從工程地質學教學中研究知識的傳承與創新

胡江春+王紅芳

摘要：知識本是歷史的、創造的、流動的，雖然現在教材中許多知識成為無需證明的常識，但都是在知識歷史長河中沉淀下來的精華。文中通過對工程地質學的概念、定律以及理論背后的思想、觀念和方法的探討，研究在教學中加強科學知識探究過程的理解和訓練，使學生有意識地了解人類智識的發展軌跡。通過對巖石成因、河流地質作用以及地震等知識的探究過程，了解知識傳承是一個曲折向上的過程，并在其中理解創新的真正意義。

關鍵詞：工程地質學；探究過程；傳承與創新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0241-03

一、引言

工程地質學是研究與人類工程建筑等活動有關的地質問題的科學，是地質學的一個分支學科。它產生于地質學的發展和人類工程活動經驗的積累中。在土木工程專業培養體系中，工程地質學是一門重要的專業基礎課。該課程是以地質領域的基本知識為背景，既系統介紹了巖石、土及地下水的基本知識，也研究了不良地質作用、巖土工程勘察等實踐性較強的內容，由于課程實踐性太強，培養計劃一般又安排在低年級教學，所以學生普遍認為內容難以理解，教學效果不佳。為此，廣大教育工作者也是各盡所能，力圖改變不利的局面。大多數是從培養學生的學習興趣、優化教學內容、創新教學手段入手，或者從實踐教學出發，試圖通過直觀感性認識來提高學生的學習興趣，提高教學效果，也有通過調整課程體系，增加學生的興趣點，大家的落腳點都是從地質思維到創新思維的培養，或者是在教學過程中就關注了創新思維和創新能力的培養。

地質學知識都是有歷史的，是在流動中不斷創造和發展，在這歷史、創造和流動過程之中，一些東西消失了，也有一些東西遺留了下來，其中很多思想、觀念和方法仍然是我們當下學習的主要內容。本文以工程地質學中巖石成因、河流地質作用以及地震地質作用為例，研究人類對這些知識的探究過程，使學生了解人類知識的發展軌跡，理解其中的思想、觀念和方法，從中傳承精神，體會創新。

二、工程地質學知識的探究過程

工程地質學一般可概括為以下幾個方面：研究巖體、土體的空間分布規律和工程地質性質、分類，巖石和土的成分和結構，以及在自然條件和工程作用下這些性質的變化趨向；分析和預測在自然條件下和工程建筑活動中發生和可能發生的各種地質作用和工程地質問題；研究防治不良地質作用的有效措施；研究工程地質條件的區域分布特征和規律，預測其在自然條件下和工程建設活動中的變化和可能發生的地質作用，評價其對工程建設的適宜性。

工程地質學的研究內容都是經過人們長期的實踐經驗總結出來的，并在工程實踐中經過檢驗的人類智慧的結晶。它們的形成是一個長期的、經過很多波折的過程，我們在講述這些知識時，也應該讓學生了解一下這些知識形成的過程，以及這期間的思想、觀念和方法，對于學生理解工程地質學知識、傳承科學精神、培養創新思維作用匪淺。

1.巖石成因的探究過程。人類對地質知識的認識，經過長期而曲折的歷史過程，其中關于巖石成因的水成論和火成論是一場轟動科學界的大論戰。

早在17世紀，英國學者伍德沃德（J.Woodward，1665-1728）就已形成了類似水成論的洪積說。伍德沃德收集了大量地質資料和化石標本，實地考察了不列顛許多地區的地層結構，發現這些結構都與水的沉積作用有關，于是他便得出結論，認為現今地球表層的地質結構是在洪水中形成的。當洪水發生時，整個地球都被破碎而溶解了，地層就從這種混沌溶液里堆積而成，并認為不同地層中所含的生物化石不同，是重者下沉、輕者上浮的結果。

17世紀末期，正當洪積說盛傳之際，意大利神父莫羅（A.L.Moro，1687-1764）考察了埃特納火山，從火山爆發形成熔巖流這一自然現象得到啟發，經過一段時間的總結與醞釀，于18世紀初提出了與水成論完全對立的火成論。在觀察了火山堆和火山噴發后認為：地球最初被一整片水層所覆蓋，未露出起伏不平的地形，后來地下熱力創造了島嶼、大陸和山脈，在經過一段時間地質年代的演變才出現了生物。在山脈中形成了裂縫，大量的土壤、砂、黏土、金屬、硫磺和各種礦物沿裂縫噴出來，沉積成層并形成次生山脈和平原。莫羅所提出的造山作用和火山作用有關的思想，有力地駁斥了水成論（洪積說），并為火山論的誕生與發展奠定了理論基礎。這就是早期的水成論和火成論之爭。在地質學發展的過程中，這種論爭此起彼伏，爭論不休。

進入19世紀時，水成論極為盛行，在自然科學領域中占有統治地位，德國地質學家維爾納（A.G.Werner，1750-1817）是公認的領袖。維爾納水成論思想的形成與他家鄉的特殊地質情況有關。他通過對家鄉礦石中所含礦物的仔細研究發現薩克森地區的巖層都是由沉積作用形成的，從而武斷地認為整個地球表面曾是一片汪洋，其深度也像山岳的高度。被溶解在海洋里的各種礦物，最先沉積為結晶巖石；片麻巖、花崗巖等巖石都是通過純化學方式沉積而成的，是深海沉積物，維爾納稱之為“原生巖層類”；雜砂巖、黏板巖等為淺海沉積物，稱之為過渡巖類；第三類是層狀巖層，包括砂巖、層狀黏土、凝灰巖等；最后一種為最新沖積層或淤積沉積物，呈水平層，包括亞黏土砂、礫石、火山渣等。維爾納的學說，具有原始地層學的意義，并對沉積成因的巖石劃分做出重要而正確的結論，但他認為成層的巖石都是在世界洪水期堆積成的，而后便是一切地質作用停止的穩定期，這就導致了后來水成論的理論錯誤。但是，由于水成論同《圣經》上所說的洪水論十分吻合，因而得到神學家們的支持，使維爾納的水成論成為18世紀末到19世紀初風靡一時的學說和學派。于此同時，英格蘭的赫頓（J.Hutton，1726-1797）1785年在愛丁堡皇家學會宣讀了他唯一的一篇論文《地球論》，隨后進行了地質調查，補充資料，于1795年在皇家學會再度發表。赫頓認為：地球上起作用的力有重力、燃燒和冷卻、太陽光、電、磁力，這些力在地球的歷史中一直發揮著作用。他把“地球的地下火”看成是堆積物升出海面的原因和動力。赫頓更明確地指出：花崗巖、玄武巖和其他類似的巖石都是“火成的”，是地球內部的熔融體結晶而成的。赫頓的論點比較確切地提出了巖漿巖、沉積巖和變質巖的成因。赫頓死后，他的摯友普雷菲爾于1802年撰寫了《關于“赫頓地球論”的說明》，比較系統地介紹了赫頓的觀點，有力地宣傳了赫頓的理論，從而使其聞名于世。1828—1829年間，英國的萊伊爾與蘇格蘭的默奇森合作發表一篇《以法國中部火山巖說明河谷的沖蝕現象》，文中的論點是水成作用與火成作用相結合，并明確提出自然變化的漸進作用。

2.河流地質作用的探究過程。導致地球上無機界變化的地質營力可分為外力地質作用和內力地質作用，也即水成作用和火成作用，前者有雨、河流、泉水、洋流和冰雪的作用；后者包括火山和地震。本小節和下一小節我們分別取河流和地震兩種地質作用來介紹人們對其的探究過程。萊伊爾認為河流地質作用的結果可以分為破壞和運輸的結果和再造性質的結果。前者包括巖石的侵蝕作用和物質向下游搬運的作用；后者包括河流沉積物所形成的三角洲和海水的淺落。與我們今天的河流侵蝕作用、搬運作用以及沉積作用基本吻合，但也有認識上的不同。（1）河流的侵蝕作用。萊伊爾觀察了喬治亞州省會米雷居維爾正西3.5英里河谷后認為：流水先在既有的巖土裂隙中流動，“使溝的起點加深，然后逐漸向后掘蝕”，即是我們今天所說的源蝕，沒有意識到源蝕是下蝕的一種形式。從“河槽中物質硬度的不一致，往往局部使侵蝕作用的側面掘蝕力改變方向”可以看出，以前人們對河流側蝕作用的原因單純是以為河槽物質硬度不同造成的，沒有認識到河水環流的作用。（2）河流的搬運作用。萊伊爾研究認為河流的搬運作用是由于流水的浮力、流速等的作用，也即我們認為的機械搬運，沒有考慮化學搬運的作用。

3.地震災害的探究過程。地震在17世紀之前的記錄很匱乏，歷史學家的記載幾乎全部局限于死亡的人數、城鎮的破壞情況、財產的損失或者觀察者昏眩恐怖的某些大氣現象。18、19世紀的地震研究主要集中于以下幾個方面。（1）伴隨地震的現象。這一時期的地震研究主要是對地震的考察，對地震現象的收集、整理及分類，也對地震的成因做了一定的探索，但主要是大量地震現象的收集、整理及分類工作。觀察收集的現象包括：陸地的持續隆起和沉陷、伴隨火山的活動、地殼的開裂與閉合、溫泉的形成與水溫的變化、特殊的氣候變化等。這一時期對地震現象的觀察記錄已經相當成熟完備。（2）地震作用現象背后的本質。通過對1812年地震后密西西比河水的觀察得出：一部分地震運動是水平的，另一部分是垂直的，垂直運動的破壞力量比水平運動小得多。這一時期的研究已經知道地震波是一種彈性波，地震波在不同巖石中傳播速率不同，地震波的縱橫作用在地球表面形成復雜的破壞現象，并研究了地震的起源、傳播方式和測定震源深度的簡易方法。該時期研究仍然認為地震是無法預測的，兩次危險性較大的震動之間的時間間隔是無從確定的。可喜的是，當時人們已經意識到：在經常發生地震的地區，經驗和科學知識可以減輕損失，而且大家形成共識的是火山和地震是同源的。（3）通過地震活動研究的地質學意義。地震的研究是對地球了解的一部分，是地球各種地質現象形成的主要營力之一，這一時期地震的研究就已經和流水的剝蝕作用進行比較，把地震作用形成的新陸地和流水剝蝕的巖土量進行比照，研究地球形貌改變的力量情況。

通過對地震研究證明陸地有交替升降的能力，有力駁斥了水成論的觀點，為地球內部物質的研究提供了間接證明材料。通過對地震發生時間的規律性、火山口噴發和氣候的關系等推斷出地面下有巨大的熔融物質，這些熔融物質在地殼中只占次要位置，從而得出地殼柔順性的結論。這一時期的地震研究已經比較完善，人們也已經掌握了研究地震的一般方法，尤其是對地震資料的收集整理達到了相對的高峰。但是受科學技術條件的限制，很多認識和推理與實際情況有一定的差距。

三、工程地質學知識的傳承與創新

通過對巖石成因、河流地質作用以及地震地質作用等知識探究過程的研究，我們意識到人們對世界的認識是一個逐步形成的過程。從上述知識探究過程中體悟到以下幾個方面。

1.不同條件下對事物的認識難易程度差別較大。

在巖石水成論的形成過程中，伍德沃德收集了大量地質資料和化石標本，實地進行了大量考察，由于其收集資料豐富，論述系統，才算得上是水成論的開山鼻祖。而火成論的創始人莫羅，從火山爆發形成熔巖流這一自然現象得到啟發，經過一段時間的總結與醞釀，提出了與水成論相媲美的火成論。

2.正確的觀點在當時不一定得到認同。赫頓從事地質30余年，比較確切地提出了巖漿巖、沉積巖和變質巖的成因，他生前備受攻擊，只有在其死后，才由摯友宣傳而聞名于世，讓人不得不感嘆世事弄人。

3.科學研究受當時科學環境的限制。萊伊爾對流水進行了大量研究，花費10年時間奔波于歐洲大地，受到當時條件的限制，對河流地質作用的河流侵蝕，搬運和沉積都沒有得到完全的解釋。萊伊爾及其合作者收集了大量地震的資料，但是其對于地震的本質，尤其是地震的預測，仍然是無從入手，甚至認為是不可能的事。對地球內部物質的探討也顯示了當時的科學技術水平的不足，整個社會的科學技術水平限制著相關學科的發展與進步。

4.知識歷史中形成的方法對現在的科學研究也有一定的指導意義。雖然當時的技術水平和現在相比要落后很多，但是當時的某些方法對于今天的發展仍有指導意義。馬勒特觀察了1857年地震最劇烈的沙勒諾地區，觀察了高屋頂上的煙囪、瓫罐和塑像的倒落方向，根據這些物體具有慣性的特點，判斷它們倒落的方向與震動的方向相反。把兩條或兩條以上的方向線延長，其相交的位置即可定為震中的位置。雖然這種結果只是粗略的估計，但是不斷重復考察，可以獲得準確的結果。這種簡單方法對今日的研究也具有一定的指導意義。

四、結語

通過以上研究，我們知道在整個知識長河中，一些東西蒸發了，另一些東西沉淀了，其中的思想、觀念和方法仍保持著永恒的活力。我們研究這些知識的創造過程，對于提高學生的科學素養，改變片面灌輸科學知識的狀況有現實意義。

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