從工程地質(zhì)學(xué)教學(xué)中研究知識(shí)的傳承與創(chuàng)新

胡江春+王紅芳

摘要：知識(shí)本是歷史的、創(chuàng)造的、流動(dòng)的，雖然現(xiàn)在教材中許多知識(shí)成為無(wú)需證明的常識(shí)，但都是在知識(shí)歷史長(zhǎng)河中沉淀下來(lái)的精華。文中通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)學(xué)的概念、定律以及理論背后的思想、觀念和方法的探討，研究在教學(xué)中加強(qiáng)科學(xué)知識(shí)探究過(guò)程的理解和訓(xùn)練，使學(xué)生有意識(shí)地了解人類智識(shí)的發(fā)展軌跡。通過(guò)對(duì)巖石成因、河流地質(zhì)作用以及地震等知識(shí)的探究過(guò)程，了解知識(shí)傳承是一個(gè)曲折向上的過(guò)程，并在其中理解創(chuàng)新的真正意義。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)學(xué)；探究過(guò)程；傳承與創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）15-0241-03

一、引言

工程地質(zhì)學(xué)是研究與人類工程建筑等活動(dòng)有關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題的科學(xué)，是地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科。它產(chǎn)生于地質(zhì)學(xué)的發(fā)展和人類工程活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的積累中。在土木工程專業(yè)培養(yǎng)體系中，工程地質(zhì)學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程是以地質(zhì)領(lǐng)域的基本知識(shí)為背景，既系統(tǒng)介紹了巖石、土及地下水的基本知識(shí)，也研究了不良地質(zhì)作用、巖土工程勘察等實(shí)踐性較強(qiáng)的內(nèi)容，由于課程實(shí)踐性太強(qiáng)，培養(yǎng)計(jì)劃一般又安排在低年級(jí)教學(xué)，所以學(xué)生普遍認(rèn)為內(nèi)容難以理解，教學(xué)效果不佳。為此，廣大教育工作者也是各盡所能，力圖改變不利的局面。大多數(shù)是從培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)手段入手，或者從實(shí)踐教學(xué)出發(fā)，試圖通過(guò)直觀感性認(rèn)識(shí)來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，也有通過(guò)調(diào)整課程體系，增加學(xué)生的興趣點(diǎn)，大家的落腳點(diǎn)都是從地質(zhì)思維到創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，或者是在教學(xué)過(guò)程中就關(guān)注了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

地質(zhì)學(xué)知識(shí)都是有歷史的，是在流動(dòng)中不斷創(chuàng)造和發(fā)展，在這歷史、創(chuàng)造和流動(dòng)過(guò)程之中，一些東西消失了，也有一些東西遺留了下來(lái)，其中很多思想、觀念和方法仍然是我們當(dāng)下學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。本文以工程地質(zhì)學(xué)中巖石成因、河流地質(zhì)作用以及地震地質(zhì)作用為例，研究人類對(duì)這些知識(shí)的探究過(guò)程，使學(xué)生了解人類知識(shí)的發(fā)展軌跡，理解其中的思想、觀念和方法，從中傳承精神，體會(huì)創(chuàng)新。

二、工程地質(zhì)學(xué)知識(shí)的探究過(guò)程

工程地質(zhì)學(xué)一般可概括為以下幾個(gè)方面：研究巖體、土體的空間分布規(guī)律和工程地質(zhì)性質(zhì)、分類，巖石和土的成分和結(jié)構(gòu)，以及在自然條件和工程作用下這些性質(zhì)的變化趨向；分析和預(yù)測(cè)在自然條件下和工程建筑活動(dòng)中發(fā)生和可能發(fā)生的各種地質(zhì)作用和工程地質(zhì)問(wèn)題；研究防治不良地質(zhì)作用的有效措施；研究工程地質(zhì)條件的區(qū)域分布特征和規(guī)律，預(yù)測(cè)其在自然條件下和工程建設(shè)活動(dòng)中的變化和可能發(fā)生的地質(zhì)作用，評(píng)價(jià)其對(duì)工程建設(shè)的適宜性。

工程地質(zhì)學(xué)的研究?jī)?nèi)容都是經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的，并在工程實(shí)踐中經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的人類智慧的結(jié)晶。它們的形成是一個(gè)長(zhǎng)期的、經(jīng)過(guò)很多波折的過(guò)程，我們?cè)谥v述這些知識(shí)時(shí)，也應(yīng)該讓學(xué)生了解一下這些知識(shí)形成的過(guò)程，以及這期間的思想、觀念和方法，對(duì)于學(xué)生理解工程地質(zhì)學(xué)知識(shí)、傳承科學(xué)精神、培養(yǎng)創(chuàng)新思維作用匪淺。

1.巖石成因的探究過(guò)程。人類對(duì)地質(zhì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期而曲折的歷史過(guò)程，其中關(guān)于巖石成因的水成論和火成論是一場(chǎng)轟動(dòng)科學(xué)界的大論戰(zhàn)。

早在17世紀(jì)，英國(guó)學(xué)者伍德沃德（J.Woodward，1665-1728）就已形成了類似水成論的洪積說(shuō)。伍德沃德收集了大量地質(zhì)資料和化石標(biāo)本，實(shí)地考察了不列顛許多地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)都與水的沉積作用有關(guān)，于是他便得出結(jié)論，認(rèn)為現(xiàn)今地球表層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是在洪水中形成的。當(dāng)洪水發(fā)生時(shí)，整個(gè)地球都被破碎而溶解了，地層就從這種混沌溶液里堆積而成，并認(rèn)為不同地層中所含的生物化石不同，是重者下沉、輕者上浮的結(jié)果。

17世紀(jì)末期，正當(dāng)洪積說(shuō)盛傳之際，意大利神父莫羅（A.L.Moro，1687-1764）考察了埃特納火山，從火山爆發(fā)形成熔巖流這一自然現(xiàn)象得到啟發(fā)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的總結(jié)與醞釀，于18世紀(jì)初提出了與水成論完全對(duì)立的火成論。在觀察了火山堆和火山噴發(fā)后認(rèn)為：地球最初被一整片水層所覆蓋，未露出起伏不平的地形，后來(lái)地下熱力創(chuàng)造了島嶼、大陸和山脈，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間地質(zhì)年代的演變才出現(xiàn)了生物。在山脈中形成了裂縫，大量的土壤、砂、黏土、金屬、硫磺和各種礦物沿裂縫噴出來(lái)，沉積成層并形成次生山脈和平原。莫羅所提出的造山作用和火山作用有關(guān)的思想，有力地駁斥了水成論（洪積說(shuō)），并為火山論的誕生與發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。這就是早期的水成論和火成論之爭(zhēng)。在地質(zhì)學(xué)發(fā)展的過(guò)程中，這種論爭(zhēng)此起彼伏，爭(zhēng)論不休。

進(jìn)入19世紀(jì)時(shí)，水成論極為盛行，在自然科學(xué)領(lǐng)域中占有統(tǒng)治地位，德國(guó)地質(zhì)學(xué)家維爾納（A.G.Werner，1750-1817）是公認(rèn)的領(lǐng)袖。維爾納水成論思想的形成與他家鄉(xiāng)的特殊地質(zhì)情況有關(guān)。他通過(guò)對(duì)家鄉(xiāng)礦石中所含礦物的仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)薩克森地區(qū)的巖層都是由沉積作用形成的，從而武斷地認(rèn)為整個(gè)地球表面曾是一片汪洋，其深度也像山岳的高度。被溶解在海洋里的各種礦物，最先沉積為結(jié)晶巖石；片麻巖、花崗巖等巖石都是通過(guò)純化學(xué)方式沉積而成的，是深海沉積物，維爾納稱之為“原生巖層類”；雜砂巖、黏板巖等為淺海沉積物，稱之為過(guò)渡巖類；第三類是層狀巖層，包括砂巖、層狀黏土、凝灰?guī)r等；最后一種為最新沖積層或淤積沉積物，呈水平層，包括亞黏土砂、礫石、火山渣等。維爾納的學(xué)說(shuō)，具有原始地層學(xué)的意義，并對(duì)沉積成因的巖石劃分做出重要而正確的結(jié)論，但他認(rèn)為成層的巖石都是在世界洪水期堆積成的，而后便是一切地質(zhì)作用停止的穩(wěn)定期，這就導(dǎo)致了后來(lái)水成論的理論錯(cuò)誤。但是，由于水成論同《圣經(jīng)》上所說(shuō)的洪水論十分吻合，因而得到神學(xué)家們的支持，使維爾納的水成論成為18世紀(jì)末到19世紀(jì)初風(fēng)靡一時(shí)的學(xué)說(shuō)和學(xué)派。于此同時(shí)，英格蘭的赫頓（J.Hutton，1726-1797）1785年在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)宣讀了他唯一的一篇論文《地球論》，隨后進(jìn)行了地質(zhì)調(diào)查，補(bǔ)充資料，于1795年在皇家學(xué)會(huì)再度發(fā)表。赫頓認(rèn)為：地球上起作用的力有重力、燃燒和冷卻、太陽(yáng)光、電、磁力，這些力在地球的歷史中一直發(fā)揮著作用。他把“地球的地下火”看成是堆積物升出海面的原因和動(dòng)力。赫頓更明確地指出：花崗巖、玄武巖和其他類似的巖石都是“火成的”，是地球內(nèi)部的熔融體結(jié)晶而成的。赫頓的論點(diǎn)比較確切地提出了巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖的成因。赫頓死后，他的摯友普雷菲爾于1802年撰寫了《關(guān)于“赫頓地球論”的說(shuō)明》，比較系統(tǒng)地介紹了赫頓的觀點(diǎn)，有力地宣傳了赫頓的理論，從而使其聞名于世。1828—1829年間，英國(guó)的萊伊爾與蘇格蘭的默奇森合作發(fā)表一篇《以法國(guó)中部火山巖說(shuō)明河谷的沖蝕現(xiàn)象》，文中的論點(diǎn)是水成作用與火成作用相結(jié)合，并明確提出自然變化的漸進(jìn)作用。

2.河流地質(zhì)作用的探究過(guò)程。導(dǎo)致地球上無(wú)機(jī)界變化的地質(zhì)營(yíng)力可分為外力地質(zhì)作用和內(nèi)力地質(zhì)作用，也即水成作用和火成作用，前者有雨、河流、泉水、洋流和冰雪的作用；后者包括火山和地震。本小節(jié)和下一小節(jié)我們分別取河流和地震兩種地質(zhì)作用來(lái)介紹人們對(duì)其的探究過(guò)程。萊伊爾認(rèn)為河流地質(zhì)作用的結(jié)果可以分為破壞和運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)果和再造性質(zhì)的結(jié)果。前者包括巖石的侵蝕作用和物質(zhì)向下游搬運(yùn)的作用；后者包括河流沉積物所形成的三角洲和海水的淺落。與我們今天的河流侵蝕作用、搬運(yùn)作用以及沉積作用基本吻合，但也有認(rèn)識(shí)上的不同。（1）河流的侵蝕作用。萊伊爾觀察了喬治亞州省會(huì)米雷居維爾正西3.5英里河谷后認(rèn)為：流水先在既有的巖土裂隙中流動(dòng)，“使溝的起點(diǎn)加深，然后逐漸向后掘蝕”，即是我們今天所說(shuō)的源蝕，沒(méi)有意識(shí)到源蝕是下蝕的一種形式。從“河槽中物質(zhì)硬度的不一致，往往局部使侵蝕作用的側(cè)面掘蝕力改變方向”可以看出，以前人們對(duì)河流側(cè)蝕作用的原因單純是以為河槽物質(zhì)硬度不同造成的，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到河水環(huán)流的作用。（2）河流的搬運(yùn)作用。萊伊爾研究認(rèn)為河流的搬運(yùn)作用是由于流水的浮力、流速等的作用，也即我們認(rèn)為的機(jī)械搬運(yùn)，沒(méi)有考慮化學(xué)搬運(yùn)的作用。

3.地震災(zāi)害的探究過(guò)程。地震在17世紀(jì)之前的記錄很匱乏，歷史學(xué)家的記載幾乎全部局限于死亡的人數(shù)、城鎮(zhèn)的破壞情況、財(cái)產(chǎn)的損失或者觀察者昏眩恐怖的某些大氣現(xiàn)象。18、19世紀(jì)的地震研究主要集中于以下幾個(gè)方面。（1）伴隨地震的現(xiàn)象。這一時(shí)期的地震研究主要是對(duì)地震的考察，對(duì)地震現(xiàn)象的收集、整理及分類，也對(duì)地震的成因做了一定的探索，但主要是大量地震現(xiàn)象的收集、整理及分類工作。觀察收集的現(xiàn)象包括：陸地的持續(xù)隆起和沉陷、伴隨火山的活動(dòng)、地殼的開裂與閉合、溫泉的形成與水溫的變化、特殊的氣候變化等。這一時(shí)期對(duì)地震現(xiàn)象的觀察記錄已經(jīng)相當(dāng)成熟完備。（2）地震作用現(xiàn)象背后的本質(zhì)。通過(guò)對(duì)1812年地震后密西西比河水的觀察得出：一部分地震運(yùn)動(dòng)是水平的，另一部分是垂直的，垂直運(yùn)動(dòng)的破壞力量比水平運(yùn)動(dòng)小得多。這一時(shí)期的研究已經(jīng)知道地震波是一種彈性波，地震波在不同巖石中傳播速率不同，地震波的縱橫作用在地球表面形成復(fù)雜的破壞現(xiàn)象，并研究了地震的起源、傳播方式和測(cè)定震源深度的簡(jiǎn)易方法。該時(shí)期研究仍然認(rèn)為地震是無(wú)法預(yù)測(cè)的，兩次危險(xiǎn)性較大的震動(dòng)之間的時(shí)間間隔是無(wú)從確定的?？上驳氖?，當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)意識(shí)到：在經(jīng)常發(fā)生地震的地區(qū)，經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)知識(shí)可以減輕損失，而且大家形成共識(shí)的是火山和地震是同源的。（3）通過(guò)地震活動(dòng)研究的地質(zhì)學(xué)意義。地震的研究是對(duì)地球了解的一部分，是地球各種地質(zhì)現(xiàn)象形成的主要營(yíng)力之一，這一時(shí)期地震的研究就已經(jīng)和流水的剝蝕作用進(jìn)行比較，把地震作用形成的新陸地和流水剝蝕的巖土量進(jìn)行比照，研究地球形貌改變的力量情況。

通過(guò)對(duì)地震研究證明陸地有交替升降的能力，有力駁斥了水成論的觀點(diǎn)，為地球內(nèi)部物質(zhì)的研究提供了間接證明材料。通過(guò)對(duì)地震發(fā)生時(shí)間的規(guī)律性、火山口噴發(fā)和氣候的關(guān)系等推斷出地面下有巨大的熔融物質(zhì)，這些熔融物質(zhì)在地殼中只占次要位置，從而得出地殼柔順性的結(jié)論。這一時(shí)期的地震研究已經(jīng)比較完善，人們也已經(jīng)掌握了研究地震的一般方法，尤其是對(duì)地震資料的收集整理達(dá)到了相對(duì)的高峰。但是受科學(xué)技術(shù)條件的限制，很多認(rèn)識(shí)和推理與實(shí)際情況有一定的差距。

三、工程地質(zhì)學(xué)知識(shí)的傳承與創(chuàng)新

通過(guò)對(duì)巖石成因、河流地質(zhì)作用以及地震地質(zhì)作用等知識(shí)探究過(guò)程的研究，我們意識(shí)到人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)是一個(gè)逐步形成的過(guò)程。從上述知識(shí)探究過(guò)程中體悟到以下幾個(gè)方面。

1.不同條件下對(duì)事物的認(rèn)識(shí)難易程度差別較大。

在巖石水成論的形成過(guò)程中，伍德沃德收集了大量地質(zhì)資料和化石標(biāo)本，實(shí)地進(jìn)行了大量考察，由于其收集資料豐富，論述系統(tǒng)，才算得上是水成論的開山鼻祖。而火成論的創(chuàng)始人莫羅，從火山爆發(fā)形成熔巖流這一自然現(xiàn)象得到啟發(fā)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的總結(jié)與醞釀，提出了與水成論相媲美的火成論。

2.正確的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)不一定得到認(rèn)同。赫頓從事地質(zhì)30余年，比較確切地提出了巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖的成因，他生前備受攻擊，只有在其死后，才由摯友宣傳而聞名于世，讓人不得不感嘆世事弄人。

3.科學(xué)研究受當(dāng)時(shí)科學(xué)環(huán)境的限制。萊伊爾對(duì)流水進(jìn)行了大量研究，花費(fèi)10年時(shí)間奔波于歐洲大地，受到當(dāng)時(shí)條件的限制，對(duì)河流地質(zhì)作用的河流侵蝕，搬運(yùn)和沉積都沒(méi)有得到完全的解釋。萊伊爾及其合作者收集了大量地震的資料，但是其對(duì)于地震的本質(zhì)，尤其是地震的預(yù)測(cè)，仍然是無(wú)從入手，甚至認(rèn)為是不可能的事。對(duì)地球內(nèi)部物質(zhì)的探討也顯示了當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平的不足，整個(gè)社會(huì)的科學(xué)技術(shù)水平限制著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步。

4.知識(shí)歷史中形成的方法對(duì)現(xiàn)在的科學(xué)研究也有一定的指導(dǎo)意義。雖然當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和現(xiàn)在相比要落后很多，但是當(dāng)時(shí)的某些方法對(duì)于今天的發(fā)展仍有指導(dǎo)意義。馬勒特觀察了1857年地震最劇烈的沙勒諾地區(qū)，觀察了高屋頂上的煙囪、瓫罐和塑像的倒落方向，根據(jù)這些物體具有慣性的特點(diǎn)，判斷它們倒落的方向與震動(dòng)的方向相反。把兩條或兩條以上的方向線延長(zhǎng)，其相交的位置即可定為震中的位置。雖然這種結(jié)果只是粗略的估計(jì)，但是不斷重復(fù)考察，可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。這種簡(jiǎn)單方法對(duì)今日的研究也具有一定的指導(dǎo)意義。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上研究，我們知道在整個(gè)知識(shí)長(zhǎng)河中，一些東西蒸發(fā)了，另一些東西沉淀了，其中的思想、觀念和方法仍保持著永恒的活力。我們研究這些知識(shí)的創(chuàng)造過(guò)程，對(duì)于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，改變片面灌輸科學(xué)知識(shí)的狀況有現(xiàn)實(shí)意義。

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