作者：胡江春，王红芳
来源：《教育教学论坛》 2017年第15期
摘要：知识本是历史的、创造的、流动的，虽然现在教材中许多知识成为无需证明的常识，但都是在知识历史长河中沉淀下来的精华。文中通过对工程地质学的概念、定律以及理论背后的思想、观念和方法的探讨，研究在教学中加强科学知识探究过程的理解和训练，使学生有意识地了解人类智识的发展轨迹。通过对岩石成因、河流地质作用以及地震等知识的探究过程，了解知识传承是一个曲折向上的过程，并在其中理解创新的真正意义。
关键词：工程地质学；探究过程；传承与创新
一、引言
工程地质学是研究与人类工程建筑等活动有关的地质问题的科学，是地质学的一个分支学科。它产生于地质学的发展和人类工程活动经验的积累中。在土木工程专业培养体系中，工程地质学是一门重要的专业基础课。该课程是以地质领域的基本知识为背景，既系统介绍了岩石、土及地下水的基本知识，也研究了不良地质作用、岩土工程勘察等实践性较强的内容，由于课程实践性太强，培养计划一般又安排在低年级教学，所以学生普遍认为内容难以理解，教学效果不佳。为此，广大教育工作者也是各尽所能，力图改变不利的局面。大多数是从培养学生的学习兴趣、优化教学内容、创新教学手段入手，或者从实践教学出发，试图通过直观感性认识来提高学生的学习兴趣，提高教学效果，也有通过调整课程体系，增加学生的兴趣点，大家的落脚点都是从地质思维到创新思维的培养，或者是在教学过程中就关注了创新思维和创新能力的培养。
地质学知识都是有历史的，是在流动中不断创造和发展，在这历史、创造和流动过程之中，一些东西消失了，也有一些东西遗留了下来，其中很多思想、观念和方法仍然是我们当下学习的主要内容。本文以工程地质学中岩石成因、河流地质作用以及地震地质作用为例，研究人类对这些知识的探究过程，使学生了解人类知识的发展轨迹，理解其中的思想、观念和方法，从中传承精神，体会创新。
二、工程地质学知识的探究过程
工程地质学一般可概括为以下几个方面：研究岩体、土体的空间分布规律和工程地质性质、分类，岩石和土的成分和结构，以及在自然条件和工程作用下这些性质的变化趋向；分析和预测在自然条件下和工程建筑活动中发生和可能发生的各种地质作用和工程地质问题；研究防治不良地质作用的有效措施；研究工程地质条件的区域分布特征和规律，预测其在自然条件下和工程建设活动中的变化和可能发生的地质作用，评价其对工程建设的适宜性。
工程地质学的研究内容都是经过人们长期的实践经验总结出来的，并在工程实践中经过检验的人类智慧的结晶。它们的形成是一个长期的、经过很多波折的过程，我们在讲述这些知识时，也应该让学生了解一下这些知识形成的过程，以及这期间的思想、观念和方法，对于学生理解工程地质学知识、传承科学精神、培养创新思维作用匪浅。
1.岩石成因的探究过程。人类对地质知识的认识，经过长期而曲折的历史过程，其中关于岩石成因的水成论和火成论是一场轰动科学界的大论战。
早在17世纪，英国学者伍德沃德（J.Woodward，1665-1728）就已形成了类似水成论的洪积说。伍德沃德收集了大量地质资料和化石标本，实地考察了不列颠许多地区的地层结构，发现这些结构都与水的沉积作用有关，于是他便得出结论，认为现今地球表层的地质结构是在洪水中形成的。当洪水发生时，整个地球都被破碎而溶解了，地层就从这种混沌溶液里堆积而成，并认为不同地层中所含的生物化石不同，是重者下沉、轻者上浮的结果。
17世纪末期，正当洪积说盛传之际，意大利神父莫罗（A.L.Moro，1687-1764）考察了埃特纳火山，从火山爆发形成熔岩流这一自然现象得到启发，经过一段时间的总结与酝酿，于18世纪初提出了与水成论完全对立的火成论。在观察了火山堆和火山喷发后认为：地球最初被一整片水层所覆盖，未露出起伏不平的地形，后来地下热力创造了岛屿、大陆和山脉，在经过一段时间地质年代的演变才出现了生物。在山脉中形成了裂缝，大量的土壤、砂、黏土、金属、硫磺和各种矿物沿裂缝喷出来，沉积成层并形成次生山脉和平原。莫罗所提出的造山作用和火山作用有关的思想，有力地驳斥了水成论（洪积说），并为火山论的诞生与发展奠定了理论基础。这就是早期的水成论和火成论之争。在地质学发展的过程中，这种论争此起彼伏，争论不休。
进入19世纪时，水成论极为盛行，在自然科学领域中占有统治地位，德国地质学家维尔纳（A.G.Werner，1750-1817）是公认的领袖。维尔纳水成论思想的形成与他家乡的特殊地质情况有关。他通过对家乡矿石中所含矿物的仔细研究发现萨克森地区的岩层都是由沉积作用形成的，从而武断地认为整个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种矿物，最先沉积为结晶岩石；片麻岩、花岗岩等岩石都是通过纯化学方式沉积而成的，是深海沉积物，维尔纳称之为“原生岩层类”；杂砂岩、黏板岩等为浅海沉积物，称之为过渡岩类；第三类是层状岩层，包括砂岩、层状黏土、凝灰岩等；最后一种为最新冲积层或淤积沉积物，呈水平层，包括亚黏土砂、砾石、火山渣等。维尔纳的学说，具有原始地层学的意义，并对沉积成因的岩石划分做出重要而正确的结论，但他认为成层的岩石都是在世界洪水期堆积成的，而后便是一切地质作用停止的稳定期，这就导致了后来水成论的理论错误。但是，由于水成论同《圣经》上所说的洪水论十分吻合，因而得到神学家们的支持，使维尔纳的水成论成为18世纪末到19世纪初风靡一时的学说和学派。于此同时，英格兰的赫顿（J.Hutton，1726-1797）1785年在爱丁堡皇家学会宣读了他唯一的一篇论文《地球论》，随后进行了地质调查，补充资料，于1795年在皇家学会再度发表。赫顿认为：地球上起作用的力有重力、燃烧和冷却、太阳光、电、磁力，这些力在地球的历史中一直发挥着作用。他把“地球的地下火”看成是堆积物升出海面的原因和动力。赫顿更明确地指出：花岗岩、玄武岩和其他类似的岩石都是“火成的”，是地球内部的熔融体结晶而成的。赫顿的论点比较确切地提出了岩浆岩、沉积岩和变质岩的成因。赫顿死后，他的挚友普雷菲尔于1802年撰写了《关于“赫顿地球论”的说明》，比较系统地介绍了赫顿的观点，有力地宣传了赫顿的理论，从而使其闻名于世。1828—1829年间，英国的莱伊尔与苏格兰的默奇森合作发表一篇《以法国中部火山岩说明河谷的冲蚀现象》，文中的论点是水成作用与火成作用相结合，并明确提出自然变化的渐进作用。
2.河流地质作用的探究过程。导致地球上无机界变化的地质营力可分为外力地质作用和内力地质作用，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。本小节和下一小节我们分别取河流和地震两种地质作用来介绍人们对其的探究过程。莱伊尔认为河流地质作用的结果可以分为破坏和运输的结果和再造性质的结果。前者包括岩石的侵蚀作用和物质向下游搬运的作用；后者包括河流沉积物所形成的三角洲和海水的浅落。与我们今天的河流侵蚀作用、搬运作用以及沉积作用基本吻合，但也有认识上的不同。（1）河流的侵蚀作用。莱伊尔观察了乔治亚州省会米雷居维尔正西3.5英里河谷后认为：流水先在既有的岩土裂隙中流动，“使沟的起点加深，然后逐渐向后掘蚀”，即是我们今天所说的源蚀，没有意识到源蚀是下蚀的一种形式。从“河槽中物质硬度的不一致，往往局部使侵蚀作用的侧面掘蚀力改变方向”可以看出，以前人们对河流侧蚀作用的原因单纯是以为河槽物质硬度不同
造成的，没有认识到河水环流的作用。（2 ）河流的搬运作用。莱伊尔研究认为河流的搬运作用是由于流水的浮力、流速等的作用，也即我们认为的机械搬运，没有考虑化学搬运的作用。
3.地震灾害的探究过程。地震在17世纪之前的记录很匮乏，历史学家的记载几乎全部局限于死亡的人数、城镇的破坏情况、财产的损失或者观察者昏眩恐怖的某些大气现象。18、19世纪的地震研究主要集中于以下几个方面。（1）伴随地震的现象。这一时期的地震研究主要是对地震的考察，对地震现象的收集、整理及分类，也对地震的成因做了一定的探索，但主要是大量地震现象的收集、整理及分类工作。观察收集的现象包括：陆地的持续隆起和沉陷、伴随火山的活动、地壳的开裂与闭合、温泉的形成与水温的变化、特殊的气候变化等。这一时期对地震现象的观察记录已经相当成熟完备。（2）地震作用现象背后的本质。通过对1812年地震后密西西比河水的观察得出：一部分地震运动是水平的，另一部分是垂直的，垂直运动的破坏力量比水平运动小得多。这一时期的研究已经知道地震波是一种弹性波，地震波在不同岩石中传播速率不同，地震波的纵横作用在地球表面形成复杂的破坏现象，并研究了地震的起源、传播方式和测定震源深度的简易方法。该时期研究仍然认为地震是无法预测的，两次危险性较大的震动之间的时间间隔是无从确定的。可喜的是，当时人们已经意识到：在经常发生地震的地区，经验和科学知识可以减轻损失，而且大家形成共识的是火山和地震是同源的。（3）通过地震活动研究的地质学意义。地震的研究是对地球了解的一部分，是地球各种地质现象形成的主要营力之一，这一时期地震的研究就已经和流水的剥蚀作用进行比较，把地震作用形成的新陆地和流水剥蚀的岩土量进行比照，研究地球形貌改变的力量情况。
通过对地震研究证明陆地有交替升降的能力，有力驳斥了水成论的观点，为地球内部物质的研究提供了间接证明材料。通过对地震发生时间的规律性、火山口喷发和气候的关系等推断出地面下有巨大的熔融物质，这些熔融物质在地壳中只占次要位置，从而得出地壳柔顺性的结论。这一时期的地震研究已经比较完善，人们也已经掌握了研究地震的一般方法，尤其是对地震资料的收集整理达到了相对的高峰。但是受科学技术条件的限制，很多认识和推理与实际情况有一定的差距。
三、工程地质学知识的传承与创新
通过对岩石成因、河流地质作用以及地震地质作用等知识探究过程的研究，我们意识到人们对世界的认识是一个逐步形成的过程。从上述知识探究过程中体悟到以下几个方面。
1.不同条件下对事物的认识难易程度差别较大。在岩石水成论的形成过程中，伍德沃德收集了大量地质资料和化石标本，实地进行了大量考察，由于其收集资料丰富，论述系统，才算得上是水成论的开山鼻祖。而火成论的创始人莫罗，从火山爆发形成熔岩流这一自然现象得到启发，经过一段时间的总结与酝酿，提出了与水成论相媲美的火成论。
2.正确的观点在当时不一定得到认同。赫顿从事地质30余年，比较确切地提出了岩浆岩、沉积岩和变质岩的成因，他生前备受攻击，只有在其死后，才由挚友宣传而闻名于世，让人不得不感叹世事弄人。
3.科学研究受当时科学环境的限制。莱伊尔对流水进行了大量研究，花费10年时间奔波于欧洲大地，受到当时条件的限制，对河流地质作用的河流侵蚀，搬运和沉积都没有得到完全的解释。莱伊尔及其合作者收集了大量地震的资料，但是其对于地震的本质，尤其是地震的预测，仍然是无从入手，甚至认为是不可能的事。对地球内部物质的探讨也显示了当时的科学技术水平的不足，整个社会的科学技术水平限制着相关学科的发展与进步。
4.知识历史中形成的方法对现在的科学研究也有一定的指导意义。虽然当时的技术水平和现在相比要落后很多，但是当时的某些方法对于今天的发展仍有指导意义。马勒特观察了1857
年地震最剧烈的沙勒诺地区，观察了高屋顶上的烟囱、瓫罐和塑像的倒落方向，根据这些物体具有惯性的特点，判断它们倒落的方向与震动的方向相反。把两条或两条以上的方向线延长，其相交的位置即可定为震中的位置。虽然这种结果只是粗略的估计，但是不断重复考察，可以获得准确的结果。这种简单方法对今日的研究也具有一定的指导意义。
四、结语
通过以上研究，我们知道在整个知识长河中，一些东西蒸发了，另一些东西沉淀了，其中的思想、观念和方法仍保持着永恒的活力。我们研究这些知识的创造过程，对于提高学生的科学素养，改变片面灌输科学知识的状况有现实意义。
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