工程地质实验教学体系创新的理论与实践

刘  琦^1,2，王建秀^1,2，石振明^1,2，叶真华^1,2，俞松波^1,2

（1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系,上海,200092；  4p 

      2.岩土及地下工程教育部重点实验室(同济大学),上海,200092）

[摘  要]：针对培养面向未来行业发展及社会需求的土木人才需求，通过构建实验教学资源平台，将学科发展前沿成果持续转化到实验教学中；构建信息化教学系统，将数字化教学技术与传统课堂实验教学紧密融合；构建实验教学成效反馈机制，将工程地质实践应用与实验教学成效反馈有机结合等一系列举措，使土木工程实验教学示范中心的工程地质实验教学体系建设成果取得了显著的示范作用和辐射效应。形成了面向学科发展与教学技术进步的工程地质实验教学创新体系，为同济大学土木工程一流学科建设提供了支撑。

[关键词]：土木工程；工程地质实验；教学体系创新

[基金项目]：2019年上海市教育委员会本科重点课程“基础地质”【编号无】；2020年同济大学第十五期实验教学改革项目“地下水中离子测定实验教学手段改革的研究与实践”【无】。

[作者简介]：刘琦（1980-），女，内蒙古包头市，博士，同济大学土木工程学院，副研究员，主要从事水文地质工程地质方面的教学和研究；王建秀（1971-），男，吉林长春市，博士，同济大学土木工程学院，教授，主要从事工程地下水与环境控制的教学与研究工作；石振明（1968-），男，辽宁朝阳市，博士，同济大学土木工程学院，教授，主要从事水文地质工程地质方面的教学和研究。

[中图分类号]：G642.41    [文献标识码]： A   

在土木工程学科快速发展和信息化教学技术快速进步的背景下，如何充分利用学科发展前沿理论和研发成果并融合数字化现代实验教学手段，提升高校实验教学质量与水平，使其满足一流人才培养目标的需求，是土木工程学科实验教学改革与发展的重要任务和挑战。

同济大学土木工程学科工程地质实验包括三个实验项目：矿物鉴定、岩浆岩鉴定、沉积岩和变质岩鉴定，属于土木工程学院本科生必修课，每年约有450人次本科生学习该课程。土木、水利工程类非地质专业的岩矿鉴定实验课程，更侧重于地质与工程的紧密结合，学生不但要学会认知岩石、矿物、地质构造，更多的是要根据所认识的岩石矿物对路基、隧道、边坡、地基以及地质灾害等工程提出设计和施工方案，解决工程建设中及运行过程中的疑难杂症^[1]。但是，由于非地质类专业开设的地质类课程偏少，对于地质学和工程地质学只有初步的认识，对地质学的基本概念还缺乏系统的理解，特别是对于岩石和矿物的细微观特征的理解更难于把握，而岩矿的物理性质和结构特征大多比较抽象，特别是岩石中的矿物晶体较小，更难于在有限的实验课时内学会鉴别^[2]。据此，近些年对工程地质实验教学体系进行了系统的研究和探索，构建实验教学资源平台，将学科发展前沿成果持续转化到实验教学中；构建信息化教学系统，将数字化教学技术与传统课堂实验教学紧密融合；构建实验教学成效反馈机制，将工程地质实践应用与实验教学成效反馈有机结合。实验教学体系在近五年的不断完善和推广应用中取得了良好的成效，对土木人才培养起到了重要支撑作用。

一、构建实验教学体系与土木工程学科同步发展的联动机制

以国家重大需求的地质环境和工程安全的实际科学前沿问题为导向^[3]，依托团队承担的国家自然科学基金、国家重点研发项目等重大课题研究成果，采用内在融合和互动机制创新，将优秀前沿科研成果不断转化为实验教学项目的改革。重点将课程由验证性转化为综合性、设计性实验教学项目，通过视觉、听觉、触觉的感官认识来激发学生学习兴趣，通过机制和制度创新，结合中国大学MOOC平台“工程地质学”（https://www.icourse163.org/course/TONGJI-1002982008）和“工学的地质思维-基础地质（普通地质学）”（https://www.icourse163.org/course/TONGJI-1206432805），建立了工程地质实验理论教学资源平台^[2-3]，组成了一支由2位正高，2位副高及1位中级职称的现代实验教学资源研发师资队伍，使一线教师参与到实验教学改革中，组成了“实验教师+理论教师”相结合的现代实验教学资源研发师资队伍，建立起实验教学内容、实验项目和实验装备与学科发展同步持续更新的联动机制，从而破解了工程地质实验教学内容滞后于学科发展的瓶颈，为土木工程学科人才培养提供重要的基础。

二、多尺度现代数字教学技术与实验教学的全面融合模式

实验课程以相关纪录片或工程案例视频开场，在营造轻松友好的实验教学氛围的基础上，以提高学生精准实验能力为目标，以学生为中心的全过程主动参与为前提，以理论-实验-实践一体化流程为路径，利用虚拟实验系统，建立具备宏观地学背景、系统概念、生动、高效传递知识、提升综合能力的实验课程。通过学校修购计划和教改（精品）实验项目的建设，综合运用板书、多媒体、标本实物、网页、视频等多尺度现代数字化教学技术，形成了基础地质（工程地质）虚拟仿真实验项目平台、矿物和岩石的光学显微镜鉴定教学互动实验室等。利用数字化技术所具有的存储、多媒体展示和网络传输的特点，依托多种信息化技术建成了包含课堂实验教学、在线实验教学的虚实结合多维多尺度互动的实验教学体系^[3-5]，形成了现代数字教学技术与实验教学的全面融合模式；结合基础地质实验教学平台和信息化实验教学技术支撑队伍，使师生互动交流的渠道得以拓宽、实验内容在多学科中实现跨越、实验操作在时间空间限制上完成突破，形成了“人人易学、处处能学、时时可学”的实验教学新机制。

1. 实验标本照片的数字化

将土木工程类专业主干课程工程地质实验涉及到的自然界中常见的19种矿物、9种岩浆岩、9种沉积岩、8种变质岩标本进行了典型样品的数字化制作、整理与编号，通过宏观和微细观图片展示其物理特性，并制作岩矿物理、化学特性动画加深学生对岩矿标本的颜色、光泽、解理、节理等特性的理解。

2. 实验教学多媒体课件的开发

在工程地质实验教学课堂中，利用强烈的感官刺激带动学生的学习兴趣与思维冲撞，以国家重大项目研究成果为基础，结合矿物岩石的基本概念、颜色、光泽、解理、节理、结构、构造，以及三大类岩石的结构、构造、矿物成分、成岩过程、工程应用等教学内容，开发了紧跟科学研究前沿的内容丰富、图文并茂的课堂数字化教学课件；配合科学前沿研究视频，从静到动地展示地质与土木工程、环境科学的有机结合案例。

3. 实验教学条件的改善

结合学校修购专项资金与实验教改项目，对实验教学条件进行了改善，配备了电脑、投影仪、音响等多媒体设备6台套，更新了实验桌椅，矿物标本、刻刀、摩氏硬度计、磁铁、条痕板等实验用具200余台套，新增和更新平面展板和立体展板30余套，直观展示岩石及矿物循环演变的各个过程及物理性质，并将偏光显微镜、电子显微镜等一些小型科研设备应用于教学演示以开拓学生视野，增强创新意识。

4. 互动教学模式的改进

采用“感官认识-兴趣驱动-实践贯通与互动交流-深刻印象-强化能力”的教学模式^[2]，利用标本实物、光学放大镜和电子放大镜、显微镜等实验设备，进行宏-细-微观多尺度教学，同时增加与学生互动，通过小组讨论、各种地质现象的抢答及演示活动、电子放大镜手机拍照、显微镜下观察等环节，活跃课堂气氛，提高学生的学习积极性。据近几年课堂反馈，利用电子放大镜连接手机拍摄岩矿标本的细观特征并分享朋友圈成为学生们上课的一大兴趣爱好，这也很好地为工程地质实验课程和岩矿细观特征科普进行了宣传。

在知识传授方面，采用课堂讲授、提问、讨论与参观等形式进行教与学，传授基本知识。在能力培养方面，通过启发式和引导式标本鉴定教学，提高获取知识的能力；通过提问、讨论与分析，提高知识的理解和综合应用能力；通过学生自行动手完成岩矿鉴定实验，提高其分析和解决实际问题的能力。在素质提升方面，结合室内实验的教学工作，搜集和整理岩矿鉴定在实践工作中应用的范例，提升学生学习的兴趣；通过标本描述以及课程考核的严格把关，将科学态度和敬业精神潜移默化地融入到学生的意识；提升其职业道德素质，通过小组分工合作，锻炼其团队合作意识和自我奉献精神。

图1 教学理念与教学方法示意图^[2]

5. 实现虚拟仿真实验教学

本团队开发的基础地质（工程地质）虚拟仿真实验项目平台(https://civileng.tongji.edu.cn/jcdz/main.psp)，对工程地质实验中矿物鉴定、岩浆岩鉴定、沉积岩和变质岩鉴定建立了虚拟仿真训练，可供学生在学时和场地受限的情况下支撑其自主学习、探究学习和协作学习。特别在2020年新冠疫情爆发的情况下，学生无法正常进行线下课程，以及后续国外留学生无法返校的情况下，采用教师线上直播教学与学生在线虚拟仿真实验项目平台预习、复习相结合的方法，取得了较好的教学效果，也为日后线上教学提供了保障。

三、形成工程实践应用与实验教学成效反馈机制

利用工程地质野外实践基地-浙江杭州地质实习基地，通过老和山线路的地质基本功及水文地质实习，玉皇山线路地质构造实习，钱塘江沿岸线路、宝石山和龙井-灵隐线路的工程地质实习这五条各具特色的实习路线^[5]，从肉眼鉴定三大类岩石的能力，到运用地质术语，识别地质图，鉴别岩层性质、地质年代及其分布规律、地质构造、岩层的接触关系、阅读和应用地质报告等多个知识点对学生的知识掌握和实践应用能力进行检验，采用启发式、参与式、讨论式、探究式和案例式的教学方法^[4]，通过地质现象和工程实例讲解、现场互动答疑、野外记录和作图等多种手段，构建了课堂实验教学成效的反馈机制，将工程地质野外实践应用与课堂实验教学成效反馈有机结合，建立起了实验教学内容、教学方法与学科应用发展同步持续更新的联动机制，对学生综合能力的培养以及人格养成起到积极作用。

四、成果的推广应用效果

通过2016年-2021年五年的研究、探索与实践，集成了上海市首批虚拟仿真实验教学项目“基础地质实验”及同济大学精品实验项目“矿物鉴定”、“岩浆岩鉴定”、“沉积岩和变质岩鉴定”等实验教学相关成果，并利用自编教材《工程地质学》^[6]和《矿物和岩石鉴定实验指导》^[7]，以及线上学习平台资源，形成一套教师讲授与同学独立操作、课上教学与课下复习相结合的高效实验教学方法，提高了学生学习兴趣，为学生扎实掌握岩矿鉴定、识别地质现象和阅读勘察报告的方法提供了多种途径和手段。该体系面向土木工程学科每年450人次本科实验教学的应用并取得了良好的效果，突破了实验教学内容滞后于学科发展的瓶颈和学时场地对实验教学模式的限制，实现了实验教学与工程应用的有机结合，对全面提高面向未来行业发展及社会需求的土木人才培养质量起到了重要支撑作用。

五、总结

为经济化、信息化背景下土木工程行业的优秀研发、技术与管理人才，以培养面向未来行业发展及社会需求的土木人才为目标，通过学科发展前沿成果与实验教学资源联动开发、现代实验教学技术与传统实验教学方式融合提高、工程实践应用与实验教学反馈机制构建等一系列举措，形成了面向学科发展与教学技术进步的工程地质实验教学创新体系。构建工程地质实验教学体系与学科同步发展的联动机制从而破解了实验教学内容滞后于学科发展的瓶颈；形成多尺度现代多媒体教学技术与实验教学的全面融合模式从而突破实验教学模式受限于学时和场地的限制；建立工程实践应用与实验教学成效反馈机制，实现工程应用对理论和实验教学的反馈机制。实现了工程地质实验教学的可持续发展，对全面提高面向未来行业发展及社会需求的土木人才培养质量起到了重要支撑作用。

[参考文献]

［1］ 王建秀,唐益群,杨坪,等.非地质类专业工程地质实习教学方法探讨[J].教育教学论坛.2012,10 (31):124-125.

［2］ 刘琦,王建秀,叶真华,等.非地质类专业岩矿鉴定实验教学方法探讨[J].实验室科学.2017,12:102-104.

［3］ 王建秀,周洁,刘琦,等.工学的地质思维—普通地质学通识课程教学设计[J].教育教学论坛.2019,11:166-168.

［4］ 杨坪,王海林,石振明,等.岩矿实验课程课堂与网络双结合教学模式[J].教育教学论坛. 2013, (36):185-187.

［5］ 唐益群,石振明,董炳炎,等.工程地质学实习教程[M].上海:同济大学出版社,2002.

［6］ 石振明,孔宪立.工程地质学(第2版)[M].北京:中国建筑工业出版社.2011.

［7］ 叶真华,刘琦.矿物和岩石鉴定实验指导[M].上海:同济大学出版社.2015.

Theory and Practice of Teaching System Innovation of Engineering Geological Experiment

LIU Qi ^1,2， WANG Jianxiu ^1,2，SHI Zhenming ^1,2，YE Zhenhua ^1,2，Yu Songbo^1,2

（1. Department of Underground Architecture and Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092, China; 2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering, Ministry of Education (Tongji University), Shanghai, 200092, China)

Abstract: According to the needs of cultivating civil engineering talents for future industry development and social needs, the construction results of engineering geology experiment teaching system in Civil Engineering Experiment Teaching Center have achieved remarkable demonstration and radiation effect through a series of measures, such as build an experimental teaching resource platform to continuously transform the frontier achievements of discipline development into experimental teaching; Build an information-based teaching system and closely integrate digital teaching technology with traditional classroom experimental teaching; Construct the feedback mechanism of experimental teaching effect, organically combine the application of Engineering Geology Practice with the feedback of experimental teaching effect, and so on. An innovative teaching system of Engineering Geology Experiment oriented to discipline development and teaching technology progress has been formed, which provides support for the construction of first class discipline of civil engineering in Tongji University.

Keywords: Civil engineering; Engineering geological experiment; Innovation of teaching system