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三、地质学实践教学新体系教学内容

 

以具丰富大陆地质内涵的秦岭造山带和相邻的华北地块与扬子地块作为天然实验室,选择自然、人文、科研条件均佳的秦皇岛、安徽巢湖和鄂尔多斯盆地—秦岭造山带地质走廊为野外实践教学基地。按照本科四年教学的阶段性,在合理安排不同阶段专业课程内容并与野外实践教学交叉协调的基础上,遵循教学循序渐进、由易到难,从单科到综合的规律,并根据野外教学基地的客观实际,我们设置了贯穿本科四年级不同的教学内容,建立了认知—技术方法—研究、创新—多学科交叉与综合思维的循序渐进的实践教学内容。

 

(一)实践教学新体系的野外实践教学内容

以秦岭造山带及其相邻的华北地块和扬子地块为大陆地质的天然实验室,完善本科四年级的不同实践教学,实施阶段不同方式、不同内容、不同教学要求的实践教学,实现本科教学目标。

 

1.一年级地质认识实习-实现由内陆向海洋、由认知向实证的转变

    长期以来,国内各地质院校(系)大多将一年级地质认识实习定位在实施以增强对地球科学的了解、提高兴趣,掌握地质基本概念、基本知识和基本技能(野外地质现象观察、记录、描述、罗盘使用等方面),目的主要是通过实习了解、熟悉所在实习区的地层系统及其地质特征,验证、积累基本知识上。当然,这些内容是地质认识实习的基本方面,必不可少,但是,仅有这些内容显然是不够的。

近年来,地学的发展进入了一个大变革时期,研究的重点发生了重大的转变。地球科学已由单学科的纵向深入,向横向交叉和渗透的方向发展。代表当代地球科学重大前沿的一批交叉学科、综合学科将主宰未来地质科学的发展,并使地质科学朝着系统、整体化方向发展。地球科学的本科教育应以培养素质高,基础扎实,知识面宽,综合能力强的基础研究人才为目标。

为实现这一目标,我们实施了以下改革:

我们首先实施了实习区域由内陆向沿海的转移。由于西北大学地处西部内陆省份,数十年来均以西部内陆地区为实习基地,约束了师生的视野。自20世纪80年代中期开始,我系努力克服了资金上的重重困难,将一年级实习基地选择在自然、人文、科研条件均佳的秦皇岛地区,使我系绝大多数生源来自西部内陆地区的学生有机会既接触沿海经济较发达地区的自然、人文、地理环境,开拓了思路,领略了大自然的美丽风光,稳固了专业思想。同时又亲身感受到海洋地质作用。

将现代技术纳入一年级教学。地形图判读、定点、定位是一年级实习的重要内容之一,我们为每个实习小组配备全球卫星定位系统GPS,将GPS在现代地质、地形测量中的应用技术纳入教学内容,提升了野外技术方法,丰富了地质认识实习的内涵。

实施半定量的地形、地质剖面实测训练。具体作法是:利用GPS及地形图综合确定剖面起点、终点、地质观察点的点位及点间距离,根据地形图等高线判定点间高程差,使用量角器、三角板及视倾角换算表等,在厘米纸上野外现场完成地质剖面的测制。这一措施不但增强了学生的野外地质工作能力,而且为二年级数字地质填图实习奠定了良好基础。

实施学生地质剖面自测训练。在实习总结阶段,每个学生均需独立完成一条地质剖面的测制工作,并作为实习成绩考核的重要依据。

实施实习总结报告编写制度。秦皇岛地质认识实习要求学生完成四张地质剖面图,并对四条地质剖面的地层、岩石、岩石组合、岩性变化规律、沉积特征、沉积环境分析等方面进行详细论述,并以学生自己的野外记录和实际观察内容为主。总结报告要求学生在充分发挥主观能动性、创造性的前题下,充分消化野外实际观察内容,用自己的理解方式将实习区地层体系和岩石类型进行总结,全面归纳分析实习区地层序列和特征。

正是由于这一系列的具体有效的改革,使我系一年级实习已不再是通常概念上的地质认识实习,其难度、内涵均较传统的地质认识实习产生了飞跃性的变化,初步实现了由认知向实证的转变

为了配合一年级秦皇岛地质实习,我们组织野外工作经验丰富的教师群体,精心编写并公开出版了《秦皇岛地区地质实习指导书》,为高质量完成实习任务打下了坚实基础。据不完全统计,已有20余家地质、地理院(校)、系采用或部分采用了我系的秦皇岛实习教材,在国内形成了良好的辐射效应。

 

2.二年级数字化地质填图实习-实现由传统方法向利用新技术、方法改造传统地质方法的转变

二年纪的野外教学实践不但对巩固学生低年级时期获得的基础地质知识并逐步顺利进入到更加深入认识地质及其研究起到重要桥梁作用,而且也是强化学生野外地质实践和突出其技能训练的重要阶段。数十年来,经过地质系几代教师的奋斗和努力建立了扬子区梁山野外教学基地,在传统地质野外工作方法训练方面形成了一整套培养学生野外工作能力的成功教学方法,取得良好的教学效果。但是,随着国家对面向二十一世纪新型地学人才培养的需要以及新技术、新方法的应用,对人才培养提出更高的要求。

野外区域地质填图是二年级野外教学的重要内容,也是训练学生应用已有知识综合分析问题和强化野外地质技能的有效途径。近年来,随着GPSGIS等高新技术在地学广泛应用,区域地质调查(填图)的效率大大提高,地质填图的质量明显改进,并使区域地质调查实现了信息化。数字地质图数据库的建立,也从根本上改变了地质图信息的传统表达方式。因此,当前许多国家均已先后开展了新的国家地质填图计划,并明确了应用高新技术的基本要求。为此,我系及时调整二年级野外教学指导思想,探索新形势下的野外教学方法,开展数字化地质填图教学。地质填图训练以国家标准和规范为基础,以15万区域地质调查实践和技能、方法训练为主要目的,在加强基础野外地质技能训练的同时,将新技术、新方法的应用纳入到野外工作之中,从而实现传统三大件(铁锤、罗盘、放大镜)和新三大件(GPS、数码相机和笔记本电脑)密切结合的数字化地质填图工作。

为实现上述目标,我系自主开发了科研教学密切结合的地质数字填图软件系统,该系统选取当前较先进的SuperMap作为GeoGIS系统平台进行研发。在此基础上,以目前受到我国较多地质院校(系)重视的安徽巢湖地区为实践教学基地,实施数字化地质填图。安徽巢湖为扬子区以沉积地层系统为特点并经历一定构造变形改造的地层-构造典型地区,地层系统具典型性和代表性,构造格局特征,是实施地质填图的良好地区。在该地区以数字地形(地理数字)为电子底图,同时配置GPS、数码相机和笔记本电脑的硬件设备,实施符合国家规范的地质填图完整过程,使学生既受到严格技术方法训练,并使已学到的基础知识得到实际的应用。目前,这一教学方法已取得初步成效,相应配套的数字填图实验室、室内教学模拟等硬件设备配置到位,一个适合于培养具有新技能的二十一世纪新型人才的初步完善的数字填图教学野外训练体系已经完成。

 

3.三年级科学研究实习-将科学研究实质性地纳入教学过程、实现由综合向研究性实习的转变

    三年级科学研究实习是学生在本科期间进行独立科研训练,激发创新性为目的的重要教学环节。该项教学工作是在学生经过了一、二年级不同阶段,分别以认识、方法为重点的基础训练,并具备了初步认识、观察、分析和研究客观地质事物的基本能力基础上,对学生进行综合运用基本知识和技能,独立研究和解决实际问题,实现从选题到实践、实验(测试)再到总结、提高、理论化的完整科研过程训练,以培养和掌握从事科学研究的基本能力和方法。三年级实践教学依照学生的兴趣、爱好(张扬个性),以教师与学生双向选择的方式,或参与不同专业方向教师的科研项目,或申请本科生创新基金项目,完成研究性学习。

10年来,我系三年级科研实习的实施效果良好,对新型人才培养起到了重要促进作用。但是,在实施过程中也发现了一些问题,比如学生在三年级结束时选导师,显然时间偏晚。另外以往过去我系为学生选派导师,主要是学生通过查阅教师工作简历后由学生自主选择,选定导师后再定课题,这样操作既忽略了教师对学生的了解,也造成学生对教师近年来的科研特色、承担项目情况及科研经费情况考虑不足。从而出现部分学生研究兴趣与选定导师有较大差异的矛盾,并制约学生个性的发展。另一种情况是,个别教师在学生的研究课题中投入经费不足,造成学生野外工作时间和室内分析测试工作量不匹配,难以支持完成研究工作。针对上述情况,我们对导师制实施了新的改革,制定了以项目为先导,以师、生双向选择最终确定的方式进行。即由不同学科方向的教师根据自己的科研特色和研究实际,提出科研小课题(有限时间、有限经费、有限目标),学生根据自己的兴趣和特长选择课题,将导师制与创新基金有机地结合在一起,初步形成了教师研究生本科生研究群体与教师的科研项目研究生的论文选题本科生的创新基金多层面的课题组,从而将导师制、创新基金研究计划、实验室开放及本科毕业论文有机的融为一体。

实际的具体步骤是:

首先由教师根据自己的科研内容和承担课题经费情况申报适合学生承担的科研小课题,然后由系教学委员会组织专家组对课题进行审定,审定后的课题向全体学生公布,供学生选择。

我系学生在三年级伊始,即配备导师。由学生根据自身情况和科研兴趣在公开发布的科研小课题中选题。题目选定后,提供该研究课题的教师即成为该学生的导师。他(她)将负责指导学生的创新基金项目申请和实施,并全面负责该学生的科研训练和毕业论文设计,直至学生毕业。

为了提高教师指导学生的积极性,同时为学生独立承担科研小课题搭建平台,我系于2002年起全面推行学生创新基金研究计划。我们设立地质学学生创新基金的宗旨是训练学生的独立研究能力,培养开拓精神和创业精神、激发创新意识,使其尽早地参与科学研究、技术开发和社会实践等课外学术科技活动,并得到基本的科研训练。创新基金重点资助学术思想新颖、目标明确、具有创新性和探索性,研究方案可行的项目。申请者可以是学生个人,也可以是项目小组(一般二人为一组)。三年级学生在导师指导下认真填写《学生创新基金申请书》,系教学委员会组织专家组对项目进行公开答辩、评审,确定资助项目名单及资助金额。项目执行过程中进行中期检查,学生毕业前实施结题验收。

对于创新基金承担人,以及参加教师科研项目的全体学生,我系在教学科研实验室使用上实行全方位的开放,同时在西北大学“大陆动力学教育部重点实验室”样品测试、收费等方面实现大幅度的减免和政策倾斜。

由于导师制的改革,以及创新基金研究计划的全面推行,使我系三年级科研训练实践教学产生了质的飞跃,学生以第一作者身份公开发表的论文数明显增加。更为重要的是,我系学生自三年级起就实质性地独立承担小课题、加入到教师的科研群体中,形成了本科学生-研究生-教师共同进行野外工作,同场学术报告和学术讨论的、颇具西北大学地质系特色的科研群体模式,真正实现了将科学研究实质性地纳入教学过程、实践教学由综合向研究性的转变。

 

4.四年级鄂尔多斯盆地—秦岭造山带地质走廊实习-实现地球科学复合、创新型人才培养

在以秦岭造山带及其相邻地块为大陆地质实践基地,并完成了华北区的秦皇岛一年级实习,扬子区巢湖地区的二年级实习和三年级不同学科方向的研究性实习基础上,四年级则进入了以鄂尔多斯盆地—秦岭造山带地质走廊为实习基地的跨大地构造单元,多学科交叉的区域地质综合实践。鉴于该实践教学对本科教学的重要性,我们将其建设成了一门重要的实践教学课程。该课程在2004年已入选国家精品课程。

四年级以鄂尔多斯盆地—秦岭造山带地质走廊为教学基地,在对不同构造单元、不同时代、不同类型和不同层次地层系统和构造变形为主的实际观察、研究、分析基础上,进行点、线、面结合的同时异岩、异相、异构的对比分析,构建区域时、空地层—构造格架,研究地质事件、分析区域地质结构构造特征,探讨区域地质演化过程。以此使学生树立新的地球观,训练学生的基本素质和技能、培养多学科交叉观察、分析、解决问题,特别是综合分析问题的能力,激发创新思维。

地质走廊建立了以主干剖面地质观察研究为主,辅助剖面和典型区段地质解析为辅的点—线—面相结合的区域调研的野外地质综合教学方案。对主干、辅助剖面和典型解剖区段的选择,兼顾了区域的贯通性,地质现象的代表性、典型性和可对比性,以及地壳结构的层次性。并针对不同剖面的地质特点,实施了详细的再调研。

主干剖面保证了对不同大地构造单元地表地质特点及其时、空相关性的全面的、宏观的理解和认识;辅助剖面一方面补充因露头限制的缺憾,另一方面则弥补了由地质作用的特殊性造成的地质现象的差异。

典型区段的地质解剖是依据对沉积作用、岩浆作用、构造变形和变质作用等深入研究的需要,选择出露良好、地质现象典型的区段,进行以不同学科的理论、方法实践为主要目的的观察和研究,以达到在一、二、三年级实习基础上对地质内容和野外工作方法的提高,并提供进行科学研究工作的初步训练。已选择的区段包括陆相、海相沉积区,陆相、海相重力流沉积区,沉积岩区构造、变质岩区构造、稳定地块区构造和造山带构造,侵入岩结构构造等。特别将地质现象典型,但成因争议较大的区段作为研讨的区段,以扩大学生的知识面并促使学生了解地质现象的复杂性和人们认识的多解性。

鉴于四年级鄂尔多斯盆地—秦岭造山带地质走廊野外教学跨区域地质时空演化的复杂性和多学科综合研究的困难性,必须提供一套首先有指导性,即提供区域综合研究的思想、方法;其次要有客观性,有一套真实可靠并可反复观察的实际素材以及前人研究资料供反复理解认识;再次有启发性和思考探索性,即能启发学生的科学思维和激发创造性思维的教材体系。该套教材包括录相、多媒体、教学实习指导书自成系统、各有侧重的三部分组成,构成相互配合的“立体”教材体系。

录相教材简明扼要的提供对本课程教学方法和教学主要内容全面概括的初步了解。

多媒体教材则提供一套按构造单元,分区段沿观察路线的翔实客观野外地质素材,或称地质信息库,其中包括了前人研究的部分地质成果和超出观察路线的特征地质现象。

教学指导书提供了区域地质多学科综合解析的思想方法和教学区域具体地质结构构造特征及其形成构造动力学的分析。区域构造动力学的分析采用多元化、开放式的思维,即在了解国内外对地球动力学、大陆动力学研究的不同学术观点和新思想、新认识的前提下,介绍对秦岭造山带及相邻地区构造演化的不同观点、不同认识;最后采用大多数人接受的大地构造主流观点,如板块构造理论对区域进行构造演化的综合探讨,以学生作示范性的分析,并完成区域地质多学科综合研究思想方法的实践和总结。

 

(二)实践教学新体系的室内及课间教学内容

    课程实践教学是地质学实践体系的又一重要组成部分,改变以往以验证为目的的课程实践教学内容是整个实践教学体系改革的重要方面,为此,我们因课制宜,努力寻求有效的方法,让学生在实验课中获得良好的感性认识,消化理论知识,完成设计性、综合性及创新性教学过程。

由于不同课程内容的差异,地质学系在建设实践教学新体系中,全面改革了基础课程实践教学模式,以课程的性质为依据,建立了课程综合实践教学模式,现场实践教学模式和研究性实践教学模式3种类型。不仅完善了不同课程自成体系的实习内容,而且建立了既服务于本课程内容,又为后续的区域地质综合教学积累的内容。这些课程包括《地球科学概论》、《古生物地史学》、《构造地质学》、《矿床学》、《沉积相》、《环境地球化学》、《第四纪地质学》等(表1)。

1 不同课程课间实践教学及模式一览表

实践课程

年级

实习地点

教学模式

地球科学概论

一年级

陕西柞水、镇安

现场实践

古生物学

二年级

室内实习

综合实践

构造地质学

二年级

泾阳口镇

现场实践

沉积相

三年级

富平赵老峪

现场实践

矿床学

四年级

陕西金堆城

现场实践

环境地球化学

四年级

蓝田-泾阳

研究性实践

第四纪地质学

四年级

陕北地区

现场教学

 

1.课程综合实践教学模式-《古生物学》为例

以往的《古生物学》实践教学多是以观察标本为主,以达到理解课堂中理论的阐述和验证课程中对古生物形态的描述,即以验证为实践教学的主要内容。新的《古生物学》课堂实践一方面突出重点,精简原来过于繁琐的记忆性内容,另一方面提出一些学科发展中具有代表性的问题及相应的参考文献,通过学生自己的阅读,写出该方面学科发展综述及自己对这些问题的认识。在标本的实习中,为促使学生独立思考,教学中只提供基本地质素材(包括未定名化石标本及化石产地地质剖面图),让学生综合运用所学知识,采用多种方法对所提供的未定名化石标本进行鉴定,在标本鉴定的基础上,对所提供的地质剖面进行分析,最终作出化石鉴定报告和地质分析报告。实践教学中还提出一些古生物学新近研究的热点问题进行讨论,要求内容基本正确,有新意,参考资料丰富,最终以课程论文的形式完成实践教学的考核。实践证明,这些是加强学生动手能力、综合能力训练行之有效的方法,对于提高学生思维能力有着良好的作用。

 

2.现场实践教学模式-以《矿床学》为例

矿床学课间野外实习教学是自70年代以来长期坚持的教学实践环节,并在长期教学过程中,不断继承、调整、改革而建立起来了新的教学模式。以往的矿床学本科课间教学实习是以认识实习为目的,教师讲解,学生被动学习。以矿床地质特征描述为主,注重训练学生的观察能力,仅就矿床类型和矿床特征进行教学。

    近几年,随着教学改革和地学实践教学新体系的不断革新与建全,矿床学课间野外实习教学作为该课程体系的一个环节,进行了新的改革与思考,主要从实践的目的性、实习内容、教学方式方法、训练学生实践能力方面进一步强化。为此,充分考虑了以下几点:

   1)充分利用地域优势,优选世界著名超大型金堆城斑岩钼矿床为基地,继承秦岭大剖面区域地质综合野外实习,使用矿床地质实践性教学举一反三,重温秦岭地质,加强矿床学专业化实践的训练。

   2)改变描述型、填鸭灌输式和传统的被动教学模式,采用现场考察研讨式、设计式教学的模式,模拟工作访问式科研活动进行教学,训练学生综合的专业素质和专业科研能力。

   3)进一步加强学生专业知识语言及形体表述能力的训练,以问题讨论方式调动学生之间、学生与教师间的互动性交流,引导学生独立思考,提高观察分析解决问题的能力,培养过硬的科学研究作风。

    矿床学是一门应用基础专业课,通过矿床野外实践,使学生学会认识和掌握矿床的野外考察、研究的程序、研究内容与工作方法、矿床学工作与研究的规范,提高综合分析的能力,为今后生产、科研工作进行方法、思路、综合能力和科研报告编写的训练,提高学生的科研能力,为本科毕业实践打下基础。

 

3.研究性实践教学模式-以《环境地球化学》为例

《环境地球化学》是20世纪60年代兴起的新研究领域,近年来随着人类生存环境问题日显突出,人们环境意识的增强以及该学科研究内容不断更新和扩充,新认识、新成果不断涌现,显示该学科有着广泛的应用前景和巨大的发展潜力。显然旧有的教学方法不仅不能适应该学科发展的需求,也不符合当前高校创新性人才培养方针。根据本课程特点并考虑到它是一门在完成了地质学主要基础课程之后为高年级学生开设的指选课,我们将教学目标重点放在研讨、综合分析和实际动手的互动交流能力的培养上。

鉴于近年来出现的大量新成果以及信息技术的广泛应用,课程制定了激发学生主观能动地利用各种资源的阶段式考核,以教师命题和学生根据学科发展自己提出问题相结合的方式设立专题,给学生更多的空间在课外利用各种渠道(图书馆、资料室和网络查询)收集与专题相关的资料,并严格按科技论文的形式撰写各种形式读书报告(学科发展综述、存在科学问题以及自己的看法与认识等等),不但培养学生独立收集阅读文献和综合分析资料的能力,而且还锻炼了科学研究的方法和技能。

教学中改革传统教学方式方法,采取课堂讲解与讨论的互动教学方法,给学生创造上讲台的机会并充分利用多媒体技术以小组为单位对大家关心的问题和当前本学科的研究热点进行讲解答辩,锻炼学生的表达和思辩能力。

此外本课程还注重开发学生实际科学研究的动手和应用能力,并在两个方面做了有益的尝试:一是进行模拟式科研训练,主要通过收集前人对特定地区研究所得实际资料的收集,去除其论证和观点,给出学生地质背景和分析数据等,让学生根据自己对前人测试数据的处理、整理和分析,结合地质背景,分析地质意义,撰写科研论文;另一是野外观察和采样以及实验室实际操作的研究过程培养。具体做法是结合本课程设计的课间野外现场教学,让学生取得野外第一手实际资料,并在室内研究的基础上进入我校教育部大陆动力学重点实验室开展各种样品的处理和测试分析研究工作。这一工作的开展基本以小组为单位并与大四年纪毕业论文工作相结合,成果突出者,将鼓励在正式刊物发表。通过这种多技能训练授课方式,使学生在有限授课学时内最大限度地掌握了《环境地球化学》这门课程的学科体系、新知识、新内容和发展趋势,同时还培养了学生独立思考和综合分析解决问题的能力,并学会解决实际问题的科研方法和基本技能,使学生综合素质及创新精神和实践能力明显提高,满足创新性人才培养的目的。