工學的地質思維

一、引言
　　地學和物理、化學、生物、力學并稱五大基礎學科，地質學是地學的重要組成部分。學習地質學知識，可以大大拓展學生的視野，增強學生的知識面和知識層次。目前，國家正在大力鼓勵學科交叉和創新，新工科的發展更是對學科交叉融合提出了新的要求。目前，我國許多工科類學科，比如土木工程、交通工程、水利工程、礦山工程、城市規劃、風景園林、環境工程等，都會涉及地質知識。所以，學生會學習工程地質、環境地質、水文地質等課程，但偏于應用，對于涉及到地球的歷史與演化、各種內力地質作用、外力地質作用、行星地質等，則涉及比較少。通識教育，有時更加強調無用知識，即非即學即用的實用性知識，而是拓展學生的視野和世界。所以，在工學類學生中開設地學類通識教育課程，具有非常重大的意義。特別是地質學在發展過程中，形成了一套獨特的思維方法[1-3]，總結和發展出了地質哲學，這些知識的學習，對于工學類大學生而言，具有非常大的啟發意義。
　　目前，許多大學都設置有地球科學學院，開設有地質學、地質資源與地質工程等地學類專業。地學專業有些屬于理科，有些屬于工科，但都可以為工學類學科開設地質學類通識教育課程。本文主要介紹《工學的地質思維—普通地質學通識課程》的教學設計，可為同類通識教育課程的開設提供參考依據。
　　二、工學的地質思維
　　1.工學思維。工學思維（工程思維）是宇宙中最復雜、最奇妙的現象之一。人的實踐活動方式與內容直接影響著思維活動的各個方面，從而出現了與不同實踐活動相應的思維方式。由于工學面向解決實踐問題，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，則可充分學習其解決問題的思路，然后總結規律，上升到指南、規范范疇，將其變成一般知識，供行業內學習和應用。對于成熟問題，強調成熟經驗，遵守規范要求，在遵從既有規則的前提下，開展設計工作，進行有條件的創新。同時，還需要解決成本和可靠性的問題。各類工學學科面向對象不同，但解決問題的方法和思路是大同小異的。
　　2.地質思維。地質上常用的理性思維表現形式有形式邏輯（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形式有想象、聯想、直覺和類比。地質思維就是運用地質學知識和原理去分析、研究古今地質作用的過程。地質思維背后是地質哲學，是通過多年探索和積累，逐漸發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事件所遺留下來的片段現象和作用結果，利用現今地質作用的規律，去反推古代地質事件發生的特點、條件以及大致的演化過程。將今論古意為現在觀察到的地質現象在地質歷史上也會發生。如河流攜帶著大量泥砂，并將其搬運到遠處沉積下來。現在觀察到了，那在地質歷史上的河流，也會有同樣的搬運作用。這樣就可以用現在發生的事件，類比和推斷歷史事件。以古論今和論未來，意為地質歷史上曾經發生的事件，現在也可能會發生，在未來也可能會發生。研究地質歷史上地質事件發育的規律，可以認識現在，預測未來。過去地質歷史在地層里遺留的各種構造行跡，可以推斷歷史上發生過什么，也可以利用這些歷史上發生的規律，推算未來事件演化的歷程和發生的可能。活動論意為地球上一切都在演化之中，沒有靜止和停滯，人類經歷的只是其中的一些片段。
　　3.工學的地質思維。在工學中，也可參考地質思維。地質思維包括歸納、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，要能根據現有的證據，推斷其歷史，展望其未來。需要能根據歷史的遺跡，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，論未來的方法進行研究。我們國家修建了都江堰，其歷經滄桑，仍然是非常成功的水利工程，至今仍在使用。國外有很多已經使用數百年的城堡，仍然保留了較好的使用功能。我國上海發現了最早使用的木質樁基，說明歷史上成功的范例，也可在現代重復，目前《規范》規定了地下工程設計使用壽命，按“以古論今”的思維方法，其設計使用年限還可以延長。又如在發現某種維護條件下，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，在工程中應該研究此種材料并將其用于工程實踐。同時，在城市規劃、風景園林等工作中，也會涉及山水布局及成因機制等，地質歷史上很多城市的興衰都和地質環境密切相關。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，都和地質環境密切相關。學習地質知識，掌握工學中的地質思維，對于提高學生的素質、知識基礎和創新能力都是非常必要的。
　　三、課程設計
　　1.教學對象。本通識教育課程首先針對工學部學生開設。工學部的專業包括：土木工程、水利工程、環境工程、市政工程、交通工程、測繪工程、材料科學與工程、城市規劃、風景園林、機械工程、汽車工程、電氣工程等。主要設計的教學對象為土木、水利、交通、環境、采礦和城規、風景園林類與地質有交叉關系的低年級本科生。
　　2.需求分析。針對所服務工科專業，結合教學內容設計，開展需求分析工作。在課程設計時，特別突出這些專業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密切相關，那就將巖漿作用與巖漿巖、外力地質作用與沉積巖和變質作用同變質巖與土木工程緊密結合起來。比如交通工程線路長，跨越地質單元多，則重點討論地質構造及其對其選線的影響。比如環境工程涉及水土質量，則在地下水的地質作用與外力地質作用部分，重點講述地下水的類型、循環、補徑排和水質。在城市規劃，涉及城市地質和自然景觀，則重點討論城市的興衰與地質環境，以及人為地質作用對地質環境的影響。在風景園林部分，重點討論風的地質作用（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《普通地質學》、《地質學概論》、《動力地質學原理》等，各個單位和編者都有不同的內容編排。這些教材格局特色，最終選用是南京大學主編的《普通地質學》（第三版）作為參考教材。
　　4.教師團隊。通識教育課的教師需專門配置和培訓。在教師安排上，可有不同方法。可以分章節多人講授，也可以一人講授。無論哪種方式，都必須建立教師團隊，對教學進行研討采用交叉教學，并設置備用教師。最理想的配置是1位主講教師，1位實驗教師，1位實習教師，1位Mooc系統維護員。
　　5.教學形式。在課堂教學中，主要采用講課和互動的形式。每次講課的標題都結合一個或幾個非地質工科的內容展開。以一個具有普遍興趣的話題開始，引出地質問題，講述地質現象和發生的機制，講述地質作用，講述變化的內因和外因，講述由于各種地質作用所引發的巖石的生死循環、褶皺斷裂、地震火山，講述地質體的前世今生，講述世界的滄海桑田和各種演化，講述生物的大爆發和大滅絕。在收尾部分，以地質現象說明內涵的地質思維，留下思考題，讓學生思考地質思維和自己工學學科的結合點和結合方式。
　　四、教學方法設計
　　1.Mooc與混合教學。普通地質學課時多，內容多，跨度大，而上課的學時又非常有限。將課程中部分重要補充內容做成Mooc形式，讓同學利用Mooc進行通識課程的學習。同時，對所有知識點進行充分梳理，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，各知識點之間設定嚴格邊界，彼此保持獨立可選。按此層次，對Mooc課程進行分級，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行充分講授和解析。同時，開設通識教學平行班，在課堂進行主要知識點的講授，采用Mooc教學的方式為同學們提供補充知識。如果設定課時有限，則開展課堂和Mooc混合教學。課堂教學重點講授必須掌握的知識，之外的知識學習利用初級和高級別Mooc知識點實施。
　　2.課堂—實驗—實習三位一體教學。地質學是一門實踐性很強的課程，要提升教學效果，必須增強實驗和實習教學。在具備條件時，可開設與課堂教學配套的實驗和實習課程，把部分教學直接放到實驗室或現場試驗點上開展。利用課堂教學講授基本知識點，在實驗室標本和模型的輔助下，利用實驗來驗證課堂所學知識點。對于有限標本無法闡釋的內容，利用實習模式現場調查和體驗所學的知識點。由于通識教育課程學時有限，建立課堂—實驗—實習三位一體的教學體系，以此來有效提高學生的直觀感性認識。以同濟大學為例，實驗可利用巖土與地下工程教育部重點實驗室巖礦實驗室開展課堂實驗教學。在實習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教學。如果實習課時或經費不能滿足要求，可利用當地國土資源部門的地質博物館，作為課程教學的實習場地。
　　3.碎片時間自學。設定微信公眾號，教師結合通識教育課程的進度，在課前預發課程相關的背景簡介，主要知識體系框架、主要知識點及重點概念等。在課程結束后，通過發布微信問卷調查和選擇題的形式，測試同學們對課堂知識掌握的程度。開發虛擬競技App軟件，將地質學知識游戲化，利用虛擬考試、完成任務類游戲等，將主要教學內容固化于移動軟件。基于Android或IOS開發手機端軟件，讓學生可以隨時利用碎片時間進行學習和復習。亦可開發具有開放功能的App軟件，讓學生自己以該軟件為平臺，根據興趣拓展地質知識，并結合自己專業進行二次開發，將計算機知識的學習與應用和通識教育結合起來。這部分工作主要是讓學生可以利用碎片時間進行學習，提高學習效果并增加有效學習時間，寓教于樂，讓學生在輕松氣氛下，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，在實驗課程結束后，在實驗室利用肉眼鑒定巖石和礦物，測試同學掌握常見礦物和巖石基礎特征和鑒定與識別的能力。第三維是小組研究報告與匯報。同學們根據興趣自行組成3-5人研究小組，尋找可用地學思維解決的工程問題。讓學生結合自己專業特色，在解決工程問題的同時，融入并運用地質學的思維方法。完成工作后，匯報小組工作，依據課題完成情況，由課程專家組綜合打分。具備條件的情況下，可以利用開發的虛擬競技App軟件進行學生能力和水平測試，并結合小組工作匯報及平時成績，綜合給定最終成績。