依托构造物理模拟实验室的“地史学”实验教学改革和成效

李 伟，吴智平，沈一新

（中国石油大学〔华东〕地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

引言

作为高校实践教学和科学研究中至关重要、必不可少的组成部分，实验室建设是培养学生动手实践能力和提高思维创新能力的有效手段［1］。目前我国部分高校在本科教学过程中存在“重理论、轻实践”的现象，实验教学在高校课程体系中一直处于从属位置，在一定程度上影响了大学生实践动手能力和创新精神的培养。中国石油大学（华东）始终坚持以人才培养为本，走“以特色创一流”的内涵式发展道路，重视高水平实验室建设和科研创新人才培养。地质学专业、资源勘查工程专业是我校首批入选国家级一流本科专业的国家级特色专业，实验室建设作为争创“双一流”的有力支撑之一，发挥了至关重要和不可或缺的作用。其中，依托构造物理模拟实验室的建设与改革，地质学专业和资源勘查工程专业本科实验教学在创新人才培养方面取得了一定成效，为“双一流”学科创建发挥了重要作用。

一、构造物理模拟实验建设及职能

我校构造物理模拟实验室建设始于20世纪末，最早由教师自行设计模型并由学校仪表厂负责制作完成。2011年依托山东省高校盆地分析与油气储层地质重点实验室和油气资源与探测国家重点实验室建设，以及“山东省地质学专业核心课程教学团队”建设，补充了大量实验仪器，对原有实验室进行了改造升级。2016年依托国家科技重大专项，由山东省深层油气重点实验室、山东省地质学专业核心课程教学团队多位教师设计，青岛石大石仪科技有限责任公司制造完成了多功能构造物理模拟实验装置。该装置由可变形的砂箱系统、图像数据采集系统、动力加载与位移监测系统等组成，能够实现多期次、多性质、多方向构造作用的叠加复合模拟，满足构造地质学半定量-定量研究的需要，同时在实验过程中可以动态监测构造变形的平面、剖面特征，整体优于目前国内外现有构造物理模拟实验仪器。

二、依托构造物理模拟实验室的本科实验教学改革

伴随近年来国内陆上油气勘探程度的不断提高，加之近年来油价持续下跌的影响，石油行业对毕业生的需求有所减少，就业形势严峻。用人单位对毕业生的要求越来越高，除了以往的学生理论课成绩之外，更加注重学生的动手实践能力，这就对高校人才培养提出了挑战和更高的要求。依托“双一流”建设的良好契机，中国石油大学（华东）积极向研究型大学目标转型，力争打造国际一流石油学科，学校大力推进本科教学理念和方式改革，进一步创新人才培养模式，提高人才培养质量，强化实践和实验教学是其中的重要环节和组成部分。

（一）“地史学”本科实验教学的现状及存在问题

“地史学”是我校地质学、资源勘查工程专业本科生必修的一门综合性较强的专业课程，课程学习建立在学生对“矿物学和岩石学”“沉积学”“地层学”“构造地质学”“古生物学”等专业基础课和必要的野外地质实习基础之上。通过课程学习，要求学生掌握地层学、岩相古地理学和历史大地构造学的基本概念和研究方法，了解各地史时期的古生物特征，掌握中国各地质时代标准剖面、岩相古地理格局、古构造演变历史及其与成矿作用的联系，掌握岩相古地理图、古构造图等基础图件的阅读和编制方法，进一步培养地质逻辑思维和分析问题、解决问题的能力。与其他专业必修课程相比，“地史学”综合性强、信息量大、易混淆知识点多，是涉及多方面知识的综合性学科［2］。笔者自2008年以来至今一直从事地质学和资源勘查工程专业“地史学”的本科教学工作，通过与授课学生的交流，并结合对毕业生的随机访谈发现，相当数量的学生在课程结束后对所学知识并不能很好地消化吸收、牢固掌握，甚至在较短的时间内就忘记或者混淆了，而对于笔者所认为的本课程的主要教学目标——培养学生综合各类地质资料分析地质发展史的思维和能力，更是难以达到。

目前“地史学”的教学以课堂授课为主、实验教学为辅，课堂授课占据了主要地位和绝大部分的时间，而仅有3次实验课，主要针对不同地质时期古生物化石和地层标本的观察描述。笔者结合近年来的教学和科研工作，认为即使学生在课上接受的理论再多，如果没有经过实验室、实际操作的训练，理论知识也无法有效地转化为动手实践能力。尤其是地史学学习、研究的核心内容之一的地质历史时期的大地构造背景与格局，是控制和影响地层时空展布特征、沉积古地理格局的主要因素，是揭示地球形成以来各阶段的地史特征的关键。目前对大地构造格局的研究多是基于抽象的理论分析，学生难以直观地观察构造格局的动态演化过程，从而限制了学生的空间想象能力，进一步导致学生的动手实践能力和创新能力难以得到培养和锻炼。

（二）“地史学”实验教学改革与实践

近年来，中国石油大学（华东）大力推动国家级一流本科课程建设，在本科教学工作中推广研究型教学方法改革、混合式教学方法改革、教学实验技术改革，重点培养和提高学生的动手实践和创新能力。在此背景下，本科教学实验室与科研实验室有机结合、协同发展，可以有效促进本科实验教学改革，提高本科实验教学水平。依托构造物理模拟实验室，2016年笔者针对“地史学”课程进行了研究型课程教学改革，对教学目标、教学方式进行了大胆改革，除了地史学基本的概念理论外，以建立地质思维、掌握研究方法、提高动手能力为根本目标。具体而言，主要针对各地质时期的地史特征，不再是传统的“教”，而是培养学生针对某一具体问题，能够设计研究思路与工作流程，学会通过收集、分析各类地质资料，自主开展研究并获取知识，还可以对结果的准确性进行评价和自我改进完善。并且在2018年修订了地质学专业“地史学”教学大纲，将实验学时由原来的6学时增加到10学时，其中4个学时用于针对不同地质时期古生物化石和地层标本的观察描述，6个学时用于构造物理模拟实验。

为了让学生进一步强化动手实践和创新能力，经过课程组讨论选取了较为经典、难度适中、具有代表意义的反转构造物理模拟实验。反转构造的形成演化充分体现了大地构造背景转变对地层发育展布、沉积古地理格局的控制作用，有利于学生掌握地史学所研究的基本内容，形成地质思维、掌握研究方法、提高动手能力。

针对6个学时的构造物理模拟实验，教师首先利用1个学时讲解构造物理模拟实验的基本思路、实验原理，介绍构造物理模拟实验仪器的操作流程和注意事项，反转构造的变形特征、演化过程及其对地层沉积的控制作用，提出实验目的及要求。学生利用课外学时进行文献调研，利用1个学时对教师讲解内容进行消化吸收，设计实验模型、选取实验材料、确定实验过程中力的加载方式，并与教师讨论进行可行性评价、实验结果预测。剩余4个学时以学生实验为主，地质学、资源勘查工程专业本科生每级共计3～4个班，每班25～30人，实验时每班分成3组，学生自行进行组内分工完成实验。构造物理模拟实验首先需要在实验砂箱铺设实验材料，实验材料通常选取松散石英砂，为了更好地观察实验过程、表征实验结果，对松散石英砂进行染色、分层铺设。为了更好地让学生理解反转构造的形成过程，实验时每个班不同的分组分别进行正反转构造和负反转构造的物理模拟，因此在加载模型受力时分为先拉张后挤压和先挤压后拉张两种方式，实验过程中学生可通过计算机对驱动控制系统进行设置。实验过程预计耗时2～3个学时，辅助系统自动对实验过程中的构造现象进行全程录像和拍照。物理模拟实验结果展示了正反转构造不同阶段的构造变形特征，拉张阶段以正断层发育为主，边界断裂处形成地堑、半地堑；挤压阶段正断层发生构造反转，转变为逆断层，在边界断裂处形成构造高部位。在完成实验的基础上，学生利用1个学时分析实验结果，与教师进行讨论，并根据实验结果分析沉积区和剥蚀区的迁移规律、地层的发育展布特征等，完成实验报告。

通过反转构造的物理模拟实验，学生可以直观观察地质历史时期上亿年内大地构造背景转变导致的构造、古地貌的变化，实现了地层学、沉积古地理学、历史大地构造学的有机结合。

三、实验教学改革成效

（一）培养学生的动手实践和科研创新能力

高校实验室作为沟通理论与实践的桥梁，是培养创新人才的摇篮和主战场，作用和地位举足轻重，受到了广大高校和学者的重视。

地质学专业本科生实验课程大多数为观察描述类实验，而构造物理模拟实验除了必要的教师讲解外，全程需要学生自己查阅文献、设计实验、动手操作、观察现象、分析原因，很好地锻炼了学生的动手实践能力。我校在以考查学生动手实践能力为主的全国大学生地质技能竞赛中获得了多项奖励，特别是近年来赢得了特等奖和一等奖，实现了自我突破。在动手实践能力得到提升的基础上，学生的科研创新能力得到了激发。近年来，我校大力支持和鼓励本科生申报和参加大学生创新创业训练计划，依托构造物理模拟实验室，先后获批并完成了《反转构造的选择性成因机制》《鲁西隆起节理特征及其与断层的关系》等国家大学生创新创业训练计划。有多名本科生参加教师的科研课题，在毕业设计期间分别开展了“不协调伸展作用的构造物理模拟”“东营凹陷扭张构造成因机制”“珠三坳陷斜向伸展作用下的先存断裂复活规律”等构造物理模拟实验，并撰写了相关学术论文。

（二）激发学生的学习兴趣和团队协作精神

尽管构造物理模拟试验已经相对较为成熟，但是在实际操作过程中，仍然会遇到各种各样的问题，可能出现与预期不同的结果，这就需要学生在实验过程中主动观察、思考，体验实验成功完成的喜悦，从而在潜移默化中激发了学生的学习兴趣。近两年的构造物理模拟实验课中，不少学生在实验课结束后都能够主动思考，提出一些自己的想法，如不同性质断裂的生长连接过程、不同伸展作用模式下对盆地结构的影响、走滑作用与伸展（挤压）作用的叠加改造等模拟实验，这些都是近年来地质学界研究的热点和难点，还有学生提出了将构造物理模拟实验与沉积水槽实验、油气运聚物理模拟实验相结合，从而实现构造—沉积—成藏的有机结合，表明学生已经能够主动思考问题，有效激发了学习兴趣。

构造物理模拟实验综合性强、工作量大，仅靠一个人的力量难以完成，需要多个成员进行分工合作，特别是在实验前期分别负责不同的任务，分工协作，任何一个步骤和环节出了问题都可能导致实验结果的不确定性。为了保证实验结果的准确性和可靠性，组内成员之间针对不同学生的兴趣和特长，分别布置任务，最后统一完成实验，分析实验结果，学生在实验过程中充分感受到了团队协作对优质、高效完成工作的必要性，充分意识到了个人作用对完成质量的重要性。

（三）促进了教学与科研的协同发展

专业课教学实验室的功能定位与基础课教学实验室有所不同［3］，更具综合性，除了再现课堂教学所讲授的相关内容，还应该具有服务科研的功能。教学与科研有机结合、相互促进［4］一直是广大教育工作者探索的课题。构造物理模拟实验不同于其他演示类、观察类实验，有其独特性，尤其当实验条件改变时会出现不同的实验结果，对实验过程、实验结果细致观察和认真思考后能够发现非常多的问题，其中不乏具有前沿创新意义的科研问题，这些问题不仅有助于激发学生的学习兴趣，还拓宽了教师的科研视野，促进了实验室的建设完善，目前构造物理模拟实验室在探索现有模拟实验装置的基础上，加入深部软流圈地幔作用对浅部地壳构造变形的控制作用实验模拟模块，实现深—浅构造作用复合对构造变形特征、演化过程控制作用的物理模拟，研制成功后，有助于学生更好地理解中国东部中生代和新生代大地构造背景转变对盆地构造—沉积—地层的控制作用。

结语

科研实验室是高校科研工作的主要平台，不仅在科研工作、研究生培养中发挥了重要作用，还可以服务本科生的实践、创新能力培养。基于构造物理模拟实验的“地史学”实验教学改革在地质学、资源勘查工程专业本科生培养中发挥了积极重要的作用，有助于学生了解专业领域的前沿发展，提升动手实践和科研创新能力，激发学习兴趣、培养团队精神。不仅如此，学生的发散思维也有助于拓宽教师的科研视野，促进教学与科研的协同发展。

然而，在实验教学改革中，仍然存在一些问题亟待解决，如科研实验设备较为有限，每次只能容纳2～3个小组同时进行；构造物理模拟实验需要大量实验材料，且为一次性消耗品；本科生实验课程与科研任务之间可能存在冲突等。实际上，上述问题是很多科研实验室在拓宽和延伸实验教学职能过程中必将面临的问题，笔者认为，高校科研实验室应该进一步向广大本科生开放，在此基础上合理规划、完善运行管理机制。可以大胆将科研任务与本科生实验教学相结合，既可以保证学生充分接触前沿科学问题，又可以解决科研人员紧缺、实验室资源有限等问题，有利于科研梯队建设，形成高质量的教学科研一体化实验服务体系。