工程地質實驗教學體系創新的理論與實踐

劉 琦，王建秀，石振明，葉真華，俞松波

（同濟大學 土木工程學院/巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

引言

在土木工程學科快速發展和信息化教學技術快速進步的背景下，如何充分利用學科發展前沿理論和研發成果，并融合數字化現代實驗教學手段，提升高校實驗教學質量與水平，滿足一流人才培養目標的需求，是土木工程學科實驗教學改革與發展的重要任務和挑戰。同濟大學土木工程學科工程地質實驗包括三個項目：礦物鑒定、巖漿巖鑒定、沉積巖和變質巖鑒定。它屬于土木工程學院本科生的必修課，每年約有450人次本科生學習該課程。土木、水利工程類非地質專業的巖礦鑒定實驗課程，更側重于地質與工程的緊密結合，學生不但要學會認知巖石、礦物、地質構造，更多的是要根據所認識的巖石礦物對路基、隧道、邊坡、地基以及地質災害等工程提出設計和施工方案，解決工程建設及運行過程中的疑難雜癥。但是，由于非地質類專業開設的地質類課程偏少，對于地質學和工程地質學只有初步的認識，對地質學的基本概念缺乏系統的理解，特別是對于巖石和礦物細微觀特征的理解更難以把握，而巖礦的物理性質和結構特征大多比較抽象，特別是巖石中的礦物晶體較小，較難在有限的實驗課時內學會鑒別。據此，近些年對工程地質實驗教學體系進行了系統的研究和探索，構建了實驗教學資源平臺，將學科發展前沿成果持續轉化到實驗教學中；構建信息化教學系統，將數字化教學技術與傳統課堂實驗教學緊密融合；構建實驗教學成效反饋機制，將工程地質實踐應用與實驗教學成效反饋有機結合。實驗教學體系在近五年的不斷完善和推廣應用中取得了良好的成效，對土木人才培養起到重要的支撐作用。

一、構建實驗教學體系與土木工程學科同步發展的聯動機制

以國家重大需求的地質環境和工程安全的實際科學前沿問題為導向，依托團隊承擔的國家自然科學基金、國家重點研發項目等重大課題研究成果，采用內在融合和互動機制創新，將優秀前沿科研成果不斷轉化為實驗教學項目的改革。重點將課程由驗證性轉化為綜合性、設計性實驗教學項目，通過視覺、聽覺、觸覺的感官認識來激發學生學習興趣。通過機制和制度創新，結合中國大學MOOC平臺“工程地質學”和“工學的地質思維-基礎地質（普通地質學）”建立工程地質實驗理論教學資源平臺，組成一支有2位正高、2位副高及1位中級職稱教師結合的現代實驗教學資源研發師資隊伍，使一線教師參與到實驗教學改革中，形成“實驗教師+理論教師”相結合的現代實驗教學資源研發師資隊伍。建立起實驗教學內容、實驗項目和實驗裝備與學科發展同步持續更新的聯動機制，從而破解工程地質實驗教學內容滯后于學科發展的瓶頸，為土木工程學科人才培養提供重要基礎。

二、多尺度現代數字教學技術與實驗教學的融合模式

實驗課程以相關紀錄片或工程案例視頻開場，在營造輕松、友好的實驗教學氛圍的基礎上，以提高學生的精準實驗能力為目標，以學生為中心的全過程主動參與為前提，以理論—實驗—實踐一體化流程為路徑，利用虛擬實驗系統，建立具備宏觀地學背景、系統概念、生動高效傳遞知識、提升綜合能力的實驗課程。通過學校修購計劃和教改（精品）實驗項目的建設，綜合運用板書、多媒體、標本實物、網頁、視頻等多尺度現代數字化教學技術，形成了基礎地質（工程地質）虛擬仿真實驗項目平臺、礦物和巖石的光學顯微鏡鑒定教學互動實驗室等。利用數字化技術具有的存儲、多媒體展示和網絡傳輸的特點，依托多種信息化技術建成包含課堂實驗教學、在線實驗教學的虛實結合的多維度與多尺度互動的實驗教學體系，形成現代數字教學技術與實驗教學的全面融合模式；結合基礎地質實驗教學平臺和信息化實驗教學技術支撐隊伍，師生互動交流的渠道得以拓寬，實驗內容在多學科中實現跨越，實驗操作在時間、空間限制上完成突破，形成了“人人易學、處處能學、時時可學”的實驗教學新機制。

（一）實驗標本照片的數字化

將土木工程類專業主干課程工程地質實驗涉及的自然界中常見的19種礦物、9種巖漿巖、9種沉積巖、8種變質巖標本進行典型樣品的數字化制作、整理與編號，通過宏觀和微細觀圖片展示其物理特性，并制作巖礦物理、化學特性動畫，加深學生對巖礦標本顏色、光澤、解理、節理等特性的理解。

（二）實驗教學多媒體課件的開發

在工程地質實驗教學課堂中，利用強烈的感官刺激帶動學生的學習興趣與思維沖撞，以國家重大項目研究成果為基礎，結合礦物巖石的基本概念、顏色、光澤、解理、節理、結構、構造，以及三大類巖石的結構、構造、礦物成分、成巖過程、工程應用等教學內容，開發緊跟科學研究前沿的內容豐富、圖文并茂的課堂數字化教學課件；配合科學前沿研究視頻，從靜到動地展示地質與土木工程、環境科學的有機結合案例。

（三）實驗教學條件的改善

結合學校修購專項資金與實驗教改項目，對實驗教學條件進行改善，配備了電腦、投影儀、音響等多媒體設備6臺套，更新了實驗桌椅、礦物標本、刻刀、摩氏硬度計、磁鐵、條痕板等實驗用具200余臺套，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演變的各個過程及物理性質，并將偏光顯微鏡、電子顯微鏡等一些小型科研設備應用于教學演示以開闊學生視野，增強創新意識。

（四）互動教學模式的改進

采用“感官認識—興趣驅動—實踐貫通與互動交流—深刻印象—強化能力”的教學模式，利用標本實物、光學放大鏡和電子放大鏡、顯微鏡等實驗設備，進行宏—細—微觀多尺度教學，同時增加與學生的互動，通過小組討論、各種地質現象的搶答及演示活動、電子放大鏡手機拍照、顯微鏡下觀察等環節，活躍課堂氣氛，提高學生的學習積極性。據近幾年的課堂反饋，利用電子放大鏡連接手機拍攝巖礦標本的細觀特征并分享朋友圈成為學生上課的一大興趣愛好，這也很好地為工程地質實驗課程和巖礦細觀特征科普進行了宣傳。

在知識傳授方面，主要采用課堂講授、提問、討論與參觀等形式進行教與學，傳授基本知識。在能力培養方面，通過啟發式和引導式標本鑒定教學，提高學生獲取知識的能力；通過提問、討論與分析，提高學生的知識理解和綜合應用能力；通過學生自行動手完成巖礦鑒定實驗，提高其分析和解決實際問題的能力。在素質提升方面，結合室內實驗的教學工作，搜集和整理巖礦鑒定在實踐工作中應用的范例，提升學生的學習興趣；通過標本描述以及課程考核的嚴格把關，將科學態度和敬業精神潛移默化地融入學生的意識，提升其職業道德素質；通過小組分工合作，鍛煉學生的團隊合作意識和自我奉獻精神（詳見圖1）。

圖1 教學理念與教學方法示意圖［2］

（五）實現虛擬仿真實驗教學

本團隊開發的基礎地質（工程地質）虛擬仿真實驗項目平臺針對工程地質實驗中的礦物鑒定、巖漿巖鑒定、沉積巖和變質巖鑒定建立了虛擬仿真訓練，可支撐學生在學時和場地受限的情況下，進行自主學習、探究學習和協作學習。特別在2020年新冠疫情暴發的情況下，學生無法正常進行線下學習，以及在后續國外留學生無法返校的情況下，采用教師線上直播教學與學生在線虛擬仿真實驗項目平臺預習、復習相結合的方法，取得了較好的教學效果，也為日后線上教學提供了保障。

三、形成工程實踐應用與實驗教學成效反饋機制

利用工程地質野外實踐基地——浙江杭州地質實習基地，構建老和山線路的地質基本功及水文地質實習，玉皇山線路地質構造實習，錢塘江沿岸線路、寶石山和龍井—靈隱線路的工程地質實習這五條各具特色的實習路線，引導學生從肉眼鑒定三大類巖石的能力，到運用地質術語，識別地質圖，鑒別巖層性質、地質年代及其分布規律、地質構造、巖層的接觸關系，閱讀和應用地質報告等，對學生的知識掌握和實踐應用能力進行檢驗，采用啟發式、參與式、討論式、探究式和案例式的教學方法，通過地質現象和工程實例講解、現場互動答疑、野外記錄和作圖等多種手段，構建課堂實驗教學成效的反饋機制，將工程地質野外實踐應用與課堂實驗教學成效反饋有機結合，建立起實驗教學內容、教學方法與學科應用發展同步持續更新的聯動機制，對學生綜合能力的培養尤其是人格品質的養成起到積極作用。

四、成果的推廣應用效果

通過2016—2021年五年間的研究、探索與實踐，我們集成了上海市首批虛擬仿真實驗教學項目“基礎地質實驗”及同濟大學精品實驗項目“礦物鑒定”“巖漿巖鑒定”“沉積巖和變質巖鑒定”等實驗教學相關成果，并利用自編教材《工程地質學》和《礦物和巖石鑒定實驗指導》，以及線上學習平臺資源，形成一套教師講授與學生獨立操作、課上教學與課下復習相結合的高效實驗教學方法，提高了學生的學習興趣，為學生扎實掌握巖礦鑒定、識別地質現象和閱讀勘查報告的方法，提供了多種途徑和手段。該體系面向土木工程學科每年450人次的本科實驗教學，取得了良好的應用效果，突破了實驗教學內容滯后于學科發展的瓶頸和學時場地對實驗教學模式的限制，實現了實驗教學與工程應用的有機結合。

結語

在經濟化、信息化背景下，以培養面向未來行業發展及社會需求的土木人才為目標，通過學科發展前沿成果與實驗教學資源聯動開發、現代實驗教學技術與傳統實驗教學方式融合提高、工程實踐應用與實驗教學反饋機制構建等一系列舉措，形成面向學科發展與教學技術進步的工程地質實驗教學創新體系。構建工程地質實驗教學體系與學科同步發展的聯動機制，可以有效破解實驗教學內容滯后于學科發展的瓶頸，形成多尺度現代多媒體教學技術與實驗教學的全面融合模式，從而突破實驗教學模式受限于學時和場地的限制；建立工程實踐應用與實驗教學成效反饋機制，實現工程應用對理論和實驗教學的反饋機制，實現工程地質實驗教學的可持續發展，對全面提高面向未來行業發展及社會需求的土木人才培養質量起到重要的支撐作用。