基礎地質實習教學方法的改革、創新與實踐

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：針對基礎地質實習教學方法進行改革和探索：轉變教師的角色，使之由知識的灌輸者轉換為學習的引導者。轉變學生的角色，使之由教學中的知識接受者轉化為知識獲取者。轉變教學思維方式，由教師直接給出肯定結論轉換為學生自主討論、自主做出結論。轉變考核方式，由單純考核知識掌握情況轉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、無人機等新的實習方法，提升學生實習興趣和動手能力。

關鍵詞：基礎地質實習；教學方法改革；自主學習；多角度考核；實習新方法

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

一、引言

同濟大學地質工程專業基礎地質教學具有鮮明的特色，形成了完善的教學體系。該體系包括基礎地質課堂教學、基礎地質實驗以及基礎地質實習。基礎地質教學體系的第一層次是課堂教學，內容覆蓋了普通地質學內容，為學生日后學習打下堅實基礎（圖1a）；第二層次是實驗教學，在實驗室內讓學生學習和認識巖礦鑒定的基本方法，在室內認識巖礦標本、巖心、古生物化石等地質樣品，在樣品尺度上認識地質體（圖1b）；第三層次是實習教學，在學生已經掌握了普通地質學理論知識和一般巖礦肉眼鑒定知識后，到大自然中去，在野外學習基本的地質工作方法[1-2]，在野外原位認識巖石和礦物、地質構造、地質災害、水文地質條件以及地殼運動的證據等（圖1c）。在野外地質實習中，傳統的方法是老師帶隊，沿著設定的實習路線，走到某個地質點，老師現場講授，同學們記錄，然后讓同學們在有限的時間內進行實際操作。由于時間短、地質點附近空間有限、學生未充分掌握地質技能等原因，很多同學只是走馬觀花，簡單聽講，簡單記錄，工作即告完成，教學效果不夠理想，為此，對基礎地質實習工作方法進行了改革和創新的探索，例如將3D數字掃描-3D數字重建-3D打印技術流程引入工程地質教學實踐[1]，多年實踐證明效果良好，可供類似實習參考。

二、教學方法的改革

1.轉變教師的角色，由灌輸到引導。高校教師主要工作是“傳道、授業、解惑”，在課堂傳遞知識點方面，此方法效果良好；但在短期的課程野外實習中，若仍將教師設定為教學的第一主角，則會存在諸多問題。野外實習，不是在野外的課堂教學，學生不應光靠聽講和思考來掌握知識，教師不應代替學生進行主動思考和操作。為此，在野外地質教學中，嘗試轉變教師角色。在每條工作線路開始之前，教師盡量不到地質點來講授知識，而是在線路開始之前，給同學們闡述要學習的知識和技能（圖1c），介紹宏觀地質背景，提出要解決的地質問題，大致指定地質點的空間方位，然后讓同學們以小組為單位，自行到地質點附近找點并進行相應的地質工作（圖2）。在同學們工作過程中，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，將指導性、結論性的內容放到最后來講，便于同學對比和校正自己工作內容。

2.轉變學生的角色，由配角到主角。在傳統教學中，學生是知識的受眾，主動權在教師手中。對于部分學習主動性不夠的同學，完全變成配角。學習變成別人的事，也不是一個愉快的過程。為此，轉變學生的角色，讓其由配角變成主角。學生在每條實習路線開始之前，通過教師講授對實習區的地質背景、用到的基本知識、每個地質點上可能的內容進行了解。之后，學生自行尋找實習觀察地質點，并對之進行觀察、討論、描述與總結（圖3）。由于是多組并行實習，存在實習效果的對比，也要考慮怎樣通過小組內部的有效協同，來提高工作效率。實習結束后，以小組為單位輪流匯報工作內容，讓同學們成為實習的主角，提高其在學習過程中的興奮度和緊張性，變被動學習為主動學習。

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

三、新方法

結合科學研究工作，本課程在野外實習工作中除了采用傳統的地質工作方法外，還引入了回彈儀、紅外熱像儀、3D掃描儀、無人機等新的實習方法，提升學生實習興趣和動手能力。

1.回彈儀。基于服務于本校地質工程主體、服務于工程建設的教學理念，本課程在進行基礎地質實習過程中，引入回彈儀（圖5（a）），將不同巖性及構造的巖體視為具有不同工程力學屬性的材料，對實習路線中的火山角礫巖、凝灰巖、花崗巖、泥巖及板巖等進行測試比較，促使學生將地質體的地質屬性與工程力學屬性進行銜接思考。

2.紅外熱像儀。為了激發學生對地質問題的創新性思考，引入FLUKE Ti95型熱紅外儀用于巖土體識別應用教學（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），使得學生直觀理解到熱紅外儀工作的基本原理，認知不同成分結構的地質體與生物體的熱紅外輻射差異性，思考熱紅外在地質調查過程中應用的可能性，思考熱紅外儀現場應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。在野外地質教學中，一般采用現場手動測量的方式獲取巖石、礦物的特征和測量巖層及節理的產狀。平面照片僅能反映地質體平面兩維的圖像學特征，無法采集地質信息。本實習在野外工作中，引入3D掃描儀，針對典型的巖石，除了用手工進行標定和定向外，采用3D掃描儀獲取地質體表面形貌特征，形成點云數據。利用圖像紋理貼圖技術，將可見光照片與野外3D數據結合，利用杰魔Geomagic Studio形成三維表面和三維實體，然后用三維后處理貼圖，獲取具有矢量數據的地質體表面三維特征，在計算機系統里重建野外地質體的三維形貌，生成能在計算機里測量產狀的數字模型（圖7）。極大地提升了學生的學習興趣。

4.無人機。考慮到傳統的野外實習中，學生只能進行局部露頭與手標本尺度的觀察；對于大范圍或者遠距離的宏觀地質形跡，并不能很好地觀察分析。故引入大疆無人機，對實習區橫山觀察點的陡壁與天平山山頂的花崗巖露頭進行拍攝觀察，培養學生從多尺度角度對地質現象進行觀察分析的能力。

四、結束語

以上教學改革工作在同濟大學地質工程專業蘇州地質實習中實踐了4年，取得了一些經驗，同學們在野外實習中自主性明顯增強，能夠接受新的以自己為主體的實習方法，同時，還能在組長的帶領下，開展相關問題的工程地質分析和討論，并能做出結論，激發了學生自主學習和辯證性思考的能動性。基于對傳統基礎地質實習模式的再審視，結合本校地質工程專業學生基礎地質主體服務于工程建設的理念，在基礎地質短期實習過程中，引入紅外熱像儀、回彈儀及無人機，促進學生思考新型技術在工程地質勘查中的應用可能性，思考具有不同地質構造、不同成分的地質體作為工程材料的屬性表征，并應用新型技術以保證多尺度地質調查得到有效進行。

參考文獻：

[1]王建秀，劉笑天，居哲超，等.3D數字掃描-3D數字重建-3D打印技術在地質工程教學中的應用[J].教育教學論壇，2016，（42）：160-161.

[2]唐益群.工程地質學實習教程[M].同濟大學出版社，2002.