基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)方法的改革、創(chuàng)新與實(shí)踐

王建秀 周潔 吳林波 顧其偉 劉佳星 門龍 葉真華 劉琦 趙宇 崔韜

摘要：針對基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)方法進(jìn)行改革和探索：轉(zhuǎn)變教師的角色，使之由知識的灌輸者轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。轉(zhuǎn)變學(xué)生的角色，使之由教學(xué)中的知識接受者轉(zhuǎn)化為知識獲取者。轉(zhuǎn)變教學(xué)思維方式，由教師直接給出肯定結(jié)論轉(zhuǎn)換為學(xué)生自主討論、自主做出結(jié)論。轉(zhuǎn)變考核方式，由單純考核知識掌握情況轉(zhuǎn)化為考核綜合工作能力和方法。引入回彈儀、紅外熱象儀、3D掃描儀、無人機(jī)等新的實(shí)習(xí)方法，提升學(xué)生實(shí)習(xí)興趣和動手能力。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)；教學(xué)方法改革；自主學(xué)習(xí)；多角度考核；實(shí)習(xí)新方法

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）08-0110-03

一、引言

同濟(jì)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)基礎(chǔ)地質(zhì)教學(xué)具有鮮明的特色，形成了完善的教學(xué)體系。該體系包括基礎(chǔ)地質(zhì)課堂教學(xué)、基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)以及基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)。基礎(chǔ)地質(zhì)教學(xué)體系的第一層次是課堂教學(xué)，內(nèi)容覆蓋了普通地質(zhì)學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生日后學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)（圖1a）；第二層次是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)讓學(xué)生學(xué)習(xí)和認(rèn)識巖礦鑒定的基本方法，在室內(nèi)認(rèn)識巖礦標(biāo)本、巖心、古生物化石等地質(zhì)樣品，在樣品尺度上認(rèn)識地質(zhì)體（圖1b）；第三層次是實(shí)習(xí)教學(xué)，在學(xué)生已經(jīng)掌握了普通地質(zhì)學(xué)理論知識和一般巖礦肉眼鑒定知識后，到大自然中去，在野外學(xué)習(xí)基本的地質(zhì)工作方法[1-2]，在野外原位認(rèn)識巖石和礦物、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害、水文地質(zhì)條件以及地殼運(yùn)動的證據(jù)等（圖1c）。在野外地質(zhì)實(shí)習(xí)中，傳統(tǒng)的方法是老師帶隊(duì)，沿著設(shè)定的實(shí)習(xí)路線，走到某個地質(zhì)點(diǎn)，老師現(xiàn)場講授，同學(xué)們記錄，然后讓同學(xué)們在有限的時間內(nèi)進(jìn)行實(shí)際操作。由于時間短、地質(zhì)點(diǎn)附近空間有限、學(xué)生未充分掌握地質(zhì)技能等原因，很多同學(xué)只是走馬觀花，簡單聽講，簡單記錄，工作即告完成，教學(xué)效果不夠理想，為此，對基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)工作方法進(jìn)行了改革和創(chuàng)新的探索，例如將3D數(shù)字掃描-3D數(shù)字重建-3D打印技術(shù)流程引入工程地質(zhì)教學(xué)實(shí)踐[1]，多年實(shí)踐證明效果良好，可供類似實(shí)習(xí)參考。

二、教學(xué)方法的改革

1.轉(zhuǎn)變教師的角色，由灌輸?shù)揭龑?dǎo)。高校教師主要工作是“傳道、授業(yè)、解惑”，在課堂傳遞知識點(diǎn)方面，此方法效果良好；但在短期的課程野外實(shí)習(xí)中，若仍將教師設(shè)定為教學(xué)的第一主角，則會存在諸多問題。野外實(shí)習(xí)，不是在野外的課堂教學(xué)，學(xué)生不應(yīng)光靠聽講和思考來掌握知識，教師不應(yīng)代替學(xué)生進(jìn)行主動思考和操作。為此，在野外地質(zhì)教學(xué)中，嘗試轉(zhuǎn)變教師角色。在每條工作線路開始之前，教師盡量不到地質(zhì)點(diǎn)來講授知識，而是在線路開始之前，給同學(xué)們闡述要學(xué)習(xí)的知識和技能（圖1c），介紹宏觀地質(zhì)背景，提出要解決的地質(zhì)問題，大致指定地質(zhì)點(diǎn)的空間方位，然后讓同學(xué)們以小組為單位，自行到地質(zhì)點(diǎn)附近找點(diǎn)并進(jìn)行相應(yīng)的地質(zhì)工作（圖2）。在同學(xué)們工作過程中，教師糾正錯誤方法，通過提問方式檢查工作效果。最后，教師總體總結(jié)，將指導(dǎo)性、結(jié)論性的內(nèi)容放到最后來講，便于同學(xué)對比和校正自己工作內(nèi)容。

2.轉(zhuǎn)變學(xué)生的角色，由配角到主角。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生是知識的受眾，主動權(quán)在教師手中。對于部分學(xué)習(xí)主動性不夠的同學(xué)，完全變成配角。學(xué)習(xí)變成別人的事，也不是一個愉快的過程。為此，轉(zhuǎn)變學(xué)生的角色，讓其由配角變成主角。學(xué)生在每條實(shí)習(xí)路線開始之前，通過教師講授對實(shí)習(xí)區(qū)的地質(zhì)背景、用到的基本知識、每個地質(zhì)點(diǎn)上可能的內(nèi)容進(jìn)行了解。之后，學(xué)生自行尋找實(shí)習(xí)觀察地質(zhì)點(diǎn)，并對之進(jìn)行觀察、討論、描述與總結(jié)（圖3）。由于是多組并行實(shí)習(xí)，存在實(shí)習(xí)效果的對比，也要考慮怎樣通過小組內(nèi)部的有效協(xié)同，來提高工作效率。實(shí)習(xí)結(jié)束后，以小組為單位輪流匯報(bào)工作內(nèi)容，讓同學(xué)們成為實(shí)習(xí)的主角，提高其在學(xué)習(xí)過程中的興奮度和緊張性，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。

3.多角度考核，由知識到方法。通常，在經(jīng)過基本功訓(xùn)練和基本考核之后，盡管學(xué)生們考核時基本過關(guān)，但仍會有20%-30%的學(xué)生對于基本技能存在似是而非的認(rèn)知狀態(tài)。在實(shí)習(xí)過程中，除了在基本功訓(xùn)練部分要每個人過關(guān)來測試基本的地質(zhì)技能以外，每到新的地質(zhì)點(diǎn)，教師都會將基本功訓(xùn)練中部分技能分解出來，讓學(xué)生具體操作。將野外地質(zhì)技能糅合到整個地質(zhì)線路的實(shí)習(xí)中，將復(fù)習(xí)和測試貫穿到實(shí)習(xí)的整個過程中。動手能力強(qiáng)和不強(qiáng)的學(xué)生在反復(fù)的訓(xùn)練中，得到技能的提升，從不會到會，從不熟練到熟練。在實(shí)習(xí)中，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生探索和掌握學(xué)習(xí)方法，而不僅是知識的傳授。以至在實(shí)習(xí)的后期，每到一個地質(zhì)點(diǎn)，學(xué)生們在沒有教師要求的情況下，仍會自發(fā)地按照基本功訓(xùn)練方法開展觀察、討論和記錄。

三、新方法

結(jié)合科學(xué)研究工作，本課程在野外實(shí)習(xí)工作中除了采用傳統(tǒng)的地質(zhì)工作方法外，還引入了回彈儀、紅外熱像儀、3D掃描儀、無人機(jī)等新的實(shí)習(xí)方法，提升學(xué)生實(shí)習(xí)興趣和動手能力。

1.回彈儀。基于服務(wù)于本校地質(zhì)工程主體、服務(wù)于工程建設(shè)的教學(xué)理念，本課程在進(jìn)行基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)過程中，引入回彈儀（圖5（a）），將不同巖性及構(gòu)造的巖體視為具有不同工程力學(xué)屬性的材料，對實(shí)習(xí)路線中的火山角礫巖、凝灰?guī)r、花崗巖、泥巖及板巖等進(jìn)行測試比較，促使學(xué)生將地質(zhì)體的地質(zhì)屬性與工程力學(xué)屬性進(jìn)行銜接思考。

2.紅外熱像儀。為了激發(fā)學(xué)生對地質(zhì)問題的創(chuàng)新性思考，引入FLUKE Ti95型熱紅外儀用于巖土體識別應(yīng)用教學(xué)（圖5（b））。通過所采集到的不同巖性、土性及生物在熱紅外分布上的差異性（圖6），使得學(xué)生直觀理解到熱紅外儀工作的基本原理，認(rèn)知不同成分結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體與生物體的熱紅外輻射差異性，思考熱紅外在地質(zhì)調(diào)查過程中應(yīng)用的可能性，思考熱紅外儀現(xiàn)場應(yīng)用過程中的干擾因子（如采樣距離、樣品含水率）等。

3.3D掃描儀。在野外地質(zhì)教學(xué)中，一般采用現(xiàn)場手動測量的方式獲取巖石、礦物的特征和測量巖層及節(jié)理的產(chǎn)狀。平面照片僅能反映地質(zhì)體平面兩維的圖像學(xué)特征，無法采集地質(zhì)信息。本實(shí)習(xí)在野外工作中，引入3D掃描儀，針對典型的巖石，除了用手工進(jìn)行標(biāo)定和定向外，采用3D掃描儀獲取地質(zhì)體表面形貌特征，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用圖像紋理貼圖技術(shù)，將可見光照片與野外3D數(shù)據(jù)結(jié)合，利用杰魔Geomagic Studio形成三維表面和三維實(shí)體，然后用三維后處理貼圖，獲取具有矢量數(shù)據(jù)的地質(zhì)體表面三維特征，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里重建野外地質(zhì)體的三維形貌，生成能在計(jì)算機(jī)里測量產(chǎn)狀的數(shù)字模型（圖7）。極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.無人機(jī)。考慮到傳統(tǒng)的野外實(shí)習(xí)中，學(xué)生只能進(jìn)行局部露頭與手標(biāo)本尺度的觀察；對于大范圍或者遠(yuǎn)距離的宏觀地質(zhì)形跡，并不能很好地觀察分析。故引入大疆無人機(jī)，對實(shí)習(xí)區(qū)橫山觀察點(diǎn)的陡壁與天平山山頂?shù)幕◢弾r露頭進(jìn)行拍攝觀察，培養(yǎng)學(xué)生從多尺度角度對地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行觀察分析的能力。

四、結(jié)束語

以上教學(xué)改革工作在同濟(jì)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)蘇州地質(zhì)實(shí)習(xí)中實(shí)踐了4年，取得了一些經(jīng)驗(yàn)，同學(xué)們在野外實(shí)習(xí)中自主性明顯增強(qiáng)，能夠接受新的以自己為主體的實(shí)習(xí)方法，同時，還能在組長的帶領(lǐng)下，開展相關(guān)問題的工程地質(zhì)分析和討論，并能做出結(jié)論，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和辯證性思考的能動性。基于對傳統(tǒng)基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)習(xí)模式的再審視，結(jié)合本校地質(zhì)工程專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)地質(zhì)主體服務(wù)于工程建設(shè)的理念，在基礎(chǔ)地質(zhì)短期實(shí)習(xí)過程中，引入紅外熱像儀、回彈儀及無人機(jī)，促進(jìn)學(xué)生思考新型技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用可能性，思考具有不同地質(zhì)構(gòu)造、不同成分的地質(zhì)體作為工程材料的屬性表征，并應(yīng)用新型技術(shù)以保證多尺度地質(zhì)調(diào)查得到有效進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建秀，劉笑天，居哲超，等.3D數(shù)字掃描-3D數(shù)字重建-3D打印技術(shù)在地質(zhì)工程教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2016，（42）：160-161.

[2]唐益群.工程地質(zhì)學(xué)實(shí)習(xí)教程[M].同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.