工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系創(chuàng)新的理論與實(shí)踐

劉 琦，王建秀，石振明，葉真華，俞松波

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院/巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

引言

在土木工程學(xué)科快速發(fā)展和信息化教學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步的背景下，如何充分利用學(xué)科發(fā)展前沿理論和研發(fā)成果，并融合數(shù)字化現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提升高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與水平，滿足一流人才培養(yǎng)目標(biāo)的需求，是土木工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與發(fā)展的重要任務(wù)和挑戰(zhàn)。同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)科工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)包括三個(gè)項(xiàng)目：礦物鑒定、巖漿巖鑒定、沉積巖和變質(zhì)巖鑒定。它屬于土木工程學(xué)院本科生的必修課，每年約有450人次本科生學(xué)習(xí)該課程。土木、水利工程類非地質(zhì)專業(yè)的巖礦鑒定實(shí)驗(yàn)課程，更側(cè)重于地質(zhì)與工程的緊密結(jié)合，學(xué)生不但要學(xué)會(huì)認(rèn)知巖石、礦物、地質(zhì)構(gòu)造，更多的是要根據(jù)所認(rèn)識(shí)的巖石礦物對(duì)路基、隧道、邊坡、地基以及地質(zhì)災(zāi)害等工程提出設(shè)計(jì)和施工方案，解決工程建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中的疑難雜癥。但是，由于非地質(zhì)類專業(yè)開(kāi)設(shè)的地質(zhì)類課程偏少，對(duì)于地質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)只有初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)地質(zhì)學(xué)的基本概念缺乏系統(tǒng)的理解，特別是對(duì)于巖石和礦物細(xì)微觀特征的理解更難以把握，而巖礦的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征大多比較抽象，特別是巖石中的礦物晶體較小，較難在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)學(xué)會(huì)鑒別。據(jù)此，近些年對(duì)工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和探索，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)，將學(xué)科發(fā)展前沿成果持續(xù)轉(zhuǎn)化到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中；構(gòu)建信息化教學(xué)系統(tǒng)，將數(shù)字化教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密融合；構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效反饋機(jī)制，將工程地質(zhì)實(shí)踐應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效反饋有機(jī)結(jié)合。實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系在近五年的不斷完善和推廣應(yīng)用中取得了良好的成效，對(duì)土木人才培養(yǎng)起到重要的支撐作用。

一、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與土木工程學(xué)科同步發(fā)展的聯(lián)動(dòng)機(jī)制

以國(guó)家重大需求的地質(zhì)環(huán)境和工程安全的實(shí)際科學(xué)前沿問(wèn)題為導(dǎo)向，依托團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等重大課題研究成果，采用內(nèi)在融合和互動(dòng)機(jī)制創(chuàng)新，將優(yōu)秀前沿科研成果不斷轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的改革。重點(diǎn)將課程由驗(yàn)證性轉(zhuǎn)化為綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的感官認(rèn)識(shí)來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)機(jī)制和制度創(chuàng)新，結(jié)合中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)“工程地質(zhì)學(xué)”和“工學(xué)的地質(zhì)思維-基礎(chǔ)地質(zhì)（普通地質(zhì)學(xué)）”建立工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)資源平臺(tái)，組成一支有2位正高、2位副高及1位中級(jí)職稱教師結(jié)合的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源研發(fā)師資隊(duì)伍，使一線教師參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，形成“實(shí)驗(yàn)教師+理論教師”相結(jié)合的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源研發(fā)師資隊(duì)伍。建立起實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)裝備與學(xué)科發(fā)展同步持續(xù)更新的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，從而破解工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容滯后于學(xué)科發(fā)展的瓶頸，為土木工程學(xué)科人才培養(yǎng)提供重要基礎(chǔ)。

二、多尺度現(xiàn)代數(shù)字教學(xué)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合模式

實(shí)驗(yàn)課程以相關(guān)紀(jì)錄片或工程案例視頻開(kāi)場(chǎng)，在營(yíng)造輕松、友好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)氛圍的基礎(chǔ)上，以提高學(xué)生的精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰槟繕?biāo)，以學(xué)生為中心的全過(guò)程主動(dòng)參與為前提，以理論—實(shí)驗(yàn)—實(shí)踐一體化流程為路徑，利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立具備宏觀地學(xué)背景、系統(tǒng)概念、生動(dòng)高效傳遞知識(shí)、提升綜合能力的實(shí)驗(yàn)課程。通過(guò)學(xué)校修購(gòu)計(jì)劃和教改（精品）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，綜合運(yùn)用板書(shū)、多媒體、標(biāo)本實(shí)物、網(wǎng)頁(yè)、視頻等多尺度現(xiàn)代數(shù)字化教學(xué)技術(shù)，形成了基礎(chǔ)地質(zhì)（工程地質(zhì)）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)、礦物和巖石的光學(xué)顯微鏡鑒定教學(xué)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室等。利用數(shù)字化技術(shù)具有的存儲(chǔ)、多媒體展示和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，依托多種信息化技術(shù)建成包含課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)、在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛實(shí)結(jié)合的多維度與多尺度互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，形成現(xiàn)代數(shù)字教學(xué)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面融合模式；結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)支撐隊(duì)伍，師生互動(dòng)交流的渠道得以拓寬，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在多學(xué)科中實(shí)現(xiàn)跨越，實(shí)驗(yàn)操作在時(shí)間、空間限制上完成突破，形成了“人人易學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新機(jī)制。

（一）實(shí)驗(yàn)標(biāo)本照片的數(shù)字化

將土木工程類專業(yè)主干課程工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)涉及的自然界中常見(jiàn)的19種礦物、9種巖漿巖、9種沉積巖、8種變質(zhì)巖標(biāo)本進(jìn)行典型樣品的數(shù)字化制作、整理與編號(hào)，通過(guò)宏觀和微細(xì)觀圖片展示其物理特性，并制作巖礦物理、化學(xué)特性動(dòng)畫(huà)，加深學(xué)生對(duì)巖礦標(biāo)本顏色、光澤、解理、節(jié)理等特性的理解。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)多媒體課件的開(kāi)發(fā)

在工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂中，利用強(qiáng)烈的感官刺激帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與思維沖撞，以國(guó)家重大項(xiàng)目研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合礦物巖石的基本概念、顏色、光澤、解理、節(jié)理、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，以及三大類巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分、成巖過(guò)程、工程應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)緊跟科學(xué)研究前沿的內(nèi)容豐富、圖文并茂的課堂數(shù)字化教學(xué)課件；配合科學(xué)前沿研究視頻，從靜到動(dòng)地展示地質(zhì)與土木工程、環(huán)境科學(xué)的有機(jī)結(jié)合案例。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的改善

結(jié)合學(xué)校修購(gòu)專項(xiàng)資金與實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件進(jìn)行改善，配備了電腦、投影儀、音響等多媒體設(shè)備6臺(tái)套，更新了實(shí)驗(yàn)桌椅、礦物標(biāo)本、刻刀、摩氏硬度計(jì)、磁鐵、條痕板等實(shí)驗(yàn)用具200余臺(tái)套，新增和更新平面展板和立體展板30余套，直觀展示巖石及礦物循環(huán)演變的各個(gè)過(guò)程及物理性質(zhì)，并將偏光顯微鏡、電子顯微鏡等一些小型科研設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)演示以開(kāi)闊學(xué)生視野，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。

（四）互動(dòng)教學(xué)模式的改進(jìn)

采用“感官認(rèn)識(shí)—興趣驅(qū)動(dòng)—實(shí)踐貫通與互動(dòng)交流—深刻印象—強(qiáng)化能力”的教學(xué)模式，利用標(biāo)本實(shí)物、光學(xué)放大鏡和電子放大鏡、顯微鏡等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行宏—細(xì)—微觀多尺度教學(xué)，同時(shí)增加與學(xué)生的互動(dòng)，通過(guò)小組討論、各種地質(zhì)現(xiàn)象的搶答及演示活動(dòng)、電子放大鏡手機(jī)拍照、顯微鏡下觀察等環(huán)節(jié)，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。據(jù)近幾年的課堂反饋，利用電子放大鏡連接手機(jī)拍攝巖礦標(biāo)本的細(xì)觀特征并分享朋友圈成為學(xué)生上課的一大興趣愛(ài)好，這也很好地為工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)課程和巖礦細(xì)觀特征科普進(jìn)行了宣傳。

在知識(shí)傳授方面，主要采用課堂講授、提問(wèn)、討論與參觀等形式進(jìn)行教與學(xué)，傳授基本知識(shí)。在能力培養(yǎng)方面，通過(guò)啟發(fā)式和引導(dǎo)式標(biāo)本鑒定教學(xué)，提高學(xué)生獲取知識(shí)的能力；通過(guò)提問(wèn)、討論與分析，提高學(xué)生的知識(shí)理解和綜合應(yīng)用能力；通過(guò)學(xué)生自行動(dòng)手完成巖礦鑒定實(shí)驗(yàn)，提高其分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在素質(zhì)提升方面，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作，搜集和整理巖礦鑒定在實(shí)踐工作中應(yīng)用的范例，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)標(biāo)本描述以及課程考核的嚴(yán)格把關(guān)，將科學(xué)態(tài)度和敬業(yè)精神潛移默化地融入學(xué)生的意識(shí)，提升其職業(yè)道德素質(zhì)；通過(guò)小組分工合作，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和自我奉獻(xiàn)精神（詳見(jiàn)圖1）。

圖1 教學(xué)理念與教學(xué)方法示意圖［2］

（五）實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

本團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)地質(zhì)（工程地質(zhì)）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)針對(duì)工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中的礦物鑒定、巖漿巖鑒定、沉積巖和變質(zhì)巖鑒定建立了虛擬仿真訓(xùn)練，可支撐學(xué)生在學(xué)時(shí)和場(chǎng)地受限的情況下，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)。特別在2020年新冠疫情暴發(fā)的情況下，學(xué)生無(wú)法正常進(jìn)行線下學(xué)習(xí)，以及在后續(xù)國(guó)外留學(xué)生無(wú)法返校的情況下，采用教師線上直播教學(xué)與學(xué)生在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)相結(jié)合的方法，取得了較好的教學(xué)效果，也為日后線上教學(xué)提供了保障。

三、形成工程實(shí)踐應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效反饋機(jī)制

利用工程地質(zhì)野外實(shí)踐基地——浙江杭州地質(zhì)實(shí)習(xí)基地，構(gòu)建老和山線路的地質(zhì)基本功及水文地質(zhì)實(shí)習(xí)，玉皇山線路地質(zhì)構(gòu)造實(shí)習(xí)，錢塘江沿岸線路、寶石山和龍井—靈隱線路的工程地質(zhì)實(shí)習(xí)這五條各具特色的實(shí)習(xí)路線，引導(dǎo)學(xué)生從肉眼鑒定三大類巖石的能力，到運(yùn)用地質(zhì)術(shù)語(yǔ)，識(shí)別地質(zhì)圖，鑒別巖層性質(zhì)、地質(zhì)年代及其分布規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造、巖層的接觸關(guān)系，閱讀和應(yīng)用地質(zhì)報(bào)告等，對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握和實(shí)踐應(yīng)用能力進(jìn)行檢驗(yàn)，采用啟發(fā)式、參與式、討論式、探究式和案例式的教學(xué)方法，通過(guò)地質(zhì)現(xiàn)象和工程實(shí)例講解、現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)答疑、野外記錄和作圖等多種手段，構(gòu)建課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效的反饋機(jī)制，將工程地質(zhì)野外實(shí)踐應(yīng)用與課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效反饋有機(jī)結(jié)合，建立起實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與學(xué)科應(yīng)用發(fā)展同步持續(xù)更新的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)尤其是人格品質(zhì)的養(yǎng)成起到積極作用。

四、成果的推廣應(yīng)用效果

通過(guò)2016—2021年五年間的研究、探索與實(shí)踐，我們集成了上海市首批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)”及同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“礦物鑒定”“巖漿巖鑒定”“沉積巖和變質(zhì)巖鑒定”等實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)成果，并利用自編教材《工程地質(zhì)學(xué)》和《礦物和巖石鑒定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》，以及線上學(xué)習(xí)平臺(tái)資源，形成一套教師講授與學(xué)生獨(dú)立操作、課上教學(xué)與課下復(fù)習(xí)相結(jié)合的高效實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生扎實(shí)掌握巖礦鑒定、識(shí)別地質(zhì)現(xiàn)象和閱讀勘查報(bào)告的方法，提供了多種途徑和手段。該體系面向土木工程學(xué)科每年450人次的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了良好的應(yīng)用效果，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容滯后于學(xué)科發(fā)展的瓶頸和學(xué)時(shí)場(chǎng)地對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的限制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合。

結(jié)語(yǔ)

在經(jīng)濟(jì)化、信息化背景下，以培養(yǎng)面向未來(lái)行業(yè)發(fā)展及社會(huì)需求的土木人才為目標(biāo)，通過(guò)學(xué)科發(fā)展前沿成果與實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源聯(lián)動(dòng)開(kāi)發(fā)、現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式融合提高、工程實(shí)踐應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋機(jī)制構(gòu)建等一系列舉措，形成面向?qū)W科發(fā)展與教學(xué)技術(shù)進(jìn)步的工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新體系。構(gòu)建工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與學(xué)科同步發(fā)展的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，可以有效破解實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容滯后于學(xué)科發(fā)展的瓶頸，形成多尺度現(xiàn)代多媒體教學(xué)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面融合模式，從而突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受限于學(xué)時(shí)和場(chǎng)地的限制；建立工程實(shí)踐應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)全面提高面向未來(lái)行業(yè)發(fā)展及社會(huì)需求的土木人才培養(yǎng)質(zhì)量起到重要的支撐作用。