维和新观念，强调拓展构造地质学研究的时空尺度，发展流变学和数值模拟等领域的新理论、新方法和新仪器，从思维视角、纳米到全球尺度探索行星系统演化。

构造地质学是地质学骨干二级学科之一，主要研究固体地球中地质体的几何形态、组合形式、时空分布、形成机制、演化规律和动力学过程。构造地质学研究集中在地壳和岩石圈上部，所涉及的时空范围广泛。时间跨度从古老造山带几十亿年到第四纪以来的新构造和地震地质构造；空间尺度从板块和造山带到电子显微镜尺度的矿物内部变形。依据研究和教学侧重点差异，构造地质学科设计的主要课程包括构造地质学、板块构造学、大地构造学、显微构造地质学、解析构造学、岩石流变学、地震地质学和构造年代学（图1）。

图1 构造地质学科的课程体系

显微构造地质学作为构造地质学科的重要分支之一，近年来发展势头较好，国内很多高校地质系和研究院所相继引进从事显微构造研究方面的科研和教学人员，配置了不同程度的显微构造研究和教学平台。“显微构造地质学”课程设置的初衷源于构造地质的学科发展需求，即按照“国家-学校-教师”的科研发展和人才需求，为地质学专业的本科生和研究生拓展研究视野，传授有关显微构造基础知识和技能，吸引和培养潜在人才。因此，“显微构造地质学”课程建设和发展的核心在于人才培养，一方面在于组建稳定的高素质教师队伍，另一方面在于培养和输出高质量人才，借助课程教学平台促进双方面人才健康成长。

学以致用是教学的根本目标，即让学生从学知识，用知识，到创造知识（图2）。通过课堂讲解，任课教师向学生传授显微构造地质学的基础理论知识，让学生逐渐熟悉该学科领域的理论和方法；通过实习课程，引导学生利用光学显微镜对手标本和岩石薄片进行观察描述分析，让学生从实践环节理解和掌握理论知识；通过经典研究实例介绍和分析讨论，引导学生理解如何运用显微构造地质学专业知识解决地质科学问题，让学生理解如何学有所用；通过开放性问题互动探讨，引导学生结合已有专业知识背景和已开展的科研立项工作，思考如何利用显微构造地质学的研究理论和方法解决科学问题，让学生今后学习和工作中创造性运用所学知识和技能。

图2 “显微构造地质学”的课程目标

二、教学平台支撑

教学平台和教学条件是课程建设和发展的基础，是完成课程教学、提升教育教学质量的保障。教学平台支撑涉及多个方面，包括教师队伍、教材、实习平台和网络教学环境等。

1.教师队伍

教师是立教之本，兴教之源。教师在课程建设和发展中起着主导作用，是教学目标的制定者，课堂教学的设计者和实施者，教学活动的引导者和监控者。组建一支规模稳定、业务精湛、结构合理、充满活力的高素质专业化教师队伍，不仅对学生的全面进步与发展具有重要的影响，而且也是保障课程长期稳定发展的根本。

显微构造地质学是一门多学科交叉的前缘学科，不仅需要讲授课程基础理论知识，还要介绍最新测试分析方法，并引导学生完成课程实习。课程建设和发展具有系统性、动态性、持续性和长期性的特点，一方面需要继承、积累和梳理已有的教学经验和成果，另一方面需要紧跟学科发展动态、不断改进和更新教学知识体系。因此，必须重视显微构造地质学教学团队建设，优秀团队能够引导和激发集体智慧，继承和发展课程文化、课程知识体系和教育教学思想。教学团队的人数一般稳定在6～8人较为合适，人员结构应该考虑教师年龄、职称、研究方向和科研教学经验，建立“传帮带”机制，通过定期组织教学研讨、集体备课和科研交流等活动，协力营造教学团队文化，相互促进显微构造地质学的相关研究和教学工作。

2.教材

教材集中体现教学目标、教育教学思想和教学内容，是课程建设的重要载体和关键环节。加快一流大学和一流学科建设，实现高等教育内涵式发展，离不开高水平的教材建设。表1按照时间顺序列举了“显微构造地质学”的主要参考书籍。1930年，奥地利学者桑德尔（B.Sander）出版专著Gefügekunde der Gesteine（《岩石组构学》），是显微构造地质学领域的第一本专著。随后，国外学者相继编著几本显微构造方面的书籍，介绍理论知识和技术方法。20世纪70—90年代，何作霖、池际尚、王嘉荫、张保民、刘瑞勋、许志琴、金振民、钟增球、林传勇、吴香尧、何永年、姜光熹和胡玲等翻译和撰写了大量有关显微构造理论知识和研究方法的专业书籍，对我国显微构造地质学发展起到重要作用[1]。从书籍出版的时间轴上看，中文版参考书在1977—1981年和1983—1991年有两个出版高峰期，2000年以来中文版参考书更新乏力（表1）。

表1 “显微构造地质学”课程的主要参考书籍

中国地质大学（武汉）开设的“显微构造地质学”课程，主要面向地质学专业三年级本科生，共设置32学时，包括课堂讲课20学时和实习课12学时[4]。目前，学生没有指定的教材，推荐的主要参考书有三本：胡玲编著的《显微构造地质学概论》（1998年）[6]，C.W.Passchier和R.A.J.Trouw编写的Microtectonics（ 2005年第二版）[7]，胡玲等编著的《变形显微构造识别手册》（2009年）[8]。这些参考书籍基本涵盖了显微构造地质学的教学知识体系，对于课程的教学内容设计具有重要参考价值。实际教学过程中，我们简要介绍了国内外最新研究方法和进展，推荐给学生一些电子版本专业书籍、综述文献、幻灯片、软件和录像资料，让有兴趣的学生深入自学，了解显微构造发展历史和最新进展情况。

近20年来，随着各种微观分析方法的发展和广泛应用，显微构造地质学领域的研究取得了很多进展。目前，中文教材建设滞后，已经成为影响“显微构造地质学”课程发展的瓶颈，亟待解决，需要国内同行尽快编写适合本科生和研究生学习的显微构造地质学专业书。

3.实习平台

显微构造地质学的研究对象主要是各种小型-微型-超微型构造，这些显微构造现象往往是经历长期地质演化的矿物和岩石所记录下来的最终产物，涉及复杂的地质时空演化和环境条件，具有多样性、复杂性和多解性等特点。引导学生观察描述典型显微构造现象，解析其成因机制、演化过程和形成条件，是“显微构造地质学”课程教

学的关键所在。因此，“显微构造地质学”课程设计中安排有重要的实习环节，包括岩石定向薄片制作、光学显微镜观察和岩石组构测试分析等[3-4,9]。构建完善的实习平台涉及各种软硬件配套设施，是“显微构造地质学”课程建设的难点。

教室建设方面，需要配置多媒体和教学显微镜，以满足师生共同观察典型显微构造现象的需求。按照教学班级人员构成，通常需要配置35台左右的偏反光显微镜，让每个学生都能够独立使用光学显微镜鉴定描述和分析典型显微构造现象。在此基础上，可以建设显微镜多媒体互动教学系统，开展课堂实时分享和互动讨论。智慧教室是智慧学习时代和学校信息化发展的必然趋势，体现在内容呈现、环境管理、资源获取、实时互动和情景感知等五个方面，具有高清晰、深体验和强交互的特征[10]，非常适合“显微构造地质学”课堂教学，是值得重点建设的平台。

构造岩标本和岩石薄片是“显微构造地质学”课程实习的主要对象，是各种显微构造现象的载体。常见的显微构造现象包括显微破裂、机械双晶、扭折带、S-C面理、矿物鱼和亚颗粒等20多种[3]，涉及多种矿物和岩石类型。因此，标本收集和制作非一日之功，是显微构造课程建设中需要长期关注和积累的，需要借助教学团队以外的师资力量共同建设。当前情况下，任课教室团队需商讨选择哪些典型构造岩标本，尽可能全面展示不同类型岩石的显微结构，并制作满足35人实习所用的手标本和标准光学薄片。

教学实验室是“显微构造地质学”课程的重要实习平台之一，可以引导学生观摩显微构造标本制作和测试分析流程，让学生实习课有参与感和获得感，培养学生的动手能力、学科兴趣和科研素养。中国地质大学（武汉）地球科学学院有较为完善的磨片室和扫描电镜实验室。“显微构造地质学”课程设计了定向薄片制作和EBSD组构测量分析两方面的实习内容，选择一些经典岩石标本（例如地幔橄榄岩、长英质糜棱岩），引导学生亲自动手磨制岩石标准薄片，并选择少量样品利用EBSD进行测量分析。实际操作中，鉴于实验室空间有限、学生人数较多，可以分组分批实习。

4.网络教学环境

随着信息技术和网络的快速发展，“互联网+”对教育资源、教育机构、学习模式和教学模式等教育要素带来深刻影响，改变了现代教育理念和模式[11]。教育资源逐渐向网络开放，涌现慕课（Massive Online Open Course，MOOC）、 酷课（Corporate Online Open Course，COOC） 和私播课（Small Private Online Course，SPOC）等众多基于网络的在线课程。中国大学MOOC（慕课）国家精品课程在线学习平台，构建了千余门在线开放课程，吸引大量师生。新冠肺炎疫情期间，教育机构和师生广泛开展在线教学活动，一方面借助腾讯会议、钉钉、Classin和ZOOM等软件开展线上教学，一方面通过建立QQ群、微信群和公众号开展互动。学生的学习模式和习惯也发生改变，通过手机、平板和电脑等终端主动接入网络教学平台，借助在线课程和网络教学资源开展自主学习活动，并增强了师生之间的在线互动交流。

“显微构造地质学”课程的内容包含大量显微构造现象，有许多精美的图片[7-8]，借助网络平台可以全面系统地进行展示，弥补和拓展线下课堂教学内容。目前，“显微构造地质学”的网络课程建设环节相对薄弱，还没有专门的网络在线公共课程。今后，需要关注“显微构造地质学”课程的网络教学环境建设，教学团队在整理现有教学资源的基础上，逐步完善显微构造现象的图片和视频数据库，并借助网络平台进行展示。此外，教学实践过程中，可以建立师生互动群，采用线下教学和网络学习相融合的方式， 引导学生利用网络资源自主学习。

三、课程内容设计

课堂教学是大学育人的主渠道，学生和教师是课堂主体，教与学是课程教学的中心。教书育人相辅相成，教书让学生实现“认知、通晓、践行、创造”四阶晋级，育人让学生实现“知识、能力、智慧、人格”思维健全发展[12]。教师，要考虑教什么，怎么教；学生，要考虑学什么，怎么学[13-14]。因此，课程内容设计对于教与学非常重要，是践行教与学的承载体。“显微构造地质学”课程分为课堂讲课和实习两个环节：课堂讲课以教师为中心，侧重理论知识传授；实习课以学生为中心，教师引导学生动手实践。教学内容可以划分为绪论、基础知识、技术方法、显微构造现象、实例观察、实际应用和实习操作等环节（图3），让学生懂知识、能实践、会思考。课程教学过程中，教学团队需要综合考虑任课教师专业特长、课程学时数和实习条件等因素，以讲解基本概念、基础知识和基本技能为主，选讲典型显微构造现象和应用实例，引导学生主动学习和独立钻研问题。

1.绪论

绪论是课程正式教学开始的前沿课或简介课，旨在交代课程形成与发展的来龙去脉、知识结构体系、学科特色、发展现状和前景等，是不可或缺的教学环节。一般来说，绪论课学生听课率高，讲好绪论课可以让学生把握课程全貌，让学生觉得学习该课程有趣、有谱、有用[13]。“显微构造地质学”课程绪论的内容至少应该涵盖学科内涵、学科特点、思维方法、课程内容和学科历史与发展几个方面（图3），任课教师应该站在地质学科整体发展的高度，高屋建瓴地介绍显微构造地质学形成与发展历史、课程定位、学科内容与特色、功能与意义和现状与前景等，同时介绍课程重点、要求、学习方法和教学安排等。

图3 “显微构造地质学”的课程内容

历史是最好的教科书。显微构造地质学科的创立可以追溯到1930年，奥地利学者桑德尔对岩石中组构要素进行研究和总结并出版专著。何作霖最早将桑德尔显微构造的研究方法介绍到中国，并命名为“岩组学”。随后，王嘉萌、池际尚、刘瑞勋、何永年、林传勇、张保民、金振民、许志琴和胡玲等人开展显微构造研究，翻译国外经典著作和编写教材，推动了我国显微构造地质学事业的快速发展[1-2,15]。绪论章节，给学生讲述显微构造地质学起源和国内外发展历程，不仅可以让学生了解学科诞生根源和学术背景，而且能够从历史发展角度把握学科发展脉络。尊重历史，树立学科自信心和责任感，方能继承之，并发扬光大。

2.理论知识

显微构造地质学与结晶学、矿物学、岩石学和流变学等学科密切关联，学习好该课程需要具备上述专业基础课核心知识点。因此，“显微构造地质学”课程可以作为专业选修课程，面向高年级本科生和研究生。建议定在三年级上学期开课。一则学生刚上完“构造地质学”和“岩石学”等专业基础课，知识有一定储备；二则部分本科生已经开始参与科研工作，有一定科研测试分析需求。理论知识涉及面较广，建议重点讲授位错理论、变形机制、岩石组构和构造年代学基础知识（图3）。考虑到学时数限制，相关基础理论知识讲解过程中可以结合橄榄岩等典型实例展开，即借助地幔橄榄岩位错缀饰薄片讲解位错理论、位错类型和研究方法，通过长英质糜棱岩和橄榄岩等经典研究实例讲解岩石脆性变形和塑性变形机制、类型和形成条件极其地质意义。此外，可以讲解构造年代学和岩石物理学基础知识，拓展学生知识点，引导学生利用显微构造研究理论和方法解决交叉学科的科学问题。

3.技术方法

科学与技术是辩证统一体，科学是技术的升华，技术是科学的延伸。“显微构造地质学”课程的产生和发展与测试分析的方法和技术密切相关，给学生讲授现代测试分析方法有助于其学以致用，快速融入科研训练环节。从“显微构造地质学”课程来看，其涉及的主要技术方法包括光学显微镜、费氏台显微镜、扫描电镜、透射电镜、阴极发光、X射线衍射、中子衍射、计算机断层扫描（CT）、电子背散射衍射（EBSD）和分形维数计算等（图3）。

近20年来，装备在扫描电镜上的电子背散射衍射（EBSD）方法日臻成熟，它通常与能谱仪（EDS）集成在一起，可以同时获取微观形貌、结构和成分信息，具有高分辨率、自动化程度高、快速准确、数据统计性和扩展性好等优点，是地球科学和材料科学领域显微构造和组构研究的革命性方法。2006—2009年，国内地质学界对EBSD方法及其在地质学中的应用进行了综述介绍[1,16-18]。考虑到课程学时限制和学生今后发展，建议简要介绍其他研究方法，重点介绍EBSD方法及其在地质学中的应用实例。

4.显微构造现象和实例

显微构造是指岩石内部小型—微型—超微型几何要素、矿物及其集合体的空间排列[8]，也是“显微构造地质学”教学和研究的主要对象。“显微构造地质学”的教学目标之一，就是引导学生观察一些典型的矿物和岩石标本，让学生能够认识常见的显微构造现象，能够做出正确的描述和分析。然而，常见的显微构造现象包括显微破裂、机械双晶、扭折带、S-C面理、矿物鱼和亚颗粒等20多种[3]，涉及多种矿物和岩石类型（图3）。在有限的学时里，无法全面讲解所有的显微构造现象和实例。实际教学过程中，可以重点围绕橄榄岩、榴辉岩、麻粒岩和长英质糜棱岩几种岩石，理论讲解与课程实习相结合，强调观察描述的基本原理，通过互动讨论和实习报告等形式让学生掌握客观描述和规范记录一些典型显微构造现象。

5.实习

“显微构造地质学”重视实习环节[3-4,9]，要求学生有一定的动手能力。实习内容可以结合理论课进行设置和调整，重点放在光学显微镜下的观察描述环节，适当选择手标本观察描述、定向光学薄片制作、分形维数计算、EBSD组构测量和典型矿物组构分析等（图3）。

根据课程安排，实习环节的学时数通常超过1/3比重，但是仍然十分有限。根据我们的教学经验，可以带学生对手标本定向、磨制标准光学薄片、光学显微镜下观察描述和简单EBSD数据分析。以样品处理为例，如何选择代表性样品，如何确定面理和线理，如何制作满足测试分析的薄片样品，对于显微构造研究非常关键。手把手引导学生对地质标本进行定向并制备显微构造样品，不仅能够让学生有课程参与感的切身体验，而且能够培养学生动手能力，有利于今后顺利开展本科实习和研究生科研工作。

6.应用

大学课堂讲授知识，不仅在于知识的传承，更在于知识的创新。学生能够学以致用，能够践行和创造知识，是课程建设的最高目标[12]。与其他地质学科相比，构造地质学对学生综合分析和时空思维能力要求较高。“显微构造地质学”教学过程中，可以通过研究实例引导学生思考科学问题的提出和解决过程，培养学生时空思维，理解宏观与微观、内因与外因、局部与整体、地震与造山等关联性。此外，可以通过样品观察描述和数据分析，引导学生归纳和对比分析显微结构定量与定性数据。借助开放性问题互动，引导学生思考如何将显微构造地质学的理论和测试分析方法用到本科生立项和研究生论文研究中，解决一些实际的地质学问题。启发学生，学科和课程有边界，研究思维和方法是没有边界的。

应用环节是课程知识和技能的综合运用，涵盖了基础理论、学科思想、测试分析方法和创新思维，是学以致用的综合体现。显微构造地质学是一门交叉学科，可以与矿物学、岩石学、地球化学和地球物理等学科交叉，可以应用于应变测量、应力分析、运动方向判别、变形条件分析、变质变形历史分析和计算地震波各向异性等方面（图3）。在课程中穿插讲解一些应用实例，学生不仅可以理解显微构造研究的具体过程，而且可以了解显微构造地质学科领域的前沿动态和重要价值。

四、结语与展望

显微构造地质学是构造地质学的重要分支，在地质研究中不可或缺，需要开展面向本科生和研究生的相关课程。20世纪70年代末到90年代初，显微构造地质学在我国获得较大发展，取得令人瞩目的教学和科研成绩。近20年来，电子背散射衍射（EBSD）和微区原位测年等技术方法被广泛用于显微结构研究，为显微构造地质学发展注入强大动力。国内从事构造地质学教学和科研的科研院所，应该抓住新时代机遇，重视“显微构造地质学”课程建设，开展面向本科生和研究生的相关教学活动，共同推动显微构造教学和研究的发展，为我国地质学事业全面发展做出贡献。

课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量。为全面振兴本科教育，教育部于2019年相继发布《关于一流本科课程建设的实施意见》和《普通高等学校教材管理办法》，着力推动高校高等教育教学改革和课程建设。“显微构造地质学”有良好的历史传承和底蕴，课程建设和发展的潜力较大。对于“显微构造地质学”的课程建设和发展，我们提出以下几点思考和建议：（1）显微构造与组构专业组主办研讨会，定期组织科研和教学研讨，促进人员交流，引领学科发展；（2）介绍显微构造地质学研究的新理论新方法和新仪器，推广电子背散射衍射（EBSD）和微区原位测年等技术方法的应用研究；（3）高等院校组建长期稳定的教学团队，以高素质教师队伍和高水平科学研究带动显微构造地质学科建设和发展；（4）积极推进教材建设，组织编写高质量教材，梳理基础理论知识，追踪学科前沿发展动态；（5）共建实习和实验平台，逐步完善显微构造实物标本库，构建满足课程实习的教学实验室，同时联合科研平台共享测试分析实验室；（6）建设网络教学资源平台，完善课件、图片和视频等电子资源数据库，筹建慕课课程，借助公众号等网络平台推广学科知识、促进学科建设。