李 偉，吳智平，沈一新

（中國石油大學(xué)〔華東〕地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

引言

作為高校實踐教學(xué)和科學(xué)研究中至關(guān)重要、必不可少的組成部分，實驗室建設(shè)是培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力和提高思維創(chuàng)新能力的有效手段［1］。目前我國部分高校在本科教學(xué)過程中存在“重理論、輕實踐”的現(xiàn)象，實驗教學(xué)在高校課程體系中一直處于從屬位置，在一定程度上影響了大學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。中國石油大學(xué)（華東）始終堅持以人才培養(yǎng)為本，走“以特色創(chuàng)一流”的內(nèi)涵式發(fā)展道路，重視高水平實驗室建設(shè)和科研創(chuàng)新人才培養(yǎng)。地質(zhì)學(xué)專業(yè)、資源勘查工程專業(yè)是我校首批入選國家級一流本科專業(yè)的國家級特色專業(yè)，實驗室建設(shè)作為爭創(chuàng)“雙一流”的有力支撐之一，發(fā)揮了至關(guān)重要和不可或缺的作用。其中，依托構(gòu)造物理模擬實驗室的建設(shè)與改革，地質(zhì)學(xué)專業(yè)和資源勘查工程專業(yè)本科實驗教學(xué)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面取得了一定成效，為“雙一流”學(xué)科創(chuàng)建發(fā)揮了重要作用。

一、構(gòu)造物理模擬實驗建設(shè)及職能

我校構(gòu)造物理模擬實驗室建設(shè)始于20世紀(jì)末，最早由教師自行設(shè)計模型并由學(xué)校儀表廠負(fù)責(zé)制作完成。2011年依托山東省高校盆地分析與油氣儲層地質(zhì)重點實驗室和油氣資源與探測國家重點實驗室建設(shè)，以及“山東省地質(zhì)學(xué)專業(yè)核心課程教學(xué)團(tuán)隊”建設(shè)，補(bǔ)充了大量實驗儀器，對原有實驗室進(jìn)行了改造升級。2016年依托國家科技重大專項，由山東省深層油氣重點實驗室、山東省地質(zhì)學(xué)專業(yè)核心課程教學(xué)團(tuán)隊多位教師設(shè)計，青島石大石儀科技有限責(zé)任公司制造完成了多功能構(gòu)造物理模擬實驗裝置。該裝置由可變形的砂箱系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動力加載與位移監(jiān)測系統(tǒng)等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多期次、多性質(zhì)、多方向構(gòu)造作用的疊加復(fù)合模擬，滿足構(gòu)造地質(zhì)學(xué)半定量-定量研究的需要，同時在實驗過程中可以動態(tài)監(jiān)測構(gòu)造變形的平面、剖面特征，整體優(yōu)于目前國內(nèi)外現(xiàn)有構(gòu)造物理模擬實驗儀器。

二、依托構(gòu)造物理模擬實驗室的本科實驗教學(xué)改革

伴隨近年來國內(nèi)陸上油氣勘探程度的不斷提高，加之近年來油價持續(xù)下跌的影響，石油行業(yè)對畢業(yè)生的需求有所減少，就業(yè)形勢嚴(yán)峻。用人單位對畢業(yè)生的要求越來越高，除了以往的學(xué)生理論課成績之外，更加注重學(xué)生的動手實踐能力，這就對高校人才培養(yǎng)提出了挑戰(zhàn)和更高的要求。依托“雙一流”建設(shè)的良好契機(jī)，中國石油大學(xué)（華東）積極向研究型大學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)型，力爭打造國際一流石油學(xué)科，學(xué)校大力推進(jìn)本科教學(xué)理念和方式改革，進(jìn)一步創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，強(qiáng)化實踐和實驗教學(xué)是其中的重要環(huán)節(jié)和組成部分。

（一）“地史學(xué)”本科實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問題

“地史學(xué)”是我校地質(zhì)學(xué)、資源勘查工程專業(yè)本科生必修的一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)課程，課程學(xué)習(xí)建立在學(xué)生對“礦物學(xué)和巖石學(xué)”“沉積學(xué)”“地層學(xué)”“構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”“古生物學(xué)”等專業(yè)基礎(chǔ)課和必要的野外地質(zhì)實習(xí)基礎(chǔ)之上。通過課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握地層學(xué)、巖相古地理學(xué)和歷史大地構(gòu)造學(xué)的基本概念和研究方法，了解各地史時期的古生物特征，掌握中國各地質(zhì)時代標(biāo)準(zhǔn)剖面、巖相古地理格局、古構(gòu)造演變歷史及其與成礦作用的聯(lián)系，掌握巖相古地理圖、古構(gòu)造圖等基礎(chǔ)圖件的閱讀和編制方法，進(jìn)一步培養(yǎng)地質(zhì)邏輯思維和分析問題、解決問題的能力。與其他專業(yè)必修課程相比，“地史學(xué)”綜合性強(qiáng)、信息量大、易混淆知識點多，是涉及多方面知識的綜合性學(xué)科［2］。筆者自2008年以來至今一直從事地質(zhì)學(xué)和資源勘查工程專業(yè)“地史學(xué)”的本科教學(xué)工作，通過與授課學(xué)生的交流，并結(jié)合對畢業(yè)生的隨機(jī)訪談發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生在課程結(jié)束后對所學(xué)知識并不能很好地消化吸收、牢固掌握，甚至在較短的時間內(nèi)就忘記或者混淆了，而對于筆者所認(rèn)為的本課程的主要教學(xué)目標(biāo)——培養(yǎng)學(xué)生綜合各類地質(zhì)資料分析地質(zhì)發(fā)展史的思維和能力，更是難以達(dá)到。

目前“地史學(xué)”的教學(xué)以課堂授課為主、實驗教學(xué)為輔，課堂授課占據(jù)了主要地位和絕大部分的時間，而僅有3次實驗課，主要針對不同地質(zhì)時期古生物化石和地層標(biāo)本的觀察描述。筆者結(jié)合近年來的教學(xué)和科研工作，認(rèn)為即使學(xué)生在課上接受的理論再多，如果沒有經(jīng)過實驗室、實際操作的訓(xùn)練，理論知識也無法有效地轉(zhuǎn)化為動手實踐能力。尤其是地史學(xué)學(xué)習(xí)、研究的核心內(nèi)容之一的地質(zhì)歷史時期的大地構(gòu)造背景與格局，是控制和影響地層時空展布特征、沉積古地理格局的主要因素，是揭示地球形成以來各階段的地史特征的關(guān)鍵。目前對大地構(gòu)造格局的研究多是基于抽象的理論分析，學(xué)生難以直觀地觀察構(gòu)造格局的動態(tài)演化過程，從而限制了學(xué)生的空間想象能力，進(jìn)一步導(dǎo)致學(xué)生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力難以得到培養(yǎng)和鍛煉。

（二）“地史學(xué)”實驗教學(xué)改革與實踐

近年來，中國石油大學(xué)（華東）大力推動國家級一流本科課程建設(shè)，在本科教學(xué)工作中推廣研究型教學(xué)方法改革、混合式教學(xué)方法改革、教學(xué)實驗技術(shù)改革，重點培養(yǎng)和提高學(xué)生的動手實踐和創(chuàng)新能力。在此背景下，本科教學(xué)實驗室與科研實驗室有機(jī)結(jié)合、協(xié)同發(fā)展，可以有效促進(jìn)本科實驗教學(xué)改革，提高本科實驗教學(xué)水平。依托構(gòu)造物理模擬實驗室，2016年筆者針對“地史學(xué)”課程進(jìn)行了研究型課程教學(xué)改革，對教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方式進(jìn)行了大膽改革，除了地史學(xué)基本的概念理論外，以建立地質(zhì)思維、掌握研究方法、提高動手能力為根本目標(biāo)。具體而言，主要針對各地質(zhì)時期的地史特征，不再是傳統(tǒng)的“教”，而是培養(yǎng)學(xué)生針對某一具體問題，能夠設(shè)計研究思路與工作流程，學(xué)會通過收集、分析各類地質(zhì)資料，自主開展研究并獲取知識，還可以對結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行評價和自我改進(jìn)完善。并且在2018年修訂了地質(zhì)學(xué)專業(yè)“地史學(xué)”教學(xué)大綱，將實驗學(xué)時由原來的6學(xué)時增加到10學(xué)時，其中4個學(xué)時用于針對不同地質(zhì)時期古生物化石和地層標(biāo)本的觀察描述，6個學(xué)時用于構(gòu)造物理模擬實驗。

為了讓學(xué)生進(jìn)一步強(qiáng)化動手實踐和創(chuàng)新能力，經(jīng)過課程組討論選取了較為經(jīng)典、難度適中、具有代表意義的反轉(zhuǎn)構(gòu)造物理模擬實驗。反轉(zhuǎn)構(gòu)造的形成演化充分體現(xiàn)了大地構(gòu)造背景轉(zhuǎn)變對地層發(fā)育展布、沉積古地理格局的控制作用，有利于學(xué)生掌握地史學(xué)所研究的基本內(nèi)容，形成地質(zhì)思維、掌握研究方法、提高動手能力。

針對6個學(xué)時的構(gòu)造物理模擬實驗，教師首先利用1個學(xué)時講解構(gòu)造物理模擬實驗的基本思路、實驗原理，介紹構(gòu)造物理模擬實驗儀器的操作流程和注意事項，反轉(zhuǎn)構(gòu)造的變形特征、演化過程及其對地層沉積的控制作用，提出實驗?zāi)康募耙?。學(xué)生利用課外學(xué)時進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，利用1個學(xué)時對教師講解內(nèi)容進(jìn)行消化吸收，設(shè)計實驗?zāi)Ｐ?、選取實驗材料、確定實驗過程中力的加載方式，并與教師討論進(jìn)行可行性評價、實驗結(jié)果預(yù)測。剩余4個學(xué)時以學(xué)生實驗為主，地質(zhì)學(xué)、資源勘查工程專業(yè)本科生每級共計3～4個班，每班25～30人，實驗時每班分成3組，學(xué)生自行進(jìn)行組內(nèi)分工完成實驗。構(gòu)造物理模擬實驗首先需要在實驗砂箱鋪設(shè)實驗材料，實驗材料通常選取松散石英砂，為了更好地觀察實驗過程、表征實驗結(jié)果，對松散石英砂進(jìn)行染色、分層鋪設(shè)。為了更好地讓學(xué)生理解反轉(zhuǎn)構(gòu)造的形成過程，實驗時每個班不同的分組分別進(jìn)行正反轉(zhuǎn)構(gòu)造和負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的物理模擬，因此在加載模型受力時分為先拉張后擠壓和先擠壓后拉張兩種方式，實驗過程中學(xué)生可通過計算機(jī)對驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。實驗過程預(yù)計耗時2～3個學(xué)時，輔助系統(tǒng)自動對實驗過程中的構(gòu)造現(xiàn)象進(jìn)行全程錄像和拍照。物理模擬實驗結(jié)果展示了正反轉(zhuǎn)構(gòu)造不同階段的構(gòu)造變形特征，拉張階段以正斷層發(fā)育為主，邊界斷裂處形成地塹、半地塹；擠壓階段正斷層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏀鄬?，在邊界斷裂處形成?gòu)造高部位。在完成實驗的基礎(chǔ)上，學(xué)生利用1個學(xué)時分析實驗結(jié)果，與教師進(jìn)行討論，并根據(jù)實驗結(jié)果分析沉積區(qū)和剝蝕區(qū)的遷移規(guī)律、地層的發(fā)育展布特征等，完成實驗報告。

通過反轉(zhuǎn)構(gòu)造的物理模擬實驗，學(xué)生可以直觀觀察地質(zhì)歷史時期上億年內(nèi)大地構(gòu)造背景轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的構(gòu)造、古地貌的變化，實現(xiàn)了地層學(xué)、沉積古地理學(xué)、歷史大地構(gòu)造學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

三、實驗教學(xué)改革成效

（一）培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐和科研創(chuàng)新能力

高校實驗室作為溝通理論與實踐的橋梁，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的搖籃和主戰(zhàn)場，作用和地位舉足輕重，受到了廣大高校和學(xué)者的重視。

地質(zhì)學(xué)專業(yè)本科生實驗課程大多數(shù)為觀察描述類實驗，而構(gòu)造物理模擬實驗除了必要的教師講解外，全程需要學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)、設(shè)計實驗、動手操作、觀察現(xiàn)象、分析原因，很好地鍛煉了學(xué)生的動手實踐能力。我校在以考查學(xué)生動手實踐能力為主的全國大學(xué)生地質(zhì)技能競賽中獲得了多項獎勵，特別是近年來贏得了特等獎和一等獎，實現(xiàn)了自我突破。在動手實踐能力得到提升的基礎(chǔ)上，學(xué)生的科研創(chuàng)新能力得到了激發(fā)。近年來，我校大力支持和鼓勵本科生申報和參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃，依托構(gòu)造物理模擬實驗室，先后獲批并完成了《反轉(zhuǎn)構(gòu)造的選擇性成因機(jī)制》《魯西隆起節(jié)理特征及其與斷層的關(guān)系》等國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃。有多名本科生參加教師的科研課題，在畢業(yè)設(shè)計期間分別開展了“不協(xié)調(diào)伸展作用的構(gòu)造物理模擬”“東營凹陷扭張構(gòu)造成因機(jī)制”“珠三坳陷斜向伸展作用下的先存斷裂復(fù)活規(guī)律”等構(gòu)造物理模擬實驗，并撰寫了相關(guān)學(xué)術(shù)論文。

（二）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和團(tuán)隊協(xié)作精神

盡管構(gòu)造物理模擬試驗已經(jīng)相對較為成熟，但是在實際操作過程中，仍然會遇到各種各樣的問題，可能出現(xiàn)與預(yù)期不同的結(jié)果，這就需要學(xué)生在實驗過程中主動觀察、思考，體驗實驗成功完成的喜悅，從而在潛移默化中激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。近兩年的構(gòu)造物理模擬實驗課中，不少學(xué)生在實驗課結(jié)束后都能夠主動思考，提出一些自己的想法，如不同性質(zhì)斷裂的生長連接過程、不同伸展作用模式下對盆地結(jié)構(gòu)的影響、走滑作用與伸展（擠壓）作用的疊加改造等模擬實驗，這些都是近年來地質(zhì)學(xué)界研究的熱點和難點，還有學(xué)生提出了將構(gòu)造物理模擬實驗與沉積水槽實驗、油氣運聚物理模擬實驗相結(jié)合，從而實現(xiàn)構(gòu)造—沉積—成藏的有機(jī)結(jié)合，表明學(xué)生已經(jīng)能夠主動思考問題，有效激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

構(gòu)造物理模擬實驗綜合性強(qiáng)、工作量大，僅靠一個人的力量難以完成，需要多個成員進(jìn)行分工合作，特別是在實驗前期分別負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，分工協(xié)作，任何一個步驟和環(huán)節(jié)出了問題都可能導(dǎo)致實驗結(jié)果的不確定性。為了保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，組內(nèi)成員之間針對不同學(xué)生的興趣和特長，分別布置任務(wù)，最后統(tǒng)一完成實驗，分析實驗結(jié)果，學(xué)生在實驗過程中充分感受到了團(tuán)隊協(xié)作對優(yōu)質(zhì)、高效完成工作的必要性，充分意識到了個人作用對完成質(zhì)量的重要性。

（三）促進(jìn)了教學(xué)與科研的協(xié)同發(fā)展

專業(yè)課教學(xué)實驗室的功能定位與基礎(chǔ)課教學(xué)實驗室有所不同［3］，更具綜合性，除了再現(xiàn)課堂教學(xué)所講授的相關(guān)內(nèi)容，還應(yīng)該具有服務(wù)科研的功能。教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合、相互促進(jìn)［4］一直是廣大教育工作者探索的課題。構(gòu)造物理模擬實驗不同于其他演示類、觀察類實驗，有其獨特性，尤其當(dāng)實驗條件改變時會出現(xiàn)不同的實驗結(jié)果，對實驗過程、實驗結(jié)果細(xì)致觀察和認(rèn)真思考后能夠發(fā)現(xiàn)非常多的問題，其中不乏具有前沿創(chuàng)新意義的科研問題，這些問題不僅有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還拓寬了教師的科研視野，促進(jìn)了實驗室的建設(shè)完善，目前構(gòu)造物理模擬實驗室在探索現(xiàn)有模擬實驗裝置的基礎(chǔ)上，加入深部軟流圈地幔作用對淺部地殼構(gòu)造變形的控制作用實驗?zāi)M模塊，實現(xiàn)深—淺構(gòu)造作用復(fù)合對構(gòu)造變形特征、演化過程控制作用的物理模擬，研制成功后，有助于學(xué)生更好地理解中國東部中生代和新生代大地構(gòu)造背景轉(zhuǎn)變對盆地構(gòu)造—沉積—地層的控制作用。

結(jié)語

科研實驗室是高?？蒲泄ぷ鞯闹饕脚_，不僅在科研工作、研究生培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用，還可以服務(wù)本科生的實踐、創(chuàng)新能力培養(yǎng)?；跇?gòu)造物理模擬實驗的“地史學(xué)”實驗教學(xué)改革在地質(zhì)學(xué)、資源勘查工程專業(yè)本科生培養(yǎng)中發(fā)揮了積極重要的作用，有助于學(xué)生了解專業(yè)領(lǐng)域的前沿發(fā)展，提升動手實踐和科研創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)團(tuán)隊精神。不僅如此，學(xué)生的發(fā)散思維也有助于拓寬教師的科研視野，促進(jìn)教學(xué)與科研的協(xié)同發(fā)展。

然而，在實驗教學(xué)改革中，仍然存在一些問題亟待解決，如科研實驗設(shè)備較為有限，每次只能容納2～3個小組同時進(jìn)行；構(gòu)造物理模擬實驗需要大量實驗材料，且為一次性消耗品；本科生實驗課程與科研任務(wù)之間可能存在沖突等。實際上，上述問題是很多科研實驗室在拓寬和延伸實驗教學(xué)職能過程中必將面臨的問題，筆者認(rèn)為，高?？蒲袑嶒炇覒?yīng)該進(jìn)一步向廣大本科生開放，在此基礎(chǔ)上合理規(guī)劃、完善運行管理機(jī)制?？梢源竽憣⒖蒲腥蝿?wù)與本科生實驗教學(xué)相結(jié)合，既可以保證學(xué)生充分接觸前沿科學(xué)問題，又可以解決科研人員緊缺、實驗室資源有限等問題，有利于科研梯隊建設(shè)，形成高質(zhì)量的教學(xué)科研一體化實驗服務(wù)體系。