工學(xué)的地質(zhì)思維

一、引言
　　地學(xué)和物理、化學(xué)、生物、力學(xué)并稱五大基礎(chǔ)學(xué)科，地質(zhì)學(xué)是地學(xué)的重要組成部分。學(xué)習(xí)地質(zhì)學(xué)知識，可以大大拓展學(xué)生的視野，增強學(xué)生的知識面和知識層次。目前，國家正在大力鼓勵學(xué)科交叉和創(chuàng)新，新工科的發(fā)展更是對學(xué)科交叉融合提出了新的要求。目前，我國許多工科類學(xué)科，比如土木工程、交通工程、水利工程、礦山工程、城市規(guī)劃、風(fēng)景園林、環(huán)境工程等，都會涉及地質(zhì)知識。所以，學(xué)生會學(xué)習(xí)工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)等課程，但偏于應(yīng)用，對于涉及到地球的歷史與演化、各種內(nèi)力地質(zhì)作用、外力地質(zhì)作用、行星地質(zhì)等，則涉及比較少。通識教育，有時更加強調(diào)無用知識，即非即學(xué)即用的實用性知識，而是拓展學(xué)生的視野和世界。所以，在工學(xué)類學(xué)生中開設(shè)地學(xué)類通識教育課程，具有非常重大的意義。特別是地質(zhì)學(xué)在發(fā)展過程中，形成了一套獨特的思維方法[1-3]，總結(jié)和發(fā)展出了地質(zhì)哲學(xué)，這些知識的學(xué)習(xí)，對于工學(xué)類大學(xué)生而言，具有非常大的啟發(fā)意義。
　　目前，許多大學(xué)都設(shè)置有地球科學(xué)學(xué)院，開設(shè)有地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)資源與地質(zhì)工程等地學(xué)類專業(yè)。地學(xué)專業(yè)有些屬于理科，有些屬于工科，但都可以為工學(xué)類學(xué)科開設(shè)地質(zhì)學(xué)類通識教育課程。本文主要介紹《工學(xué)的地質(zhì)思維—普通地質(zhì)學(xué)通識課程》的教學(xué)設(shè)計，可為同類通識教育課程的開設(shè)提供參考依據(jù)。
　　二、工學(xué)的地質(zhì)思維
　　1.工學(xué)思維。工學(xué)思維（工程思維）是宇宙中最復(fù)雜、最奇妙的現(xiàn)象之一。人的實踐活動方式與內(nèi)容直接影響著思維活動的各個方面，從而出現(xiàn)了與不同實踐活動相應(yīng)的思維方式。由于工學(xué)面向解決實踐問題，所以其思維模式一般都是從問題中來，再回到問題中去。對于已有成功案例的問題，則可充分學(xué)習(xí)其解決問題的思路，然后總結(jié)規(guī)律，上升到指南、規(guī)范范疇，將其變成一般知識，供行業(yè)內(nèi)學(xué)習(xí)和應(yīng)用。對于成熟問題，強調(diào)成熟經(jīng)驗，遵守規(guī)范要求，在遵從既有規(guī)則的前提下，開展設(shè)計工作，進(jìn)行有條件的創(chuàng)新。同時，還需要解決成本和可靠性的問題。各類工學(xué)學(xué)科面向?qū)ο蟛煌鉀Q問題的方法和思路是大同小異的。
　　2.地質(zhì)思維。地質(zhì)上常用的理性思維表現(xiàn)形式有形式邏輯（抽象思維、分析與綜合、歸納與演繹）和辯證邏輯。非理性思維最具典型的表現(xiàn)形式有想象、聯(lián)想、直覺和類比。地質(zhì)思維就是運用地質(zhì)學(xué)知識和原理去分析、研究古今地質(zhì)作用的過程。地質(zhì)思維背后是地質(zhì)哲學(xué)，是通過多年探索和積累，逐漸發(fā)展起來的一種思維方法。主要有“將今論古”、“以古論今，論未來”和“活動論”。將今論古就是通過各種地質(zhì)事件所遺留下來的片段現(xiàn)象和作用結(jié)果，利用現(xiàn)今地質(zhì)作用的規(guī)律，去反推古代地質(zhì)事件發(fā)生的特點、條件以及大致的演化過程。將今論古意為現(xiàn)在觀察到的地質(zhì)現(xiàn)象在地質(zhì)歷史上也會發(fā)生。如河流攜帶著大量泥砂，并將其搬運到遠(yuǎn)處沉積下來?，F(xiàn)在觀察到了，那在地質(zhì)歷史上的河流，也會有同樣的搬運作用。這樣就可以用現(xiàn)在發(fā)生的事件，類比和推斷歷史事件。以古論今和論未來，意為地質(zhì)歷史上曾經(jīng)發(fā)生的事件，現(xiàn)在也可能會發(fā)生，在未來也可能會發(fā)生。研究地質(zhì)歷史上地質(zhì)事件發(fā)育的規(guī)律，可以認(rèn)識現(xiàn)在，預(yù)測未來。過去地質(zhì)歷史在地層里遺留的各種構(gòu)造行跡，可以推斷歷史上發(fā)生過什么，也可以利用這些歷史上發(fā)生的規(guī)律，推算未來事件演化的歷程和發(fā)生的可能。活動論意為地球上一切都在演化之中，沒有靜止和停滯，人類經(jīng)歷的只是其中的一些片段。
　　3.工學(xué)的地質(zhì)思維。在工學(xué)中，也可參考地質(zhì)思維。地質(zhì)思維包括歸納、演繹和各種推理方法。在思維過程中，需要邏輯和推理，注重證據(jù)，要能根據(jù)現(xiàn)有的證據(jù)，推斷其歷史，展望其未來。需要能根據(jù)歷史的遺跡，推斷其成因機制，需要具備較強的形象思維和發(fā)散思維，具備較強的類比分析能力等。例如土木工程涉及到材料的耐久性問題。那就可以采用將今論古的方法，或者以古論今，論未來的方法進(jìn)行研究。我們國家修建了都江堰，其歷經(jīng)滄桑，仍然是非常成功的水利工程，至今仍在使用。國外有很多已經(jīng)使用數(shù)百年的城堡，仍然保留了較好的使用功能。我國上海發(fā)現(xiàn)了最早使用的木質(zhì)樁基，說明歷史上成功的范例，也可在現(xiàn)代重復(fù)，目前《規(guī)范》規(guī)定了地下工程設(shè)計使用壽命，按“以古論今”的思維方法，其設(shè)計使用年限還可以延長。又如在發(fā)現(xiàn)某種維護(hù)條件下，或者某種工程材料，在實驗室具有良好的耐久性，則可以解釋，歷史上采用了類似材料的工程使用年限長仍能正常使用的原因，在工程中應(yīng)該研究此種材料并將其用于工程實踐。同時，在城市規(guī)劃、風(fēng)景園林等工作中，也會涉及山水布局及成因機制等，地質(zhì)歷史上很多城市的興衰都和地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)。消失的女兒國、擁有兩千多年歷史的蘇州城、平地生出的大慶等，都和地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)。學(xué)習(xí)地質(zhì)知識，掌握工學(xué)中的地質(zhì)思維，對于提高學(xué)生的素質(zhì)、知識基礎(chǔ)和創(chuàng)新能力都是非常必要的。
　　三、課程設(shè)計
　　1.教學(xué)對象。本通識教育課程首先針對工學(xué)部學(xué)生開設(shè)。工學(xué)部的專業(yè)包括：土木工程、水利工程、環(huán)境工程、市政工程、交通工程、測繪工程、材料科學(xué)與工程、城市規(guī)劃、風(fēng)景園林、機械工程、汽車工程、電氣工程等。主要設(shè)計的教學(xué)對象為土木、水利、交通、環(huán)境、采礦和城規(guī)、風(fēng)景園林類與地質(zhì)有交叉關(guān)系的低年級本科生。
　　2.需求分析。針對所服務(wù)工科專業(yè)，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，開展需求分析工作。在課程設(shè)計時，特別突出這些專業(yè)共同性或差異性的需求。比如，對于土木工程而言，巖體的前世和今生與其工程性質(zhì)密切相關(guān)，那就將巖漿作用與巖漿巖、外力地質(zhì)作用與沉積巖和變質(zhì)作用同變質(zhì)巖與土木工程緊密結(jié)合起來。比如交通工程線路長，跨越地質(zhì)單元多，則重點討論地質(zhì)構(gòu)造及其對其選線的影響。比如環(huán)境工程涉及水土質(zhì)量，則在地下水的地質(zhì)作用與外力地質(zhì)作用部分，重點講述地下水的類型、循環(huán)、補徑排和水質(zhì)。在城市規(guī)劃，涉及城市地質(zhì)和自然景觀，則重點討論城市的興衰與地質(zhì)環(huán)境，以及人為地質(zhì)作用對地質(zhì)環(huán)境的影響。在風(fēng)景園林部分，重點討論風(fēng)的地質(zhì)作用（如雅丹地貌）和丹霞地貌等，展示壯美圖片的同時，介紹這些風(fēng)景地貌的形成機制。 　　3.教材比選。可用于通識教育的教材包括各種《普通地質(zhì)學(xué)》、《地質(zhì)學(xué)概論》、《動力地質(zhì)學(xué)原理》等，各個單位和編者都有不同的內(nèi)容編排。這些教材格局特色，最終選用是南京大學(xué)主編的《普通地質(zhì)學(xué)》（第三版）作為參考教材。
　　4.教師團(tuán)隊。通識教育課的教師需專門配置和培訓(xùn)。在教師安排上，可有不同方法?？梢苑终鹿?jié)多人講授，也可以一人講授。無論哪種方式，都必須建立教師團(tuán)隊，對教學(xué)進(jìn)行研討采用交叉教學(xué)，并設(shè)置備用教師。最理想的配置是1位主講教師，1位實驗教師，1位實習(xí)教師，1位Mooc系統(tǒng)維護(hù)員。
　　5.教學(xué)形式。在課堂教學(xué)中，主要采用講課和互動的形式。每次講課的標(biāo)題都結(jié)合一個或幾個非地質(zhì)工科的內(nèi)容展開。以一個具有普遍興趣的話題開始，引出地質(zhì)問題，講述地質(zhì)現(xiàn)象和發(fā)生的機制，講述地質(zhì)作用，講述變化的內(nèi)因和外因，講述由于各種地質(zhì)作用所引發(fā)的巖石的生死循環(huán)、褶皺斷裂、地震火山，講述地質(zhì)體的前世今生，講述世界的滄海桑田和各種演化，講述生物的大爆發(fā)和大滅絕。在收尾部分，以地質(zhì)現(xiàn)象說明內(nèi)涵的地質(zhì)思維，留下思考題，讓學(xué)生思考地質(zhì)思維和自己工學(xué)學(xué)科的結(jié)合點和結(jié)合方式。
　　四、教學(xué)方法設(shè)計
　　1.Mooc與混合教學(xué)。普通地質(zhì)學(xué)課時多，內(nèi)容多，跨度大，而上課的學(xué)時又非常有限。將課程中部分重要補充內(nèi)容做成Mooc形式，讓同學(xué)利用Mooc進(jìn)行通識課程的學(xué)習(xí)。同時，對所有知識點進(jìn)行充分梳理，劃分出必須掌握的知識、一般掌握的知識和一般了解的知識，各知識點之間設(shè)定嚴(yán)格邊界，彼此保持獨立可選。按此層次，對Mooc課程進(jìn)行分級，在基本級別，重點講授主要知識點。在初級，講述一般掌握知識。對于高級，則對一般了解的拓展知識進(jìn)行充分講授和解析。同時，開設(shè)通識教學(xué)平行班，在課堂進(jìn)行主要知識點的講授，采用Mooc教學(xué)的方式為同學(xué)們提供補充知識。如果設(shè)定課時有限，則開展課堂和Mooc混合教學(xué)。課堂教學(xué)重點講授必須掌握的知識，之外的知識學(xué)習(xí)利用初級和高級別Mooc知識點實施。
　　2.課堂—實驗—實習(xí)三位一體教學(xué)。地質(zhì)學(xué)是一門實踐性很強的課程，要提升教學(xué)效果，必須增強實驗和實習(xí)教學(xué)。在具備條件時，可開設(shè)與課堂教學(xué)配套的實驗和實習(xí)課程，把部分教學(xué)直接放到實驗室或現(xiàn)場試驗點上開展。利用課堂教學(xué)講授基本知識點，在實驗室標(biāo)本和模型的輔助下，利用實驗來驗證課堂所學(xué)知識點。對于有限標(biāo)本無法闡釋的內(nèi)容，利用實習(xí)模式現(xiàn)場調(diào)查和體驗所學(xué)的知識點。由于通識教育課程學(xué)時有限，建立課堂—實驗—實習(xí)三位一體的教學(xué)體系，以此來有效提高學(xué)生的直觀感性認(rèn)識。以同濟大學(xué)為例，實驗可利用巖土與地下工程教育部重點實驗室?guī)r礦實驗室開展課堂實驗教學(xué)。在實習(xí)方面具備一定的條件，可在蘇州虎丘、橫山、靈巖山和天平山等地開展實習(xí)教學(xué)。如果實習(xí)課時或經(jīng)費不能滿足要求，可利用當(dāng)?shù)貒临Y源部門的地質(zhì)博物館，作為課程教學(xué)的實習(xí)場地。
　　3.碎片時間自學(xué)。設(shè)定微信公眾號，教師結(jié)合通識教育課程的進(jìn)度，在課前預(yù)發(fā)課程相關(guān)的背景簡介，主要知識體系框架、主要知識點及重點概念等。在課程結(jié)束后，通過發(fā)布微信問卷調(diào)查和選擇題的形式，測試同學(xué)們對課堂知識掌握的程度。開發(fā)虛擬競技App軟件，將地質(zhì)學(xué)知識游戲化，利用虛擬考試、完成任務(wù)類游戲等，將主要教學(xué)內(nèi)容固化于移動軟件?；贏ndroid或IOS開發(fā)手機端軟件，讓學(xué)生可以隨時利用碎片時間進(jìn)行學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)。亦可開發(fā)具有開放功能的App軟件，讓學(xué)生自己以該軟件為平臺，根據(jù)興趣拓展地質(zhì)知識，并結(jié)合自己專業(yè)進(jìn)行二次開發(fā)，將計算機知識的學(xué)習(xí)與應(yīng)用和通識教育結(jié)合起來。這部分工作主要是讓學(xué)生可以利用碎片時間進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效果并增加有效學(xué)習(xí)時間，寓教于樂，讓學(xué)生在輕松氣氛下，潛移默化地掌握知識。
　　4.綜合考核。本課程為通識教育課，針對設(shè)置該課程的初衷，采用多維的考核方法和考核體系。在知識考多維核體系中，第一維是隨堂測驗，主要考核基本概念和基本知識點，用于計算平時成績。第二維是巖礦肉眼鑒定測驗，在實驗課程結(jié)束后，在實驗室利用肉眼鑒定巖石和礦物，測試同學(xué)掌握常見礦物和巖石基礎(chǔ)特征和鑒定與識別的能力。第三維是小組研究報告與匯報。同學(xué)們根據(jù)興趣自行組成3-5人研究小組，尋找可用地學(xué)思維解決的工程問題。讓學(xué)生結(jié)合自己專業(yè)特色，在解決工程問題的同時，融入并運用地質(zhì)學(xué)的思維方法。完成工作后，匯報小組工作，依據(jù)課題完成情況，由課程專家組綜合打分。具備條件的情況下，可以利用開發(fā)的虛擬競技App軟件進(jìn)行學(xué)生能力和水平測試，并結(jié)合小組工作匯報及平時成績，綜合給定最終成績。