“構造地質學”課程實驗教學改革探討

湯濟廣

摘 要： 通過實驗加深對理論知識的理解、提高解決實際問題的能力和幫助建立時空思維是“構造地質學”課程實驗教學的主要目的。為了更好地通過實驗促進課程教學，作者總結出目前實驗教學課程存在的問題：學生實驗過程缺乏主動性、現有課程考核方式不利于實驗教學、實驗教學投入不足、實驗教學未與實際有效結合，提出實驗教學改革方法：重視實驗課，加強構造地質學基本技能培養、讓學生參與實驗教學過程、實驗內容貼近實際地質問題、改進實驗的考核方式、傳統和現代的實驗教學方式綜合運用、進一步完善實驗教學設施。

關鍵詞： “構造地質學” 實驗教學 地質構造時空思維

實驗教學是加深對理論的理解和鞏固理論知識的有效途徑，是提高學生綜合素質的重要教學組成部分[1]。“構造地質學”以地質構造為研究對象，具空間尺度變化大，時間跨度長，而時間與空間思維的建立是“構造地質學”課程的核心特色和關鍵任務，因而實驗教學在地質構造時空思維建立的培養中起著重要作用[2]-[4]。

在資源勘查工程和地質學專業“構造地質學”教學任務中，實驗學時超過總學時的三分之一，體現了“構造地質學”實驗教學在地質學類人才培養中的重要地位。如何通過“構造地質學”實驗加深學生對理論知識的理解和幫助時空思維的建立是每個老師最為關心的教學問題[5]-[9]。因此，基于構造地質學理論知識的特點，并結合學科的發展，探索“構造地質學”實驗的教學方法，是不斷增強“構造地質學”教學效果，實現理論在實踐的體現，建立時空觀的核心，也是在構造地質學由板塊構造向超越板塊構造發展過程中進行構造地質學人才培養的關鍵[10]。

1.“構造地質學”課程特點及實驗重要性

“構造地質學”課程以地質構造為研究對象，主要研究內動力地質作用所形成的各種構造地質的形態、產狀、規模、形成條件、形成機制、分布和組合規律及演化史，并進一步探討產生地質構造的地殼運動的方式，規律及動力來源。該課程的豐富構造地質類型多以剖面圖和地質圖展示，因此，閱讀、分析和編制地質圖是“構造地質學”教學重要內容之一，也是幫助學生建立構造地質時空思維的關鍵。

地質構造現象的系列變形與變位為地質體空間上的動態演化及變形之結果，只有通過三維甚至四維才能有效展示演化過程。而目前教學過程中展示的地質圖和剖面圖均為二維，對于剛開始學習“構造地質學”的學生而言，在初始閱讀這些二維的地質圖和剖面圖時，難以很快建立起地質構造的時間與空間思維，如《讀傾斜巖層和不整合接觸地質圖并作剖面圖》實驗中，平面圖顯示剖面線南東段和北西地表出露為水平巖層白堊系，而白堊系之下地層在作剖面過程中需基于該區地層的發育、分布特征進行補全，但是在實驗過程中，由于學生難以建立起構造形態三維空間的產出狀態，對白堊系之下的地層難以確立。因此，“構造地質學”課程教學過程中，須加強實驗教學，采用“正”“反”相結合的教學方式。“正”即為從三維到二維的分析模式，通過構造立體模型，建立地質構造的空間結構，以理解地質圖和剖面圖，而“反”為通過對地質圖和剖面圖的讀圖，建立起三維空間模型，恢復空間立體結構[11]。

地質構造的空間構造和時間演化特征決定了“構造地質學”課程需重視實驗教學，只有將理論教學與實驗教學有機緊密結合，重視實驗教學，才能進一步促進理論教學，真正達到課程教學目的，才能培養出理論基礎扎實、實踐能力強的學生，只有這樣才能使教學真正符合新的專業培養計劃要求，培養出具創新精神與較強解決實際問題能力的學生。

2.“構造地質學”實驗教學中存在的問題

由板塊構造向超越板塊構造的構造地質學理論發展的過程中，地質構造幾何學、運動學和動力學的揭示都是其重要的基礎。實驗教學作為“構造地質學”課程教學計劃的重要組成部分，是培養學生地質構造分析技能、幫助學生建立地質構造思維的重要方式，但目前在實驗教學過程中尚存在以下問題：

2.1實驗過程學生主動性不夠。

“構造地質學”實驗多為讀圖和作圖，涉及構造現象的時空理解。部分學生對理論知識尚未完全掌握，難以建立起地質概念，導致不會讀圖、不會分析圖，因此在實驗過程中對老師的講解和實驗教材產生依賴性，不愿積極查閱和思考，從而難以達到實驗的教學目的，即沒有通過實驗培養觀察問題和分析問題的能力。如在小比例尺地形地質圖中求取巖層產狀的實驗中，課程上講得很細致而且例題很典型，部分學生在實驗作業過程中照搬過程，而未深入理解走向線如何確定，以及走向線相互之間關系，因此在實際解決問題過程中，部分學生感覺無處下手。又如在利用赤平投影方法分析斷層滑距的實驗中，要建立斷層三維空間模型才能更好地判別斜向滑動斷層性質及兩盤滑動方向的，但是部分學生對平面和剖面的結合方式不愿意仔細思考、不愿意構建三維空間模型，從而對斷層兩盤滑動方向難于準確判別。

構造地質學的實驗多為作構造剖面圖、構造等值線圖等，因此每次實驗課下作圖時間相對較長，部分學生不愿意多花時間在作圖上，存在一定的抄襲現象。長此以往，將會導致學生理論與實踐不能融會貫通、專業動手能力弱，進而可能無法適應構造地質工作的實際需要。

2.2現有課程考核方式不利于實驗教學。

“構造地質學”屬于資源勘查工程和地質學專業核心課程，學時較多，分別為56個學時和64個學時，其中實驗均為24學時，因此將構造地質學分為兩門獨立課程：“構造地質學”理論和“構造地質學”實驗。由于理論課學分多，使得學生在學習過程中注重理論課程的學習，在平時學習和復習過程中對理論投入時間較多。而對實驗部分重視程度不夠，對各類圖件分析方法和作圖基本原則掌握不甚全面，使得知識不能靈活任用，解決實際問題能力未得到很好的訓練和提高。近幾年的理論課程試卷分析顯示，綜合讀圖題的失分比例最高，反映了學生對知識的靈活掌握程度和解決實際問題的能力不夠。因次，目前這種課程考核方式不利于人才培養和實際動手能力的提高，難以全面達到教學目的和專業培養要求。

2.3實驗教學投入不足。

“構造地質學”課程來源于實踐，為地質現象的概括與總結。如果建設“構造園”，應將野外的構造現象集中“搬回”實驗室，將對課程教學有著極大的促進作用[12]-[14]，如將褶皺、斷層、石香腸構造、線理等地質構造現象的小型手標本直接運用至實驗課上，有助于學生對地質結構的幾何學有更直觀的理解。由于對實驗教學的認識不足，使得實踐教學經費投入不足，實驗室的建設尚不能完全滿足教學的需要。

2.4實驗教學未與實際有效結合。

賈承造院士指出：“當前的構造地質學具有以技術、產業和社會需求、人才為導向的發展特點。”“學科的發展要求我們把握新技術、新資料，適應經濟產業發展和國計民生的需求”[15]。在構造地質分析領域，計算機被廣泛應用，如利用鉆井數據編制相關構造平面圖和剖面圖、通過專業軟件進行構造應力計算、玫瑰花圖制作、展示赤平投影過程等。目前的實驗還是基于基本原理，用手工完成相關圖件的編制，這種手工完成圖件編制最大的好處就是使得學生明白并掌握編圖的基本原理、編圖的注意事項、圖件所表達的主體內容等。但是在手工編圖的過程中，還可以同時借助相關軟件，再一次在計算機上編圖，使得計算機編圖與手工編圖相結合。然而在實際教學中，學生的實驗還是采用原始的手工作圖，未將相關地質軟件的成圖納入實驗教學中，使得學校教學與單位工作的需要存在一定的脫節。顯然，當前構造地質學實驗課程這種教育狀況尚難滿足實際工作的需求。

3.“構造地質學”課程實驗教學改革探討

為了更好地增強“構造地質學”課程教學效果和加強對學生基本技能的培養，對“構造地質學”課程實驗教學提出以下幾點改革探討，以加強實驗教學。

3.1重視實驗課，加強構造地質學基本技能培養。

實驗課是培養學生解決實際地質問題的關鍵，在教師和學生中都要樹立起重視構造地質學的意識。讓學生明白實驗的目的是通過地質圖的讀圖和作圖，培養基本專業技能，加深對理論知識的理解和掌握，形成解決構造地質實際問題的能力。

在實驗教學過程中，從課前預習、課題實驗、課后習題方面對學生嚴格要求，從文字語言、符號表達方式、地層與斷層色彩等細節方面規范圖件編繪規范。實驗過程中，注意教授構造地質工作的一些基本方法和技能，使學生熟悉和了解地質圖件的編繪思想、方法和技巧，并結合實際問題的分析，鞏固所學理論知識。如在“繪制褶皺地區剖面圖”實驗中對于次級褶皺的分析和褶皺轉折端深度的確定，“分析褶皺斷層地區地質圖并做剖面圖”實驗飛來峰和構造窗與逆沖推覆斷層的關系及剖面圖的編制，在教學過程中可以通過地質模型構建、幫助學生建立起構造空間模式，以提高學生的空間想象和實際編圖能力。

3.2讓學生參與實驗教學，激發學習興趣。

興趣是最好的老師，讓學生參與實驗教學過程，引導學生討論、思考，而不是被動地接受老師“填鴨式”的知識灌輸。部分較為容易的實驗，以及與實驗密切相關而非實驗習題內容，安排學生自己當老師來講授，促使學生做到課前認真復習，認真思考，激發學生的學習興趣。

近幾年對“用間接豐富確定巖層產狀要素”實驗內容均隨機抽點學生，讓學生自己講授，而老師只提示走向線的性質、走向線之間關系，以及如何通過走向線確定傾向。在“讀傾斜巖層和不整合接觸地質圖并作剖面圖”實驗中，對于白堊系下伏巖層界線的給學生提供思路，讓學生自己討論并講解。通過實驗課程的參與，學生的積極性被調動起來，真正地思索地質問題，逐漸形成構造地質思維。

3.3實驗內容貼近實際地質問題，使理論與實際更為有效結合。

學習理論知識的目的是更好地運用，在實驗教學過程中將實驗問題與生產實際需解決的問題緊密結合，這樣學生對實驗在生產實際中的實用性就更為清楚，同時在完成實驗過程中成就感更強烈。

筆者最近接觸到美國賓夕法尼亞大學本科生“構造地質學”實驗習題，與實際問題結合緊密，這樣學生在解決實驗習題中理論知識的靈活運用能力和基本專業技能得到很大的提高。“用赤平投影方法確定褶皺樞紐和軸面產狀”實驗習題要求判別鉆遇鐵礦層的鉆孔位置是否合適，但在實際教學過程中，要求學生構建褶皺三維空間產出狀態，并結合鐵礦層在褶皺轉折端的分布特征，自己設計出能鉆遇鐵礦層的鉆孔位置，通過這些問題的解決，理論知識用“活”了，學習興趣提高了。

3.4改進實驗的考核方式。

長江大學資源勘查工程和地質學專業“構造地質學”課程分別為56個學時和64個學時，其中實驗課為24個學時。在教學過程中，理論與實驗不分開，作為一門課程，同一教師講授理論課和實驗課，以保證授課過程中實驗課配合理論課進度，并使實驗中集中問題能及時反饋至理論課。考試依然可以將理論和實驗分開考核，但是這種考核不是分開、孤立的，而是一個整體，即只有同時通過理論和實驗考核，才算“構造地質學”課程通過，若存在一項不通過，均需要補考，甚至重修。這樣將使學生重視起實驗課程，實現實驗教學與理論教學密切結合，使學生實現從理論到實踐的跨越，并且進一步深入理解和掌握實踐反作用于理論，有效地提高教學質量。

3.5傳統和現代的實驗教學方式綜合運用。

實驗習題大部分為編制系列地質圖件，通過實驗的傳統手工編圖主要培養學生知道“為什么這么編圖”、“編圖的關鍵點在哪里”等問題，以提高編圖水平和專業技能。但是生產實際中，則利用相關計算機軟件完成編圖，如構造等值線圖、應力計算、玫瑰花圖制作等均可計算機成圖。

為了更好地培養與生產實際相接軌的人才，在實驗教學課程中采用手工與計算機并行的教學模式。即在實驗過程中，讓學生首先用傳統的方法，即完全手工完成赤平投影、節理走向玫瑰花圖、構造等值線圖的編圖，然后再介紹相關地質類小型軟件，進行計算機成圖。這種傳統和現代的實驗教學方式綜合運用，不僅使得學生明白并掌握編圖的基本原理、編圖的注意事項、圖件所表達的主體內容等，還與現在的礦油企業科研工作能直接接軌，有利于人才的培養。

3.6進一步完善實驗教學設施。

“構造地質學”中的斷層和褶皺構造類型、斷層效應和“V”字形法則等涉及三維空間，而這些用圖片很難全面展示其構造特征，因此需借助于三維構造模型和小型實物樣品。即建立一個構造類型齊全的“構造園”，設置一次“構造園”觀察，并對兩三件構造模型或樣品進行構造幾何學的描述，并展開運動學和動力學的探討實驗，將有利于提升學生對“構造地質學”課程的興趣，增強地質構造的時空思維。

4.結語

從板塊構造到大陸動力學的構造理論深入發展，使得構造地質學基礎教育面臨新的挑戰與發展機遇。加強實驗教學，注重專業技能的提高，是實現“構造地質學”教學培養目標的主體教學任務之一，也是培養高水平構造地質學人才的基礎和關鍵。

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