劉 琦，王建秀，石振明，葉真華，俞松波

（同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院/巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

引言

在土木工程學(xué)科快速發(fā)展和信息化教學(xué)技術(shù)快速進步的背景下，如何充分利用學(xué)科發(fā)展前沿理論和研發(fā)成果，并融合數(shù)字化現(xiàn)代實驗教學(xué)手段，提升高校實驗教學(xué)質(zhì)量與水平，滿足一流人才培養(yǎng)目標的需求，是土木工程學(xué)科實驗教學(xué)改革與發(fā)展的重要任務(wù)和挑戰(zhàn)。同濟大學(xué)土木工程學(xué)科工程地質(zhì)實驗包括三個項目：礦物鑒定、巖漿巖鑒定、沉積巖和變質(zhì)巖鑒定。它屬于土木工程學(xué)院本科生的必修課，每年約有450人次本科生學(xué)習(xí)該課程。土木、水利工程類非地質(zhì)專業(yè)的巖礦鑒定實驗課程，更側(cè)重于地質(zhì)與工程的緊密結(jié)合，學(xué)生不但要學(xué)會認知巖石、礦物、地質(zhì)構(gòu)造，更多的是要根據(jù)所認識的巖石礦物對路基、隧道、邊坡、地基以及地質(zhì)災(zāi)害等工程提出設(shè)計和施工方案，解決工程建設(shè)及運行過程中的疑難雜癥。但是，由于非地質(zhì)類專業(yè)開設(shè)的地質(zhì)類課程偏少，對于地質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)只有初步的認識，對地質(zhì)學(xué)的基本概念缺乏系統(tǒng)的理解，特別是對于巖石和礦物細微觀特征的理解更難以把握，而巖礦的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征大多比較抽象，特別是巖石中的礦物晶體較小，較難在有限的實驗課時內(nèi)學(xué)會鑒別。據(jù)此，近些年對工程地質(zhì)實驗教學(xué)體系進行了系統(tǒng)的研究和探索，構(gòu)建了實驗教學(xué)資源平臺，將學(xué)科發(fā)展前沿成果持續(xù)轉(zhuǎn)化到實驗教學(xué)中；構(gòu)建信息化教學(xué)系統(tǒng)，將數(shù)字化教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)課堂實驗教學(xué)緊密融合；構(gòu)建實驗教學(xué)成效反饋機制，將工程地質(zhì)實踐應(yīng)用與實驗教學(xué)成效反饋有機結(jié)合。實驗教學(xué)體系在近五年的不斷完善和推廣應(yīng)用中取得了良好的成效，對土木人才培養(yǎng)起到重要的支撐作用。

一、構(gòu)建實驗教學(xué)體系與土木工程學(xué)科同步發(fā)展的聯(lián)動機制

以國家重大需求的地質(zhì)環(huán)境和工程安全的實際科學(xué)前沿問題為導(dǎo)向，依托團隊承擔的國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)項目等重大課題研究成果，采用內(nèi)在融合和互動機制創(chuàng)新，將優(yōu)秀前沿科研成果不斷轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)項目的改革。重點將課程由驗證性轉(zhuǎn)化為綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué)項目，通過視覺、聽覺、觸覺的感官認識來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過機制和制度創(chuàng)新，結(jié)合中國大學(xué)MOOC平臺“工程地質(zhì)學(xué)”和“工學(xué)的地質(zhì)思維-基礎(chǔ)地質(zhì)（普通地質(zhì)學(xué)）”建立工程地質(zhì)實驗理論教學(xué)資源平臺，組成一支有2位正高、2位副高及1位中級職稱教師結(jié)合的現(xiàn)代實驗教學(xué)資源研發(fā)師資隊伍，使一線教師參與到實驗教學(xué)改革中，形成“實驗教師+理論教師”相結(jié)合的現(xiàn)代實驗教學(xué)資源研發(fā)師資隊伍。建立起實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗項目和實驗裝備與學(xué)科發(fā)展同步持續(xù)更新的聯(lián)動機制，從而破解工程地質(zhì)實驗教學(xué)內(nèi)容滯后于學(xué)科發(fā)展的瓶頸，為土木工程學(xué)科人才培養(yǎng)提供重要基礎(chǔ)。

二、多尺度現(xiàn)代數(shù)字教學(xué)技術(shù)與實驗教學(xué)的融合模式

實驗課程以相關(guān)紀錄片或工程案例視頻開場，在營造輕松、友好的實驗教學(xué)氛圍的基礎(chǔ)上，以提高學(xué)生的精準實驗?zāi)芰槟繕?，以學(xué)生為中心的全過程主動參與為前提，以理論—實驗—實踐一體化流程為路徑，利用虛擬實驗系統(tǒng)，建立具備宏觀地學(xué)背景、系統(tǒng)概念、生動高效傳遞知識、提升綜合能力的實驗課程。通過學(xué)校修購計劃和教改（精品）實驗項目的建設(shè)，綜合運用板書、多媒體、標本實物、網(wǎng)頁、視頻等多尺度現(xiàn)代數(shù)字化教學(xué)技術(shù)，形成了基礎(chǔ)地質(zhì)（工程地質(zhì)）虛擬仿真實驗項目平臺、礦物和巖石的光學(xué)顯微鏡鑒定教學(xué)互動實驗室等。利用數(shù)字化技術(shù)具有的存儲、多媒體展示和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶攸c，依托多種信息化技術(shù)建成包含課堂實驗教學(xué)、在線實驗教學(xué)的虛實結(jié)合的多維度與多尺度互動的實驗教學(xué)體系，形成現(xiàn)代數(shù)字教學(xué)技術(shù)與實驗教學(xué)的全面融合模式；結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)實驗教學(xué)平臺和信息化實驗教學(xué)技術(shù)支撐隊伍，師生互動交流的渠道得以拓寬，實驗內(nèi)容在多學(xué)科中實現(xiàn)跨越，實驗操作在時間、空間限制上完成突破，形成了“人人易學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)”的實驗教學(xué)新機制。

（一）實驗標本照片的數(shù)字化

將土木工程類專業(yè)主干課程工程地質(zhì)實驗涉及的自然界中常見的19種礦物、9種巖漿巖、9種沉積巖、8種變質(zhì)巖標本進行典型樣品的數(shù)字化制作、整理與編號，通過宏觀和微細觀圖片展示其物理特性，并制作巖礦物理、化學(xué)特性動畫，加深學(xué)生對巖礦標本顏色、光澤、解理、節(jié)理等特性的理解。

（二）實驗教學(xué)多媒體課件的開發(fā)

在工程地質(zhì)實驗教學(xué)課堂中，利用強烈的感官刺激帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與思維沖撞，以國家重大項目研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合礦物巖石的基本概念、顏色、光澤、解理、節(jié)理、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，以及三大類巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分、成巖過程、工程應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)緊跟科學(xué)研究前沿的內(nèi)容豐富、圖文并茂的課堂數(shù)字化教學(xué)課件；配合科學(xué)前沿研究視頻，從靜到動地展示地質(zhì)與土木工程、環(huán)境科學(xué)的有機結(jié)合案例。

（三）實驗教學(xué)條件的改善

結(jié)合學(xué)校修購專項資金與實驗教改項目，對實驗教學(xué)條件進行改善，配備了電腦、投影儀、音響等多媒體設(shè)備6臺套，更新了實驗桌椅、礦物標本、刻刀、摩氏硬度計、磁鐵、條痕板等實驗用具200余臺套，新增和更新平面展板和立體展板30余套，直觀展示巖石及礦物循環(huán)演變的各個過程及物理性質(zhì)，并將偏光顯微鏡、電子顯微鏡等一些小型科研設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)演示以開闊學(xué)生視野，增強創(chuàng)新意識。

（四）互動教學(xué)模式的改進

采用“感官認識—興趣驅(qū)動—實踐貫通與互動交流—深刻印象—強化能力”的教學(xué)模式，利用標本實物、光學(xué)放大鏡和電子放大鏡、顯微鏡等實驗設(shè)備，進行宏—細—微觀多尺度教學(xué)，同時增加與學(xué)生的互動，通過小組討論、各種地質(zhì)現(xiàn)象的搶答及演示活動、電子放大鏡手機拍照、顯微鏡下觀察等環(huán)節(jié)，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。據(jù)近幾年的課堂反饋，利用電子放大鏡連接手機拍攝巖礦標本的細觀特征并分享朋友圈成為學(xué)生上課的一大興趣愛好，這也很好地為工程地質(zhì)實驗課程和巖礦細觀特征科普進行了宣傳。

在知識傳授方面，主要采用課堂講授、提問、討論與參觀等形式進行教與學(xué)，傳授基本知識。在能力培養(yǎng)方面，通過啟發(fā)式和引導(dǎo)式標本鑒定教學(xué)，提高學(xué)生獲取知識的能力；通過提問、討論與分析，提高學(xué)生的知識理解和綜合應(yīng)用能力；通過學(xué)生自行動手完成巖礦鑒定實驗，提高其分析和解決實際問題的能力。在素質(zhì)提升方面，結(jié)合室內(nèi)實驗的教學(xué)工作，搜集和整理巖礦鑒定在實踐工作中應(yīng)用的范例，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過標本描述以及課程考核的嚴格把關(guān)，將科學(xué)態(tài)度和敬業(yè)精神潛移默化地融入學(xué)生的意識，提升其職業(yè)道德素質(zhì)；通過小組分工合作，鍛煉學(xué)生的團隊合作意識和自我奉獻精神（詳見圖1）。

圖1 教學(xué)理念與教學(xué)方法示意圖［2］

（五）實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)

本團隊開發(fā)的基礎(chǔ)地質(zhì)（工程地質(zhì)）虛擬仿真實驗項目平臺針對工程地質(zhì)實驗中的礦物鑒定、巖漿巖鑒定、沉積巖和變質(zhì)巖鑒定建立了虛擬仿真訓(xùn)練，可支撐學(xué)生在學(xué)時和場地受限的情況下，進行自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)。特別在2020年新冠疫情暴發(fā)的情況下，學(xué)生無法正常進行線下學(xué)習(xí)，以及在后續(xù)國外留學(xué)生無法返校的情況下，采用教師線上直播教學(xué)與學(xué)生在線虛擬仿真實驗項目平臺預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)相結(jié)合的方法，取得了較好的教學(xué)效果，也為日后線上教學(xué)提供了保障。

三、形成工程實踐應(yīng)用與實驗教學(xué)成效反饋機制

利用工程地質(zhì)野外實踐基地——浙江杭州地質(zhì)實習(xí)基地，構(gòu)建老和山線路的地質(zhì)基本功及水文地質(zhì)實習(xí)，玉皇山線路地質(zhì)構(gòu)造實習(xí)，錢塘江沿岸線路、寶石山和龍井—靈隱線路的工程地質(zhì)實習(xí)這五條各具特色的實習(xí)路線，引導(dǎo)學(xué)生從肉眼鑒定三大類巖石的能力，到運用地質(zhì)術(shù)語，識別地質(zhì)圖，鑒別巖層性質(zhì)、地質(zhì)年代及其分布規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造、巖層的接觸關(guān)系，閱讀和應(yīng)用地質(zhì)報告等，對學(xué)生的知識掌握和實踐應(yīng)用能力進行檢驗，采用啟發(fā)式、參與式、討論式、探究式和案例式的教學(xué)方法，通過地質(zhì)現(xiàn)象和工程實例講解、現(xiàn)場互動答疑、野外記錄和作圖等多種手段，構(gòu)建課堂實驗教學(xué)成效的反饋機制，將工程地質(zhì)野外實踐應(yīng)用與課堂實驗教學(xué)成效反饋有機結(jié)合，建立起實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與學(xué)科應(yīng)用發(fā)展同步持續(xù)更新的聯(lián)動機制，對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)尤其是人格品質(zhì)的養(yǎng)成起到積極作用。

四、成果的推廣應(yīng)用效果

通過2016—2021年五年間的研究、探索與實踐，我們集成了上海市首批虛擬仿真實驗教學(xué)項目“基礎(chǔ)地質(zhì)實驗”及同濟大學(xué)精品實驗項目“礦物鑒定”“巖漿巖鑒定”“沉積巖和變質(zhì)巖鑒定”等實驗教學(xué)相關(guān)成果，并利用自編教材《工程地質(zhì)學(xué)》和《礦物和巖石鑒定實驗指導(dǎo)》，以及線上學(xué)習(xí)平臺資源，形成一套教師講授與學(xué)生獨立操作、課上教學(xué)與課下復(fù)習(xí)相結(jié)合的高效實驗教學(xué)方法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生扎實掌握巖礦鑒定、識別地質(zhì)現(xiàn)象和閱讀勘查報告的方法，提供了多種途徑和手段。該體系面向土木工程學(xué)科每年450人次的本科實驗教學(xué)，取得了良好的應(yīng)用效果，突破了實驗教學(xué)內(nèi)容滯后于學(xué)科發(fā)展的瓶頸和學(xué)時場地對實驗教學(xué)模式的限制，實現(xiàn)了實驗教學(xué)與工程應(yīng)用的有機結(jié)合。

結(jié)語

在經(jīng)濟化、信息化背景下，以培養(yǎng)面向未來行業(yè)發(fā)展及社會需求的土木人才為目標，通過學(xué)科發(fā)展前沿成果與實驗教學(xué)資源聯(lián)動開發(fā)、現(xiàn)代實驗教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式融合提高、工程實踐應(yīng)用與實驗教學(xué)反饋機制構(gòu)建等一系列舉措，形成面向?qū)W科發(fā)展與教學(xué)技術(shù)進步的工程地質(zhì)實驗教學(xué)創(chuàng)新體系。構(gòu)建工程地質(zhì)實驗教學(xué)體系與學(xué)科同步發(fā)展的聯(lián)動機制，可以有效破解實驗教學(xué)內(nèi)容滯后于學(xué)科發(fā)展的瓶頸，形成多尺度現(xiàn)代多媒體教學(xué)技術(shù)與實驗教學(xué)的全面融合模式，從而突破實驗教學(xué)模式受限于學(xué)時和場地的限制；建立工程實踐應(yīng)用與實驗教學(xué)成效反饋機制，實現(xiàn)工程應(yīng)用對理論和實驗教學(xué)的反饋機制，實現(xiàn)工程地質(zhì)實驗教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，對全面提高面向未來行業(yè)發(fā)展及社會需求的土木人才培養(yǎng)質(zhì)量起到重要的支撐作用。