工程地质教学中有关概念的几点体会

高俊义 郝艳娥 李 尚

延安大学建筑工程学院 陕西延安 716000

工程地质学是研究人类工程活动与地质环境相互作用的一门学科。工程地质学包括工程岩土学、工程地质原理、工程地质勘察三个基本部分，它们都已形成了不同的分支学科。岩土和水流共同作用的工程地质如图1所示。工程地质课程中涉及多个专业概念，作为高校教师，如何能够彻底厘清工程地质学中有关概念机制，对于工程地质学教育教学方式的提高和工程地质学科未来的发展至关重要。

近年来，诸多学者对工程地质教学思考和改革方面开展了一系列探讨。有关工程地质教学中实验和理论教学思考[1-4]，土木工程专业工程地质教学中的创新教育探讨[5]，工程地质专业杭州野外实习教学方法思考[6]和“工程地质”课程教学模式应用调查与思考[7]。

传统的工程地质教学模式只注重知识的传授，而忽略了学生对知识概念结合工程和生活实际素养的培养，而“一流课程”建设则要求培养学生的理论知识和工程素养的能力。因此，本文具体从以下方面入手展开教学探讨。

1 教学模型制作与演示

工程地质课程的核心内容是地质，只有真正理解了地质，才能更好地结合实际工程把影响工程的重要地质要素糅合进去，阐明地质要素对工程影响的重要程度。要理解地质，需要从地质学的基础知识学起，进而学习岩土的工程性质与分类，地下水，不良工程地质问题与防治，土木工程中的主要工程地质问题，工程地质勘察等这些基础内容。

工程地质学实验室可以统一采购一些橡皮泥或石膏，由于其重量小、成本低、这样比较方便学生轻拿轻放，方便使用和教学。由于橡皮泥或石膏具有良好的弹塑性，是很好的模型制作材料。实验室可用它们制作一些工程地质学中常用到的石头、土壤等的物理模型，首先让学生能够直观认识这些材料其实是工程地质的主要材料，以及其在实际工程中的应用。随着课堂知识学习的逐步深入，再给学生展示它们之间相互作用机理，引导学生对模型结构系统有更深刻的理解，这样由浅入深的教学环节能够加深学生对相关概念的理解与掌握。

工程地质教学中许多概念都可以通过制作相关模型来达到教学的效果，例如，节理和断层，制作一些橡皮泥或石膏模型，给学生课堂演示，可以加深学生对相关概念的理解与掌握。再比如地质构造中岩层褶皱构造这一章节介绍，初步接触的学生可能感到有些陌生，可以利用橡皮泥或石膏雕刻岩层的褶皱构造，使得学生对这部分内容更加能够深刻理解。笔者在教学过程中会提问学生同样是岩体，那么岩层的褶皱构造与岩体节理有何区别，结果发现大部分学生不能回答这个问题，故可以制作材料模型说明其实岩层的褶皱构造其实岩石之间没有断裂，只是岩石发生弯曲，而岩体节理则是岩石之间产生了断裂，这个提问非常好，可以让学生明白，同样是研究岩石，但褶皱岩层与节理岩体有着本质上的区别。褶皱岩层与节理岩体示意如图2所示。

2 矿物、岩石、岩体关系探讨

工程地质教材在矿物与岩石章节部分的编撰逻辑是先介绍地球，再介绍矿物，最后介绍岩石。地球从表及里分别由地壳、地幔、地核三部分组成，笔者在工程地质教学过程中经常把地球比喻成家喻户晓的鸡蛋，鸡蛋属于椭圆形，与地球类似，而且鸡蛋的蛋壳相当于地球的地壳，蛋清相当于地球的地幔，蛋黄相当于地球的地核，这样的教学方式能够让学生很容易地理解，毕竟学生在日常生活中接触鸡蛋的频率很高。地球结构类比鸡蛋结构示意如图3所示。

在教学矿物部分，地壳中的化学元素，除极少数呈单质存在之外，绝大多数的元素都以化合物的形态存在。矿物是指存在于地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素或化合物。既然涉及单质和化合物，很多情况属于微观层面，这部分教学内容建议有条件的高校可以使用教学专用经费购买一些矿物样品。例如，构成岩石的矿物称为造岩矿物，常见的造岩矿物有石英(SiO2)、正长石(KA1Si3O8)、方解石(CaCO3)等，如图4所示。首先，这些矿物陈列于专用实验室，让学生眼观与触摸多感官相结合的教学效果，会产生一种身临其境的感受，加深学生对课本所学矿物的物理与化学性质等深层次的认识与理解。其次，实验室可购买显微镜等微观设备来有力观察矿物的微观结构，使学生对其微观结构有更深层次的认识。

在教学岩石部分，首先需要强调岩石的概念。岩石是天然生成的且具有一定的结构和构造的矿物集合体，是组成地壳的基本物质，是内、外地质动力地质作用的产物。学习了概念之后，这里一定要给学生强调岩石与矿物的关系，即矿物组成了岩石，更加准确地说应该是造岩矿物组成了岩石，让学生从微观与宏观层面的衔接有更好地认识。自然界有各种各样的岩石，岩石按成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。这里教学一定要再三强调“成因”，即岩石形成的内、外地质作用机制，让学生明白它们的命名机制。岩浆涌向地表或地下一定深处，因其地理环境即压力和温度条件发生了变化，故会冷凝成岩石，这种岩石称为岩浆岩；沉积岩是在地表或接近地表的常温常压环境下，各种既有岩石遭受外力地质作用，经过风化剥蚀、搬运、沉积和硬结成岩过程而形成的岩石。沉积岩广泛分布于地表，覆盖面积约占陆地面积的75%。变质岩是由原来的岩石在地壳中受到高温、高压及化学成分加入的影响，在固体状态下发生矿物成分及结构构造变化后形成的新的岩石。所以，变质岩不仅具有自身独特的特点，而且还常保留着原来岩石的某些特征。这部分教学笔者发现用过的两种版本的教材先介绍岩浆岩，再介绍沉积岩，最后介绍变质岩，笔者认为这个编撰顺序不太合理，应该先介绍沉积岩，再介绍岩浆岩，最后介绍变质岩，这样与介绍地球知识的顺序相同，由表及里。而且很多情况下这三大岩石可以相互转化，转化示意图如图5所示。

另外，还需要使学生彻底厘清岩石与岩体的区别，岩石的概念上文已提到，岩体是指在地质历史中形成的、由一种或多种岩石和结构面组成的、具有一定的结构并赋存于一定的地质环境(地应力、地下水、地温)中的地质体，是一定工程范围内的自然地质体。即岩石和结构面组成了岩体。那么矿物、岩石和岩体之间的关系可以归纳为矿物—岩石—岩体。还有矿物物理性质解理和岩石物理性质节理区别，笔者曾经与所在单位的一位老教授交流探讨过这个问题，结晶矿物受力后，由其自身结构的原因造成晶体沿一定结晶方向裂开成光滑平面的性质，称为解理；裂开的光滑平面称为解理面。节理(joint)，也称为裂隙，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。节理是很常见的一种构造地质现象，就是我们在岩石露头上所见的裂缝，或称岩石的裂缝。很明显根据其定义解理针对的是矿物，是从微观层面来讲，而节理针对的是岩体，是从宏观层面来讲的。

3 工程地质勘察教学方法探讨

工程地质勘察是运用工程地质理论和各种勘察技术手段和方法，为解决工程建设中的地质问题而进行的调查工作[8]。工程地质理论包括地质学基础知识、岩土的工程性质与分类，地下水对不良工程地质问题与防治和土木工程中的主要工程地质问题等。各种勘察技术手段和方法包括室内试验、室外原位试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验现场、十字板剪切试验、标准贯入现场试验等，工程地质勘察常见的室外原位试验[9]如图6所示。工程地质勘察是工程地质学的最终归宿，即所有的工程地质学基础知识都是为工程地质勘察而服务的，应用工程地质学基础知识达到工程地质勘察的目的，进而为基础及其上部结构设计打下良好基础。

首先，需要学生理解掌握工程地质勘察的概念、任务、基本要求和勘察方法；其次，在学生学完课程之后，可以集中组织学生去当地的一些工程地质勘察企业，了解企业文化，近距离观察企业所有的设备和仪器，通过工程技术人员的讲解能够知道它们的用途及其注意事项；最后，具体可以感受工程勘察是怎样的概念，使用哪些设备、仪器，怎样去勘察，从哪些步骤入手。

有条件的高校可以组织学生去工地现场近距离观摩工程地质勘察过程，撰写工程地质勘察感受，这样的理论教学与实际工程相结合的教学模式，能够达到真正意义上的产学研的完美结合。

结语

本文基于工程地质教学中涉及的工程地质教学中教学模型制作与演示和矿物、岩石、岩体关系探讨及工程地质勘察教学方法探讨三个方面开展了全方位多角度地探讨，在理解概念的同时有效结合实际工程或生活中的实例进行探讨，期望学生能够在理解概念的基础上进一步学习其他相关理论，激发学生的学习兴趣，培养学生的科学素养、研究性思维、实践创新和解决实际工程问题的能力，同时希冀引起同行教师对工程地质学的基本概念以及教学方式、方法的一些共鸣。