工程地質(zhì)教學(xué)中有關(guān)概念的幾點(diǎn)體會(huì)

高俊義 郝艷娥 李 尚

延安大學(xué)建筑工程學(xué)院 陜西延安 716000

工程地質(zhì)學(xué)是研究人類(lèi)工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境相互作用的一門(mén)學(xué)科。工程地質(zhì)學(xué)包括工程巖土學(xué)、工程地質(zhì)原理、工程地質(zhì)勘察三個(gè)基本部分，它們都已形成了不同的分支學(xué)科。巖土和水流共同作用的工程地質(zhì)如圖1所示。工程地質(zhì)課程中涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)概念，作為高校教師，如何能夠徹底厘清工程地質(zhì)學(xué)中有關(guān)概念機(jī)制，對(duì)于工程地質(zhì)學(xué)教育教學(xué)方式的提高和工程地質(zhì)學(xué)科未來(lái)的發(fā)展至關(guān)重要。

近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)工程地質(zhì)教學(xué)思考和改革方面開(kāi)展了一系列探討。有關(guān)工程地質(zhì)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)思考[1-4]，土木工程專(zhuān)業(yè)工程地質(zhì)教學(xué)中的創(chuàng)新教育探討[5]，工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)杭州野外實(shí)習(xí)教學(xué)方法思考[6]和“工程地質(zhì)”課程教學(xué)模式應(yīng)用調(diào)查與思考[7]。

傳統(tǒng)的工程地質(zhì)教學(xué)模式只注重知識(shí)的傳授，而忽略了學(xué)生對(duì)知識(shí)概念結(jié)合工程和生活實(shí)際素養(yǎng)的培養(yǎng)，而“一流課程”建設(shè)則要求培養(yǎng)學(xué)生的理論知識(shí)和工程素養(yǎng)的能力。因此，本文具體從以下方面入手展開(kāi)教學(xué)探討。

1 教學(xué)模型制作與演示

工程地質(zhì)課程的核心內(nèi)容是地質(zhì)，只有真正理解了地質(zhì)，才能更好地結(jié)合實(shí)際工程把影響工程的重要地質(zhì)要素糅合進(jìn)去，闡明地質(zhì)要素對(duì)工程影響的重要程度。要理解地質(zhì)，需要從地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)起，進(jìn)而學(xué)習(xí)巖土的工程性質(zhì)與分類(lèi)，地下水，不良工程地質(zhì)問(wèn)題與防治，土木工程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，工程地質(zhì)勘察等這些基礎(chǔ)內(nèi)容。

工程地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以統(tǒng)一采購(gòu)一些橡皮泥或石膏，由于其重量小、成本低、這樣比較方便學(xué)生輕拿輕放，方便使用和教學(xué)。由于橡皮泥或石膏具有良好的彈塑性，是很好的模型制作材料。實(shí)驗(yàn)室可用它們制作一些工程地質(zhì)學(xué)中常用到的石頭、土壤等的物理模型，首先讓學(xué)生能夠直觀認(rèn)識(shí)這些材料其實(shí)是工程地質(zhì)的主要材料，以及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。隨著課堂知識(shí)學(xué)習(xí)的逐步深入，再給學(xué)生展示它們之間相互作用機(jī)理，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)模型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有更深刻的理解，這樣由淺入深的教學(xué)環(huán)節(jié)能夠加深學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解與掌握。

工程地質(zhì)教學(xué)中許多概念都可以通過(guò)制作相關(guān)模型來(lái)達(dá)到教學(xué)的效果，例如，節(jié)理和斷層，制作一些橡皮泥或石膏模型，給學(xué)生課堂演示，可以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解與掌握。再比如地質(zhì)構(gòu)造中巖層褶皺構(gòu)造這一章節(jié)介紹，初步接觸的學(xué)生可能感到有些陌生，可以利用橡皮泥或石膏雕刻巖層的褶皺構(gòu)造，使得學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容更加能夠深刻理解。筆者在教學(xué)過(guò)程中會(huì)提問(wèn)學(xué)生同樣是巖體，那么巖層的褶皺構(gòu)造與巖體節(jié)理有何區(qū)別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生不能回答這個(gè)問(wèn)題，故可以制作材料模型說(shuō)明其實(shí)巖層的褶皺構(gòu)造其實(shí)巖石之間沒(méi)有斷裂，只是巖石發(fā)生彎曲，而巖體節(jié)理則是巖石之間產(chǎn)生了斷裂，這個(gè)提問(wèn)非常好，可以讓學(xué)生明白，同樣是研究巖石，但褶皺巖層與節(jié)理巖體有著本質(zhì)上的區(qū)別。褶皺巖層與節(jié)理巖體示意如圖2所示。

2 礦物、巖石、巖體關(guān)系探討

工程地質(zhì)教材在礦物與巖石章節(jié)部分的編撰邏輯是先介紹地球，再介紹礦物，最后介紹巖石。地球從表及里分別由地殼、地幔、地核三部分組成，筆者在工程地質(zhì)教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常把地球比喻成家喻戶(hù)曉的雞蛋，雞蛋屬于橢圓形，與地球類(lèi)似，而且雞蛋的蛋殼相當(dāng)于地球的地殼，蛋清相當(dāng)于地球的地幔，蛋黃相當(dāng)于地球的地核，這樣的教學(xué)方式能夠讓學(xué)生很容易地理解，畢竟學(xué)生在日常生活中接觸雞蛋的頻率很高。地球結(jié)構(gòu)類(lèi)比雞蛋結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

在教學(xué)礦物部分，地殼中的化學(xué)元素，除極少數(shù)呈單質(zhì)存在之外，絕大多數(shù)的元素都以化合物的形態(tài)存在。礦物是指存在于地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素或化合物。既然涉及單質(zhì)和化合物，很多情況屬于微觀層面，這部分教學(xué)內(nèi)容建議有條件的高?？梢允褂媒虒W(xué)專(zhuān)用經(jīng)費(fèi)購(gòu)買(mǎi)一些礦物樣品。例如，構(gòu)成巖石的礦物稱(chēng)為造巖礦物，常見(jiàn)的造巖礦物有石英(SiO2)、正長(zhǎng)石(KA1Si3O8)、方解石(CaCO3)等，如圖4所示。首先，這些礦物陳列于專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生眼觀與觸摸多感官相結(jié)合的教學(xué)效果，會(huì)產(chǎn)生一種身臨其境的感受，加深學(xué)生對(duì)課本所學(xué)礦物的物理與化學(xué)性質(zhì)等深層次的認(rèn)識(shí)與理解。其次，實(shí)驗(yàn)室可購(gòu)買(mǎi)顯微鏡等微觀設(shè)備來(lái)有力觀察礦物的微觀結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)有更深層次的認(rèn)識(shí)。

在教學(xué)巖石部分，首先需要強(qiáng)調(diào)巖石的概念。巖石是天然生成的且具有一定的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的礦物集合體，是組成地殼的基本物質(zhì)，是內(nèi)、外地質(zhì)動(dòng)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物。學(xué)習(xí)了概念之后，這里一定要給學(xué)生強(qiáng)調(diào)巖石與礦物的關(guān)系，即礦物組成了巖石，更加準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是造巖礦物組成了巖石，讓學(xué)生從微觀與宏觀層面的銜接有更好地認(rèn)識(shí)。自然界有各種各樣的巖石，巖石按成因可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類(lèi)。這里教學(xué)一定要再三強(qiáng)調(diào)“成因”，即巖石形成的內(nèi)、外地質(zhì)作用機(jī)制，讓學(xué)生明白它們的命名機(jī)制。巖漿涌向地表或地下一定深處，因其地理環(huán)境即壓力和溫度條件發(fā)生了變化，故會(huì)冷凝成巖石，這種巖石稱(chēng)為巖漿巖；沉積巖是在地表或接近地表的常溫常壓環(huán)境下，各種既有巖石遭受外力地質(zhì)作用，經(jīng)過(guò)風(fēng)化剝蝕、搬運(yùn)、沉積和硬結(jié)成巖過(guò)程而形成的巖石。沉積巖廣泛分布于地表，覆蓋面積約占陸地面積的75%。變質(zhì)巖是由原來(lái)的巖石在地殼中受到高溫、高壓及化學(xué)成分加入的影響，在固體狀態(tài)下發(fā)生礦物成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化后形成的新的巖石。所以，變質(zhì)巖不僅具有自身獨(dú)特的特點(diǎn)，而且還常保留著原來(lái)巖石的某些特征。這部分教學(xué)筆者發(fā)現(xiàn)用過(guò)的兩種版本的教材先介紹巖漿巖，再介紹沉積巖，最后介紹變質(zhì)巖，筆者認(rèn)為這個(gè)編撰順序不太合理，應(yīng)該先介紹沉積巖，再介紹巖漿巖，最后介紹變質(zhì)巖，這樣與介紹地球知識(shí)的順序相同，由表及里。而且很多情況下這三大巖石可以相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化示意圖如圖5所示。

另外，還需要使學(xué)生徹底厘清巖石與巖體的區(qū)別，巖石的概念上文已提到，巖體是指在地質(zhì)歷史中形成的、由一種或多種巖石和結(jié)構(gòu)面組成的、具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境(地應(yīng)力、地下水、地溫)中的地質(zhì)體，是一定工程范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。即巖石和結(jié)構(gòu)面組成了巖體。那么礦物、巖石和巖體之間的關(guān)系可以歸納為礦物—巖石—巖體。還有礦物物理性質(zhì)解理和巖石物理性質(zhì)節(jié)理區(qū)別，筆者曾經(jīng)與所在單位的一位老教授交流探討過(guò)這個(gè)問(wèn)題，結(jié)晶礦物受力后，由其自身結(jié)構(gòu)的原因造成晶體沿一定結(jié)晶方向裂開(kāi)成光滑平面的性質(zhì)，稱(chēng)為解理；裂開(kāi)的光滑平面稱(chēng)為解理面。節(jié)理(joint)，也稱(chēng)為裂隙，是巖體受力斷裂后兩側(cè)巖塊沒(méi)有顯著位移的小型斷裂構(gòu)造。節(jié)理是很常見(jiàn)的一種構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象，就是我們?cè)趲r石露頭上所見(jiàn)的裂縫，或稱(chēng)巖石的裂縫。很明顯根據(jù)其定義解理針對(duì)的是礦物，是從微觀層面來(lái)講，而節(jié)理針對(duì)的是巖體，是從宏觀層面來(lái)講的。

3 工程地質(zhì)勘察教學(xué)方法探討

工程地質(zhì)勘察是運(yùn)用工程地質(zhì)理論和各種勘察技術(shù)手段和方法，為解決工程建設(shè)中的地質(zhì)問(wèn)題而進(jìn)行的調(diào)查工作[8]。工程地質(zhì)理論包括地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、巖土的工程性質(zhì)與分類(lèi)，地下水對(duì)不良工程地質(zhì)問(wèn)題與防治和土木工程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題等。各種勘察技術(shù)手段和方法包括室內(nèi)試驗(yàn)、室外原位試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)、十字板剪切試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等，工程地質(zhì)勘察常見(jiàn)的室外原位試驗(yàn)[9]如圖6所示。工程地質(zhì)勘察是工程地質(zhì)學(xué)的最終歸宿，即所有的工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)都是為工程地質(zhì)勘察而服務(wù)的，應(yīng)用工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)達(dá)到工程地質(zhì)勘察的目的，進(jìn)而為基礎(chǔ)及其上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。

首先，需要學(xué)生理解掌握工程地質(zhì)勘察的概念、任務(wù)、基本要求和勘察方法；其次，在學(xué)生學(xué)完課程之后，可以集中組織學(xué)生去當(dāng)?shù)氐囊恍┕こ痰刭|(zhì)勘察企業(yè)，了解企業(yè)文化，近距離觀察企業(yè)所有的設(shè)備和儀器，通過(guò)工程技術(shù)人員的講解能夠知道它們的用途及其注意事項(xiàng)；最后，具體可以感受工程勘察是怎樣的概念，使用哪些設(shè)備、儀器，怎樣去勘察，從哪些步驟入手。

有條件的高?？梢越M織學(xué)生去工地現(xiàn)場(chǎng)近距離觀摩工程地質(zhì)勘察過(guò)程，撰寫(xiě)工程地質(zhì)勘察感受，這樣的理論教學(xué)與實(shí)際工程相結(jié)合的教學(xué)模式，能夠達(dá)到真正意義上的產(chǎn)學(xué)研的完美結(jié)合。

結(jié)語(yǔ)

本文基于工程地質(zhì)教學(xué)中涉及的工程地質(zhì)教學(xué)中教學(xué)模型制作與演示和礦物、巖石、巖體關(guān)系探討及工程地質(zhì)勘察教學(xué)方法探討三個(gè)方面開(kāi)展了全方位多角度地探討，在理解概念的同時(shí)有效結(jié)合實(shí)際工程或生活中的實(shí)例進(jìn)行探討，期望學(xué)生能夠在理解概念的基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他相關(guān)理論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、研究性思維、實(shí)踐創(chuàng)新和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，同時(shí)希冀引起同行教師對(duì)工程地質(zhì)學(xué)的基本概念以及教學(xué)方式、方法的一些共鳴。