從工程地質(zhì)學教學中研究知識的傳承與創(chuàng)新

胡江春+王紅芳

摘要：知識本是歷史的、創(chuàng)造的、流動的，雖然現(xiàn)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(zhì)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(fā)展軌跡。通過對巖石成因、河流地質(zhì)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(chuàng)新的真正意義。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)學；探究過程；傳承與創(chuàng)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(zhì)學是研究與人類工程建筑等活動有關(guān)的地質(zhì)問題的科學，是地質(zhì)學的一個分支學科。它產(chǎn)生于地質(zhì)學的發(fā)展和人類工程活動經(jīng)驗的積累中。在土木工程專業(yè)培養(yǎng)體系中，工程地質(zhì)學是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程是以地質(zhì)領(lǐng)域的基本知識為背景，既系統(tǒng)介紹了巖石、土及地下水的基本知識，也研究了不良地質(zhì)作用、巖土工程勘察等實踐性較強的內(nèi)容，由于課程實踐性太強，培養(yǎng)計劃一般又安排在低年級教學，所以學生普遍認為內(nèi)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(shù)是從培養(yǎng)學生的學習興趣、優(yōu)化教學內(nèi)容、創(chuàng)新教學手段入手，或者從實踐教學出發(fā)，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(diào)整課程體系，增加學生的興趣點，大家的落腳點都是從地質(zhì)思維到創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，或者是在教學過程中就關(guān)注了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

地質(zhì)學知識都是有歷史的，是在流動中不斷創(chuàng)造和發(fā)展，在這歷史、創(chuàng)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(nèi)容。本文以工程地質(zhì)學中巖石成因、河流地質(zhì)作用以及地震地質(zhì)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(fā)展軌跡，理解其中的思想、觀念和方法，從中傳承精神，體會創(chuàng)新。

二、工程地質(zhì)學知識的探究過程

工程地質(zhì)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(guī)律和工程地質(zhì)性質(zhì)、分類，巖石和土的成分和結(jié)構(gòu)，以及在自然條件和工程作用下這些性質(zhì)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(fā)生和可能發(fā)生的各種地質(zhì)作用和工程地質(zhì)問題；研究防治不良地質(zhì)作用的有效措施；研究工程地質(zhì)條件的區(qū)域分布特征和規(guī)律，預測其在自然條件下和工程建設(shè)活動中的變化和可能發(fā)生的地質(zhì)作用，評價其對工程建設(shè)的適宜性。

工程地質(zhì)學的研究內(nèi)容都是經(jīng)過人們長期的實踐經(jīng)驗總結(jié)出來的，并在工程實踐中經(jīng)過檢驗的人類智慧的結(jié)晶。它們的形成是一個長期的、經(jīng)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(zhì)學知識、傳承科學精神、培養(yǎng)創(chuàng)新思維作用匪淺。

1.巖石成因的探究過程。人類對地質(zhì)知識的認識，經(jīng)過長期而曲折的歷史過程，其中關(guān)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(zhàn)。

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(zhì)資料和化石標本，實地考察了不列顛許多地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)都與水的沉積作用有關(guān)，于是他便得出結(jié)論，認為現(xiàn)今地球表層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是在洪水中形成的。當洪水發(fā)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(jié)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(fā)形成熔巖流這一自然現(xiàn)象得到啟發(fā)，經(jīng)過一段時間的總結(jié)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(fā)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(chuàng)造了島嶼、大陸和山脈，在經(jīng)過一段時間地質(zhì)年代的演變才出現(xiàn)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(guān)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(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。這就是早期的水成論和火成論之爭。在地質(zhì)學發(fā)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(lǐng)域中占有統(tǒng)治地位，德國地質(zhì)學家維爾納（A.G.Werner，1750-1817）是公認的領(lǐng)袖。維爾納水成論思想的形成與他家鄉(xiāng)的特殊地質(zhì)情況有關(guān)。他通過對家鄉(xiāng)礦石中所含礦物的仔細研究發(fā)現(xiàn)薩克森地區(qū)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(jié)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?guī)r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(jié)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(zhì)作用停止的穩(wěn)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(jīng)》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(zhì)調(diào)查，補充資料，于1795年在皇家學會再度發(fā)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(fā)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(nèi)部的熔融體結(jié)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(zhì)巖的成因。赫頓死后，他的摯友普雷菲爾于1802年撰寫了《關(guān)于“赫頓地球論”的說明》，比較系統(tǒng)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(fā)表一篇《以法國中部火山巖說明河谷的沖蝕現(xiàn)象》，文中的論點是水成作用與火成作用相結(jié)合，并明確提出自然變化的漸進作用。

2.河流地質(zhì)作用的探究過程。導致地球上無機界變化的地質(zhì)營力可分為外力地質(zhì)作用和內(nèi)力地質(zhì)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(jié)和下一小節(jié)我們分別取河流和地震兩種地質(zhì)作用來介紹人們對其的探究過程。萊伊爾認為河流地質(zhì)作用的結(jié)果可以分為破壞和運輸?shù)慕Y(jié)果和再造性質(zhì)的結(jié)果。前者包括巖石的侵蝕作用和物質(zhì)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(zhì)硬度的不一致，往往局部使侵蝕作用的側(cè)面掘蝕力改變方向”可以看出，以前人們對河流側(cè)蝕作用的原因單純是以為河槽物質(zhì)硬度不同造成的，沒有認識到河水環(huán)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(shù)、城鎮(zhèn)的破壞情況、財產(chǎn)的損失或者觀察者昏眩恐怖的某些大氣現(xiàn)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(xiàn)象。這一時期的地震研究主要是對地震的考察，對地震現(xiàn)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(xiàn)象的收集、整理及分類工作。觀察收集的現(xiàn)象包括：陸地的持續(xù)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(xiàn)象的觀察記錄已經(jīng)相當成熟完備。（2）地震作用現(xiàn)象背后的本質(zhì)。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(jīng)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(xiàn)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(jīng)意識到：在經(jīng)常發(fā)生地震的地區(qū)，經(jīng)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(zhì)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(zhì)現(xiàn)象形成的主要營力之一，這一時期地震的研究就已經(jīng)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(nèi)部物質(zhì)的研究提供了間接證明材料。通過對地震發(fā)生時間的規(guī)律性、火山口噴發(fā)和氣候的關(guān)系等推斷出地面下有巨大的熔融物質(zhì)，這些熔融物質(zhì)在地殼中只占次要位置，從而得出地殼柔順性的結(jié)論。這一時期的地震研究已經(jīng)比較完善，人們也已經(jīng)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(shù)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(zhì)學知識的傳承與創(chuàng)新

通過對巖石成因、河流地質(zhì)作用以及地震地質(zhì)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(zhì)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(tǒng)，才算得上是水成論的開山鼻祖。而火成論的創(chuàng)始人莫羅，從火山爆發(fā)形成熔巖流這一自然現(xiàn)象得到啟發(fā)，經(jīng)過一段時間的總結(jié)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(zhì)30余年，比較確切地提出了巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)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(huán)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(zhì)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(zhì)，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(nèi)部物質(zhì)的探討也顯示了當時的科學技術(shù)水平的不足，整個社會的科學技術(shù)水平限制著相關(guān)學科的發(fā)展與進步。

4.知識歷史中形成的方法對現(xiàn)在的科學研究也有一定的指導意義。雖然當時的技術(shù)水平和現(xiàn)在相比要落后很多，但是當時的某些方法對于今天的發(fā)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(qū)，觀察了高屋頂上的煙囪、瓫罐和塑像的倒落方向，根據(jù)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(jié)果只是粗略的估計，但是不斷重復考察，可以獲得準確的結(jié)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(jié)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(fā)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(chuàng)造過程，對于提高學生的科學素養(yǎng)，改變片面灌輸科學知識的狀況有現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1][英]萊伊爾.地質(zhì)學原理[M].徐韋曼，譯.北京大學出版社，2008.

[2]張忠苗.工程地質(zhì)學[M].中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]梁仕華，李子生，劉勇健.工程地質(zhì)學教學方式探討[J].廣東工業(yè)大學學報（社會科學版），2007，7（6）：56-57.

[4]尚敏.基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程地質(zhì)教學研究[J].高等建筑教育，2010，19（5）：81-83.

[5]羅國煜.論工程地質(zhì)學基本理論[J].江蘇地質(zhì)，2001，25（4）：196-199.

[6]王哲，陳東瑞，張勇.土木工程專業(yè)工程地質(zhì)課程實踐教學方法探討[J].高等建筑教育，2010，19（4）：125-127.

[7]李東升，姜曙光.土木工程專業(yè)工程地質(zhì)學創(chuàng)新性實驗教學研究[J].石河子大學學報（哲學社會科學版），2009，23（12）：143-144.

[8]陳劍文，王亮清.地質(zhì)工程（工程地質(zhì)方向）專業(yè)地質(zhì)學基礎(chǔ)周口店野外教學探討[J].教育教學論壇，2016，（15）：251-252.

[9]肖武權(quán).土木工程專業(yè)工程地質(zhì)學教學改革探討[J].高教論壇，2009，（4）：61-63.