“地质学与地貌学基础”的可拓教学法——以矿物肉眼识别教学为例

赵文廷，刘会玲

(1.河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000；2.河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000；3.矿山生态环境-河北保定野外基地，河北 保定 071000；4.河北保定生态文明研究院，河北 保定 071000；5.河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000)



“地质学与地貌学基础”的可拓教学法
——以矿物肉眼识别教学为例

赵文廷1,2，3,4，刘会玲2,3,4,5

(1.河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000；2.河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000；3.矿山生态环境-河北保定野外基地，河北 保定 071000；4.河北保定生态文明研究院，河北 保定 071000；5.河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000)

“地质学与地貌学基础”课程对资源与环境、土地资源管理等非地质类本科专业学生培养具有重要意义，但因课程内容太多，而课时相对较少，采用传统教学方法很难达到理想的教学效果。通过将二十多年的地质工作实践经验与几年的教学实践相结合，提出了地质学与地貌学的可拓教学法，并以矿物肉眼识别教学为例，介绍了可拓教学法的基本过程和方法。实践证明，可拓教学法不仅可以解决“地质学与地貌学基础”教学中的矛盾问题，保证教学效果，提高教学质量，而且对学生的实践能力和创新创业思维培养和锻炼具有很大作用。

可拓教学法；教学质量；创新创业思维；“地质学与地貌学基础”课程

DOI号：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0063

许多高等农业院校的资源与环境、土地资源管理等非地质类本科专业都开设了“地质学与地貌学基础”课程，多为必修或限定选修课程，共十六章(含绪论)内容[1]，教学内容较多，课时数(含实验课在内)仅设置48个课时。除绪论、地球概况两章之外，其余各章，在地质类专业本科生教学中，都至少是一门独立的专业课，课时数均在32以上。例如第二章“矿物”，7个课时(含实验课)，对应地质类专业课程“结晶学与矿物学”，85～136课时(含实验课)；第三章“岩石”，7个课时(含实验课)，对应《岩石学》，85～102课时(含实验课)；第四章“地质年代”，仅2个课时的讲授，对应《地史古生物》，60～85课时(含实验课)；第五章“构造运动与地质构造”部分，只有3个课时的讲授，而对应的《构造地质学》或《地质构造学》，75～92课时(含实验课)，等等。由此可见非地质类本科专业“地质学与地貌学基础”教学课时数相对少得多。此外，从野外教学实习角度，地质类本科专业多在40～50天，而高等农业院校的资源与环境本科专业仅7天实习(含路途)，土地资源管理本科专业和环境科学本科专业没有野外实习。虽然在地质学的知识、理论、方法和基本技能方面，不要求资源与环境、土地资源管理等非地质类专业本科生达到地质类专业本科生那样高的水平，但是在这么短的时间内，要想达到较理想的教学效果，采用传统的教学方法，是一件非常困难的事情。因此，针对非地质类专业本科生“地质学与地貌学基础”教学，研究探索新的教学方法，具有较重要的意义。

一、“地质学与地貌学基础”教学内容与目标

(一)课程教学内容与任务

依据教学大纲，“地质学与地貌学基础”应通过绪论、矿物、岩石、地质年代、构造运动与地质构造、风化作用、重力地质作用及其地貌、地面流水地质作用及其地貌、水文地质基础知识、地下水地质作用及其地貌、风成地貌，黄土地貌、冰川与冻土地貌、海岸与湖泊地貌、地质环境与地质灾害、农业地质调查与测绘、地下水调查及其技术方法等部分的教学，承担并完成对农业资源与环境、自然地理与资源环境、环境科学、土地资源管理等专业本科生的下列能力培养和锻炼任务：(1)地质调查与测绘基本能力，包括岩矿野外(肉眼)鉴定和识别，结构面(含地层层面、断层面、节理面等)产状测量，地质点罗盘定位测量，地形地貌、地层及其岩性、地质构造、地质灾害(不良地质作用)、污染土和污染场地等识别能力。(2)地质调查报告编制和阅读能力，包括阅读地质文献、地质报告、地质图等的能力，以及简单地质图、地貌图等的编制能力。(3)水文地质调查能力，包括阅读水文地质文献、水文地质图等的能力，以及简单的水文地质剖面图、地下水等水位线图等的编制能力。(4)农业地质调查基本能力，包括农用地和土壤基本地质特征的调查设计、野外工作、编制报告等方面的能力。

(二)课程教学目标与分解

非地质类专业本科生“地质学与地貌学基础”课程教学目的在于使学生了解和掌握地质学的基本概念、理论与方法，并对学生的实验、认识、自学、拓展、创新等实践(工作)能力起到培养和锻炼作用，如图1所示[2]。

图1 “地质学与地貌学基础”课程教学目标分解

二、可拓教学方法的基本原理

1983年，我国学者蔡文率先提出了可拓论，并创立了可拓学[3,4]。可拓学是一门研究和解决矛盾问题的新兴科学，由可拓论、可拓方法和可拓工程3部分构成。可拓论认为：世上的万事万物都是可以拓展的，基元理论就是其拓展的细胞。世间一切(包括事物和现象)均可通过物、事(活动)和关系三大类语言来描述，统称为对象。所有对象都具有一定特征，所有特征均可用一定的量值来表达。对象、特征和量值共同组成一种集合{对象，特征，量值}称为基元，也称可拓集。当对象为物时，物与它的特征和量值构成的一种集合{物，特征，量值}称为物元。当对象为事时，事与它的特征和量值构成的一种集合{事，特征，量值}称为事元。当对象为关系时，关系与关系的特征和量值便构成了一种集合{关系，特征，量值}，称为关系元。实际应用中，首先通过系统的组成要素——物元、事元、关系元进行分解，然后根据系统的基本组成要素建立可拓模型，如图2所示。

图2 可拓模型建模原理[2]

可拓模型建成之后，再通过拓展、变换和评价，将矛盾问题转化为非矛盾问题，从而实现对矛盾问题的研究和解决。

三、基于可拓学的矿物肉眼识别方法

肉眼识别矿物是“地质学与地貌学基础”教学的重点内容之一，同时也是教学难点。目前，地球上发现了3 000多种矿物、7 000多种岩石[1,5]，无论是矿物学家或者岩石学家，还是其他地质专业的学者，任何想试图仅凭“良好记忆力”记住这些矿物或岩石，都是非常困难的，何况是一名初学地质的学习者，他们感觉学习矿物和岩石太难了，也是可以理解的。可拓学为世人提供了一种新型的逻辑思维方法，可帮助初学者提升肉眼识别矿物能力。

(一)矿物肉眼识别可拓法的矿物学基础

矿物肉眼识别法，即肉眼鉴定法，是指根据矿物的外表特征(形态、物理性质、力学性质等)，借助一些简单的设备(如放大镜、条痕板等)和化学试剂(如盐酸等)，用肉眼鉴别矿物的方法。它是“地质学与地貌学基础”课程的重要教学内容之一。为掌握肉眼鉴定方法，首先须学会正确观察和描述矿物特征，包括矿物的形态、颜色、条痕色、透明度、光泽度、解理、硬度、比重、磁性、气味、味道、发光性及简要的化学反应等[5]。其中，前8项为每种矿物都具有的，为必须观察和描述的特征，称为主要特征；后5项不是每种矿物都有的特征，但却对矿物的肉眼识别具有重要意义，称为其他特征。

1．形态，即矿物的外表形状(包括晶面形状、晶面条纹特征)，有单体和集合体之分。单体就是单一的矿物晶体，是由晶面构成的规则几何形态，多数易于描述，当不能用语言描述时，可用画图或照片的方法记录。自然界中，矿物呈单体出现者较少，常常呈集合体。集合体是单体聚集在一起而表现出的形态情况。在集合体中，矿物单体多为不完整的晶体，完整晶体很少，因此，常可用较形象的语言描述，如粒状集合体、针状集合体等。

2．颜色，是矿物对入射可见光选择吸收能力的反应。根据成因，可划分为自色、他色和假色3种类型。其中，他色是由外来的机械杂质，如带色矿物微粒、气泡等所引起的颜色，一般对矿物鉴别无意义。此外，观察和描述矿物的颜色时，必须选择单一矿物的新鲜面。

3．条痕色，即矿物在未上釉的素瓷上磨划留下的粉末颜色。但值得注意的是：只有矿度比素瓷低的矿物，才能用此法获得条痕。

4．透明度，即矿物允许光线透过的程度，可通过随身携带的手机灯光或其他点状光源进行简便测定，分为透明、半透明和不透明三级。

5．光泽，即矿物表面反射光线时表现出的光学特征。当矿物单体表面新鲜光滑时，可划分为金属光泽、半金属光泽、金刚光泽、玻璃光泽四级；当矿物单体表面不平或为集合体表面时，呈现出来的光泽，称为变异光泽，主要有丝绢光泽、珍珠光泽、油脂光泽、土状光泽、蜡状光泽、松脂光泽、沥青光泽等，均较易于识别。

6．解理，即矿物受力后沿一定结晶方向裂开成光滑平面的性质。通常按裂开的难易程度和裂开面的完善程度，划分为极完全解理、完全解理、中等解理、不完全解理、极不完全解理(即无解理)五级。解理面易于识别，但当矿物有多组解理时，有时解理组数难于识别。

7．硬度，即矿物抵抗外来机械作用(如刻划、压入、研磨等)的能力，有绝对硬度和相对硬度之分。在肉眼鉴别矿物时，一般多采用相对硬度，共分十级，代表矿物分别为：滑石(1)、石膏(2)、方解石(3)、萤石(4)、磷灰石(5)、正长石(6)、石英(7)、黄玉(8)、刚玉(9)、金刚石(10)，也称摩氏硬度。但是，由于摩氏硬度计易于损坏，不方便携带，因此，在实际工作中常用指甲(2.5)、小刀(5～6)、石英(7)或玻璃(6.5)等来测试矿物的硬度：能在纸上书写而纸没有被划破者，硬度定为1；若能划破纸，但又能被指甲刻动者，硬度为2；不能被指甲刻动，但能被小刀轻划刻动者，硬度定为3；适当用力能刻动者，硬度在4左右；与小刀相近者，硬度为5～5.5；小刀刻不动，而能被石英刻动者，硬度为6～6.5；石英刻不动者，硬度大于7，比石英硬的矿物为数不多。

8．比重，即纯净矿物在空气中的重量与同体积纯水重量(4℃时)之比。精确测定矿物的比重一般采用重液法、比重瓶法、扭力天平法等，且对样品的纯度要求很高，一般人很难实现。在实际肉眼鉴定中，依据比重将矿物分轻(<2.5)、中等(2.5～4)、重(>4)三级，一般只用手掂来估计矿物的比重等级，或者与心目中的物体相比较，如比食盐(2.165)轻很多、略轻、略重或重很多，比铁(7.8)轻很多、略轻、略重或重很多等。

9．其他特征，磁性、气味、味道、发光性及简要的化学反应等。

在自然界中，不仅矿物种类很多，而且每种矿物也存在较多变化，一般人要记住一种矿物很难。但是，就矿物的特征而言，对于每个人来说，用肉眼识别它都不是难事，也不需要专门的记忆，只要学会肉眼观测的简要方法，就可轻松地识别矿物，这就是可拓逻辑思维方法在肉眼识别矿物中的应用。值得注意是：采用可拓方法识别矿物，尽管某个特征对矿物鉴别有意义，但并不是仅凭一个或几个特征来识别矿物，而是借助肉眼可识别的特征集体，即由矿物特征构成的可拓集。因此，当出现某个特征没有观察出来或者是无法描述时，通过可拓变换、拓展等，也可用于矿物识别。

(二)建立矿物肉眼识别的物元模型

令自然界中矿物有m种，公式一为第i(i=1，2，…，m)矿物的n维物元Ri。其中，Ni为第i种矿物的名称；n为肉眼可识别的矿物特征Ci的个数，包括矿物形态、颜色、条痕、透明度、光泽度、解理、硬度、比重、磁性、气味、味道、发光性及简要的化学反应(例如，矿物与盐酸的反应)，分别记为ci1、ci2、…cij、…cin；vij为关于第j个特征cij(j=1，2，…，n)对应的量值(或描述)。

(公式一)

(三)建立某种矿物的节域物元

矿物特征的标准描述内容很多[1,5]，难于记忆，但是，可用于矿物肉眼识别的一般不多，较容易记忆，称之为鉴别特征。因此，可根据矿物的鉴别特征，建立一个n维物元Rp，如公式二所示，称之为矿物鉴定的节域物元。其中，n为矿物肉眼识别的鉴别特征个数；cj(j=1，2，…，n)为矿物的第j个鉴别特征；vpj∈(j=1，2，…，n)为节域物元第j个鉴别特征cj的量值(或者特征的标准描述)。称(apj

=P,(j)

(公式二)

例如，闪锌矿特征标准描述[1,5]，形态：四面体状单体，粒状集合体；颜色：黄褐色，至褐色和褐黑色，甚至铁黑色；条痕：白色到黄色、褐色；透明度：半透明至不透明；光泽：金刚光泽至半金属光泽；解理：六组完全解理；硬度：3～4；比重：3.9～4.1；磁性：无；简单的化学反应：盐酸滴入矿物粉末后有臭鸡蛋味(即H2S的味道)。其中，多组完全解理、硬度、比重、粉末的盐酸反应为闪锌矿的鉴别特征。又如，刚玉特征标准描述[1,7]，形态：常呈六方柱状或桶状单体或粒状集合体，晶体柱面常发育斜纹或横纹，底面常可见三角形裂纹；颜色：常呈灰色、蓝灰色或黄灰色，有时呈蓝色(含钛)、红色(含铬)、绿色(含镍)、黑色(含铁)；条痕色：白色到黄色、褐色；透明度：透明；光泽：玻璃光泽；解理：无解理；硬度：9；比重：3.94～4.20。其中，晶形、晶面条纹、硬度等为其鉴定特征。它们的节域物元分别为：

(四)待定矿物的肉眼识别

通过肉眼观察和简单的测定，某矿物的形态为粒状集合体，褐黑色，条痕为褐色，半透明，金刚光泽，硬度2.5～5.5(即指甲划不出痕，小刀能刻出痕)，比磁铁矿略轻，但无磁性，在条痕粉末上滴盐酸有嗅鸡蛋味。而另一待定矿物，红色，透明，玻璃光泽，无解理，与水晶互划，水晶面上有划痕，而该矿物表面没有擦痕。

将所观察到的矿物特征，与它们的节域物元进行对比，不难确定，第一种矿物是闪锌矿，而第二种矿物是红宝石(为含铬刚玉)。

(五)实施效果与分析

基于以上方法，我们建立了系列矿物肉眼识别可拓模型。在矿物肉眼识别实验教学中，关于矿物的形态、颜色、条痕色、透明度、光泽度、解理、硬度、比重、磁性、气味、味道、发光性及简要的化学反应等的肉眼观察和描述，很容易讲授和学习，因此，学生只要学会可拓逻辑思维、拓展、变换和评价的基本方法，就能够识别任何从未见过的矿物，使“认矿物”这个难事变为易事，再用不着“眼盯”矿物而死记硬背了，将学习变为一种乐趣。实践中，将本文方法应用到自然地理与资源环境、农业资源与环境、环境科学等专业本科生实验教学中，即节省了教学时间，又提高了教学效果，具体如下：

1．节省了较多的教学时间。采用可拓教学法，将原实验一(矿物的形态和物理性质的观察)、实验二(常见硅酸盐造岩矿物鉴定)、实验三(非硅酸盐矿物的鉴定)合并成一个实验，授课一般只需1个课时就可完成，比过去至少可节省2个课时，余下的大部分课时均留给学生独立完成试验任务，体现学生在实验课中的主体地位，有利于学生识别矿物能力的培养和锻炼。

2．学生很容易学会并掌握所传授的方法。实验时，摆在每个学生面前的一箱箱标本(每箱在30件左右)，只有编号，没有矿物名称。要求每个学生在看完所有标本后，至少选择10个标本(与相邻的其他学生不得重复)，独立完成实验任务(包括提交试验报告)。与传统做法(给每个学生的标本都是一样的，且每个矿物标本上都贴有名称，仅要求学生通过观察记住它，并提交试验报告)相比，现在要求高了很多，但没有学生感到识别矿物是难事，一般都能在1个课时左右完成实验任务，未知矿物的识别效率达到5～7分钟/件，正确率高达95%以上，基本接近了以往的“专业水平”。

3．可拓教学法用于岩石肉眼识别实验教学，效果显著。岩石实验任务有两个：一是肉眼区别“三大岩”，二是要求每个学生至少完成20个岩石标本(包括侵入岩和喷出岩各3个、内碎屑岩和外碎屑岩各3个、变质岩8个)的鉴定任务。每组学生(2～3名)面前摆3盒标本(每盒标本30件左右，均只有编号而没有名称)，分别为岩浆岩、沉积岩和变质岩各1箱。要求每组学生在5分钟内认出哪盒是岩浆岩？哪盒是沉积岩？哪盒是变质岩？并说明理由。一般学生都能准确确认，且理由较充分，而且，当每盒标本中混入了其他大类岩石时，例如岩浆岩标本盒中混有少量变质岩或沉积岩时，仍有部分学生能够将其辨认出来，这是传统教学方法不可能做到的。

4．现场识别岩石和矿物是“地质学与地貌学基础”野外教学实习必须实习的内容。过去，野外教学实习在当期完成，在野外学生一般不能独立完成岩石和矿物的识别工作，仍然需要教师至少再重复讲授一遍。近两年，按教学计划野外教学实习隔一个学期，即第二年上半年执行。在这种情况下，采用可拓教学法后，多数学生都能独立地进行岩石和矿物的鉴别工作，且正确率很高。

枯燥的理论教学不利于学生学习[6]，不利于激发学生的学习动力[2]，好的教学方法有助于师生关系的培养和营造良好的课堂学习氛围[7]，最终达到提高教学效果、保证教学质量的目的。可拓教学法之所以能够提高教学效果，主要是通过该法，活跃了课堂氛围，正确处理了师生关系，学生真正成了课堂教学活动的主体，课堂学习充满了许多乐趣，不再枯燥无味，调动了学生的积极性和创造性。每当运用相关分析、蕴含分析、可拓分类等可拓逻辑方法解决课程学习的问题或难题时，都会收获成就感，从而既增强了对课程学习的信心，也增强了对课程的兴趣，同时又激发了对课程学习的积极性、主动性和创造性。

四、结语

在“地质学与地貌学基础”课程中，类似矿物肉眼识别的教学内容很多，均属于矛盾问题。可拓学提供了一种创新思维方法，通过可拓变换、拓展、评价，我们(包括教师和学生)都可以不断发现新问题，解决新问题，有利于科学发明和创造，对培养和锻炼学生创新思想具有重要作用。结合地质课程教学与生产实践，运用可拓法的基本原理和思维方法，解决“地质学与地貌学基础”课程的教学矛盾问题，形成了可拓教学法。

可拓教学法为我们提供了一种认识、识别地质体(包括矿物、岩石和岩体、地层、断层、节理、褶皱等)、地质作用和地质现象，及研究古地理和古气候等的科学方法。通过可拓教学方法，我们可以较轻松地、很好地认识地球，认识地球上发生的事件和结果。采用可拓教学法，运用可拓逻辑思维，将难变为容易，使学习地质学知识和理论不再是难事，学习地质学变成了一种快乐的差事，乐在其中[6]。

采用可拓教学法，有利于“创新、协调、绿色、开放、共享”理念的贯彻和落实，有利于培养和磨炼学生的实践和职业能力[2, 6, 7]。可拓教学法不仅能够有效地解决“地质学与地貌学基础”教学内容多与课时少的矛盾，提高教学效率，而且增强了学生的信心和学习兴趣的培养，启发学生的创造、创新、创业思维[2, 6, 7]，提高了教学质量，对培养高水平的资源与环境科技人才具有重要意义，具有广泛推广价值。

[1] 王数, 东野光亮. 地质学与地貌学教程[M]. 北京:中国农业大学出版社, 2004.

[2] 王键,路剑,王双进.以实践创新理念完善河北农业大学“专业实践能力培养路线图”[J].河北农业大学学报(农林教育版), 2016, 18(3): 1-3.

[3] 蔡文,杨春燕,何斌.可拓逻辑初步[M].北京:科学出版社，2003.

[4] 李兴森,张玲玲.可拓创新思维及训练[M].北京:机械工业出版社,2016.

[5] 赵珊茸.结晶学与矿物学[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6] 崔亚利,耿梅英,徐瑞涛,等.“实验动物学”教学中培养本科生专业能力的实践与思考[J].河北农业大学学报(农林教育版),2017,19(1):92-95.

[7] 成琨,任永泰,邓华玲,等.高校教师提高课堂教学效果的研究[J].河北农业大学学报(农林教育版),2014,16(4):42-45.

(编辑：杨建肖)

2016-12-23

河北省高等教育教学改革研究与实践项目：“地质地貌在线课程建设与改革研究”(编号：2016GJJG055)。

赵文廷(1964-)，男，河北平泉人，教授，主要研究方向为土地资源开发利用、城乡建设环境地质、废弃地复垦与生态修复等。

G642.4

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1008-6927(2017)03-0049-06