“顯微構造地質學”課程建設與發展

徐海軍，彭松柏，王永鋒，徐先兵，章軍鋒

中國地質大學（武漢） 地球科學學院，湖北 武漢 430074

顯微構造地質學屬于構造地質學分支，學科知識涵蓋構造地質學、結晶學、礦物學、巖石學、年代學、巖石力學和巖石物理學等學科，是一門多學科交叉的前緣學科。它主要以巖石內部的小型-微型-超微型構造為研究對象，借助光學顯微鏡、電子顯微鏡和高能射線衍射等技術方法，解析礦物和巖石的顯微構造特征、成因機制、形成過程和形成條件，探討地質構造和巖石圈形成與演化的過程與規律。顯微構造地質學的起源可以追溯到19世紀中后期，即偏光顯微鏡和費氏臺（Universal Stage）的發明及其在地質學中的應用。1930年，奧地利學者桑德爾（B.Sander）出版專著Gefügekunde der Gesteine（《 巖 石 組 構 學 》），系統闡述變形巖石的組構、分析方法和解釋原則，標志著顯微構造地質學作為一門獨立分支學科的出現。90多年來，顯微構造地質學的測試分析方法和技術不斷更新和完善，研究范圍和領域也不斷被拓展和深化[1]。

面向地質學專業本科生和研究生開展顯微構造地質學的教學工作，不僅可以拓展學生的視野、增強專業知識和技能學習，而且有助于吸引和培養后備人才，推動相關學科領域的健康發展。我國顯微構造地質學的研究與教學工作始于20世紀30年代，何作霖、王嘉蔭和池際尚等率先開展顯微構造地質學的相關科研和教學工作，積極推動學科發展。20世紀70年代以來，顯微構造在我國取得快速發展，許多高校地質系都開設了相關課程，在基礎地質研究、礦產開發和工程地質等方面得到有效應用[2-4]。近年來，電子背散射衍射（EBSD）等測試分析方法和技術不斷更新完善和廣泛應用，顯微構造地質學的研究領域不斷被拓寬和深化，面臨學科快速發展的重要契機。

中國地質大學（武漢）地球科學學院組建“顯微構造地質學”教學團隊，主要面向地質學專業高年級本科生和研究生開展課程教學。如何建設好“顯微構造地質學”課程，在本科生和研究生中普及顯微構造知識，吸引和培養顯微構造研究領域的后備人才，是一個重要教學議題。本文基于“顯微構造地質學”課程建設的實踐，在課程目標、教學內容和教學方法等方面提出一些想法和建議。

一、課程定位與目標

隨著科學技術的發展，現代地質學的觀測范圍得到很大拓展。一方面利用空間大地測量技術，可以從全球范圍和板塊尺度整體上觀測研究構造現象，探討巖石圈和大地構造演化；另一方面利用光學顯微鏡、電子顯微鏡、X射線和中子射線等微區觀測方法，可以從微米到納米尺度研究巖石和礦物內部結構，探討微觀變形機制和過程[1-2]。2002年，美國基金委地球科學部主持研討并發布白皮書New Departures in Structural Geology and Tectonic（《構造地質學和大地構造學的新起點》），提出了構造地質學重要研究進展和未來的發展方向，進一步明確利用先進研究方法，對地球構造地質開展多學科、多角度、多尺度和多層次的系統研究[5]。2018年，美國構造學界發布愿景報告Challenges and Opportunities for Research in Tectonics（《大地構造學研究的挑戰與機遇》），提出未來研究的新視角、新思維和新觀念，強調拓展構造地質學研究的時空尺度，發展流變學和數值模擬等領域的新理論、新方法和新儀器，從思維視角、納米到全球尺度探索行星系統演化。

構造地質學是地質學骨干二級學科之一，主要研究固體地球中地質體的幾何形態、組合形式、時空分布、形成機制、演化規律和動力學過程。構造地質學研究集中在地殼和巖石圈上部，所涉及的時空范圍廣泛。時間跨度從古老造山帶幾十億年到第四紀以來的新構造和地震地質構造；空間尺度從板塊和造山帶到電子顯微鏡尺度的礦物內部變形。依據研究和教學側重點差異，構造地質學科設計的主要課程包括構造地質學、板塊構造學、大地構造學、顯微構造地質學、解析構造學、巖石流變學、地震地質學和構造年代學（圖1）。

圖1 構造地質學科的課程體系

顯微構造地質學作為構造地質學科的重要分支之一，近年來發展勢頭較好，國內很多高校地質系和研究院所相繼引進從事顯微構造研究方面的科研和教學人員，配置了不同程度的顯微構造研究和教學平臺?！帮@微構造地質學”課程設置的初衷源于構造地質的學科發展需求，即按照“國家-學校-教師”的科研發展和人才需求，為地質學專業的本科生和研究生拓展研究視野，傳授有關顯微構造基礎知識和技能，吸引和培養潛在人才。因此，“顯微構造地質學”課程建設和發展的核心在于人才培養，一方面在于組建穩定的高素質教師隊伍，另一方面在于培養和輸出高質量人才，借助課程教學平臺促進雙方面人才健康成長。

學以致用是教學的根本目標，即讓學生從學知識，用知識，到創造知識（圖2）。通過課堂講解，任課教師向學生傳授顯微構造地質學的基礎理論知識，讓學生逐漸熟悉該學科領域的理論和方法；通過實習課程，引導學生利用光學顯微鏡對手標本和巖石薄片進行觀察描述分析，讓學生從實踐環節理解和掌握理論知識；通過經典研究實例介紹和分析討論，引導學生理解如何運用顯微構造地質學專業知識解決地質科學問題，讓學生理解如何學有所用；通過開放性問題互動探討，引導學生結合已有專業知識背景和已開展的科研立項工作，思考如何利用顯微構造地質學的研究理論和方法解決科學問題，讓學生今后學習和工作中創造性運用所學知識和技能。

圖2 “顯微構造地質學”的課程目標

二、教學平臺支撐

教學平臺和教學條件是課程建設和發展的基礎，是完成課程教學、提升教育教學質量的保障。教學平臺支撐涉及多個方面，包括教師隊伍、教材、實習平臺和網絡教學環境等。

1.教師隊伍

教師是立教之本，興教之源。教師在課程建設和發展中起著主導作用，是教學目標的制定者，課堂教學的設計者和實施者，教學活動的引導者和監控者。組建一支規模穩定、業務精湛、結構合理、充滿活力的高素質專業化教師隊伍，不僅對學生的全面進步與發展具有重要的影響，而且也是保障課程長期穩定發展的根本。

顯微構造地質學是一門多學科交叉的前緣學科，不僅需要講授課程基礎理論知識，還要介紹最新測試分析方法，并引導學生完成課程實習。課程建設和發展具有系統性、動態性、持續性和長期性的特點，一方面需要繼承、積累和梳理已有的教學經驗和成果，另一方面需要緊跟學科發展動態、不斷改進和更新教學知識體系。因此，必須重視顯微構造地質學教學團隊建設，優秀團隊能夠引導和激發集體智慧，繼承和發展課程文化、課程知識體系和教育教學思想。教學團隊的人數一般穩定在6～8人較為合適，人員結構應該考慮教師年齡、職稱、研究方向和科研教學經驗，建立“傳幫帶”機制，通過定期組織教學研討、集體備課和科研交流等活動，協力營造教學團隊文化，相互促進顯微構造地質學的相關研究和教學工作。

2.教材

教材集中體現教學目標、教育教學思想和教學內容，是課程建設的重要載體和關鍵環節。加快一流大學和一流學科建設，實現高等教育內涵式發展，離不開高水平的教材建設。表1按照時間順序列舉了“顯微構造地質學”的主要參考書籍。1930年，奧地利學者桑德爾（B.Sander）出版專著Gefügekunde der Gesteine（《巖石組構學》），是顯微構造地質學領域的第一本專著。隨后，國外學者相繼編著幾本顯微構造方面的書籍，介紹理論知識和技術方法。20世紀70—90年代，何作霖、池際尚、王嘉蔭、張保民、劉瑞勛、許志琴、金振民、鐘增球、林傳勇、吳香堯、何永年、姜光熹和胡玲等翻譯和撰寫了大量有關顯微構造理論知識和研究方法的專業書籍，對我國顯微構造地質學發展起到重要作用[1]。從書籍出版的時間軸上看，中文版參考書在1977—1981年和1983—1991年有兩個出版高峰期，2000年以來中文版參考書更新乏力（表1）。

表1 “顯微構造地質學”課程的主要參考書籍

中國地質大學（武漢）開設的“顯微構造地質學”課程，主要面向地質學專業三年級本科生，共設置32學時，包括課堂講課20學時和實習課12學時[4]。目前，學生沒有指定的教材，推薦的主要參考書有三本：胡玲編著的《顯微構造地質學概論》（1998年）[6]，C.W.Passchier和R.A.J.Trouw編寫的Microtectonics（ 2005年第二版）[7]，胡玲等編著的《變形顯微構造識別手冊》（2009年）[8]。這些參考書籍基本涵蓋了顯微構造地質學的教學知識體系，對于課程的教學內容設計具有重要參考價值。實際教學過程中，我們簡要介紹了國內外最新研究方法和進展，推薦給學生一些電子版本專業書籍、綜述文獻、幻燈片、軟件和錄像資料，讓有興趣的學生深入自學，了解顯微構造發展歷史和最新進展情況。

近20年來，隨著各種微觀分析方法的發展和廣泛應用，顯微構造地質學領域的研究取得了很多進展。目前，中文教材建設滯后，已經成為影響“顯微構造地質學”課程發展的瓶頸，亟待解決，需要國內同行盡快編寫適合本科生和研究生學習的顯微構造地質學專業書。

3.實習平臺

顯微構造地質學的研究對象主要是各種小型-微型-超微型構造，這些顯微構造現象往往是經歷長期地質演化的礦物和巖石所記錄下來的最終產物，涉及復雜的地質時空演化和環境條件，具有多樣性、復雜性和多解性等特點。引導學生觀察描述典型顯微構造現象，解析其成因機制、演化過程和形成條件，是“顯微構造地質學”課程教

學的關鍵所在。因此，“顯微構造地質學”課程設計中安排有重要的實習環節，包括巖石定向薄片制作、光學顯微鏡觀察和巖石組構測試分析等[3-4,9]。構建完善的實習平臺涉及各種軟硬件配套設施，是“顯微構造地質學”課程建設的難點。

教室建設方面，需要配置多媒體和教學顯微鏡，以滿足師生共同觀察典型顯微構造現象的需求。按照教學班級人員構成，通常需要配置35臺左右的偏反光顯微鏡，讓每個學生都能夠獨立使用光學顯微鏡鑒定描述和分析典型顯微構造現象。在此基礎上，可以建設顯微鏡多媒體互動教學系統，開展課堂實時分享和互動討論。智慧教室是智慧學習時代和學校信息化發展的必然趨勢，體現在內容呈現、環境管理、資源獲取、實時互動和情景感知等五個方面，具有高清晰、深體驗和強交互的特征[10]，非常適合“顯微構造地質學”課堂教學，是值得重點建設的平臺。

構造巖標本和巖石薄片是“顯微構造地質學”課程實習的主要對象，是各種顯微構造現象的載體。常見的顯微構造現象包括顯微破裂、機械雙晶、扭折帶、S-C面理、礦物魚和亞顆粒等20多種[3]，涉及多種礦物和巖石類型。因此，標本收集和制作非一日之功，是顯微構造課程建設中需要長期關注和積累的，需要借助教學團隊以外的師資力量共同建設。當前情況下，任課教室團隊需商討選擇哪些典型構造巖標本，盡可能全面展示不同類型巖石的顯微結構，并制作滿足35人實習所用的手標本和標準光學薄片。

教學實驗室是“顯微構造地質學”課程的重要實習平臺之一，可以引導學生觀摩顯微構造標本制作和測試分析流程，讓學生實習課有參與感和獲得感，培養學生的動手能力、學科興趣和科研素養。中國地質大學（武漢）地球科學學院有較為完善的磨片室和掃描電鏡實驗室?！帮@微構造地質學”課程設計了定向薄片制作和EBSD組構測量分析兩方面的實習內容，選擇一些經典巖石標本（例如地幔橄欖巖、長英質糜棱巖），引導學生親自動手磨制巖石標準薄片，并選擇少量樣品利用EBSD進行測量分析。實際操作中，鑒于實驗室空間有限、學生人數較多，可以分組分批實習。

4.網絡教學環境

隨著信息技術和網絡的快速發展，“互聯網+”對教育資源、教育機構、學習模式和教學模式等教育要素帶來深刻影響，改變了現代教育理念和模式[11]。教育資源逐漸向網絡開放，涌現慕課（Massive Online Open Course，MOOC）、 酷課（Corporate Online Open Course，COOC） 和私播課（Small Private Online Course，SPOC）等眾多基于網絡的在線課程。中國大學MOOC（慕課）國家精品課程在線學習平臺，構建了千余門在線開放課程，吸引大量師生。新冠肺炎疫情期間，教育機構和師生廣泛開展在線教學活動，一方面借助騰訊會議、釘釘、Classin和ZOOM等軟件開展線上教學，一方面通過建立QQ群、微信群和公眾號開展互動。學生的學習模式和習慣也發生改變，通過手機、平板和電腦等終端主動接入網絡教學平臺，借助在線課程和網絡教學資源開展自主學習活動，并增強了師生之間的在線互動交流。

“顯微構造地質學”課程的內容包含大量顯微構造現象，有許多精美的圖片[7-8]，借助網絡平臺可以全面系統地進行展示，彌補和拓展線下課堂教學內容。目前，“顯微構造地質學”的網絡課程建設環節相對薄弱，還沒有專門的網絡在線公共課程。今后，需要關注“顯微構造地質學”課程的網絡教學環境建設，教學團隊在整理現有教學資源的基礎上，逐步完善顯微構造現象的圖片和視頻數據庫，并借助網絡平臺進行展示。此外，教學實踐過程中，可以建立師生互動群，采用線下教學和網絡學習相融合的方式， 引導學生利用網絡資源自主學習。

三、課程內容設計

課堂教學是大學育人的主渠道，學生和教師是課堂主體，教與學是課程教學的中心。教書育人相輔相成，教書讓學生實現“認知、通曉、踐行、創造”四階晉級，育人讓學生實現“知識、能力、智慧、人格”思維健全發展[12]。教師，要考慮教什么，怎么教；學生，要考慮學什么，怎么學[13-14]。因此，課程內容設計對于教與學非常重要，是踐行教與學的承載體?！帮@微構造地質學”課程分為課堂講課和實習兩個環節：課堂講課以教師為中心，側重理論知識傳授；實習課以學生為中心，教師引導學生動手實踐。教學內容可以劃分為緒論、基礎知識、技術方法、顯微構造現象、實例觀察、實際應用和實習操作等環節（圖3），讓學生懂知識、能實踐、會思考。課程教學過程中，教學團隊需要綜合考慮任課教師專業特長、課程學時數和實習條件等因素，以講解基本概念、基礎知識和基本技能為主，選講典型顯微構造現象和應用實例，引導學生主動學習和獨立鉆研問題。

1.緒論

緒論是課程正式教學開始的前沿課或簡介課，旨在交代課程形成與發展的來龍去脈、知識結構體系、學科特色、發展現狀和前景等，是不可或缺的教學環節。一般來說，緒論課學生聽課率高，講好緒論課可以讓學生把握課程全貌，讓學生覺得學習該課程有趣、有譜、有用[13]?！帮@微構造地質學”課程緒論的內容至少應該涵蓋學科內涵、學科特點、思維方法、課程內容和學科歷史與發展幾個方面（圖3），任課教師應該站在地質學科整體發展的高度，高屋建瓴地介紹顯微構造地質學形成與發展歷史、課程定位、學科內容與特色、功能與意義和現狀與前景等，同時介紹課程重點、要求、學習方法和教學安排等。

圖3 “顯微構造地質學”的課程內容

歷史是最好的教科書。顯微構造地質學科的創立可以追溯到1930年，奧地利學者桑德爾對巖石中組構要素進行研究和總結并出版專著。何作霖最早將桑德爾顯微構造的研究方法介紹到中國，并命名為“巖組學”。隨后，王嘉萌、池際尚、劉瑞勛、何永年、林傳勇、張保民、金振民、許志琴和胡玲等人開展顯微構造研究，翻譯國外經典著作和編寫教材，推動了我國顯微構造地質學事業的快速發展[1-2,15]。緒論章節，給學生講述顯微構造地質學起源和國內外發展歷程，不僅可以讓學生了解學科誕生根源和學術背景，而且能夠從歷史發展角度把握學科發展脈絡。尊重歷史，樹立學科自信心和責任感，方能繼承之，并發揚光大。

2.理論知識

顯微構造地質學與結晶學、礦物學、巖石學和流變學等學科密切關聯，學習好該課程需要具備上述專業基礎課核心知識點。因此，“顯微構造地質學”課程可以作為專業選修課程，面向高年級本科生和研究生。建議定在三年級上學期開課。一則學生剛上完“構造地質學”和“巖石學”等專業基礎課，知識有一定儲備；二則部分本科生已經開始參與科研工作，有一定科研測試分析需求。理論知識涉及面較廣，建議重點講授位錯理論、變形機制、巖石組構和構造年代學基礎知識（圖3）?？紤]到學時數限制，相關基礎理論知識講解過程中可以結合橄欖巖等典型實例展開，即借助地幔橄欖巖位錯綴飾薄片講解位錯理論、位錯類型和研究方法，通過長英質糜棱巖和橄欖巖等經典研究實例講解巖石脆性變形和塑性變形機制、類型和形成條件極其地質意義。此外，可以講解構造年代學和巖石物理學基礎知識，拓展學生知識點，引導學生利用顯微構造研究理論和方法解決交叉學科的科學問題。

3.技術方法

科學與技術是辯證統一體，科學是技術的升華，技術是科學的延伸?！帮@微構造地質學”課程的產生和發展與測試分析的方法和技術密切相關，給學生講授現代測試分析方法有助于其學以致用，快速融入科研訓練環節。從“顯微構造地質學”課程來看，其涉及的主要技術方法包括光學顯微鏡、費氏臺顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、陰極發光、X射線衍射、中子衍射、計算機斷層掃描（CT）、電子背散射衍射（EBSD）和分形維數計算等（圖3）。

近20年來，裝備在掃描電鏡上的電子背散射衍射（EBSD）方法日臻成熟，它通常與能譜儀（EDS）集成在一起，可以同時獲取微觀形貌、結構和成分信息，具有高分辨率、自動化程度高、快速準確、數據統計性和擴展性好等優點，是地球科學和材料科學領域顯微構造和組構研究的革命性方法。2006—2009年，國內地質學界對EBSD方法及其在地質學中的應用進行了綜述介紹[1,16-18]?？紤]到課程學時限制和學生今后發展，建議簡要介紹其他研究方法，重點介紹EBSD方法及其在地質學中的應用實例。

4.顯微構造現象和實例

顯微構造是指巖石內部小型—微型—超微型幾何要素、礦物及其集合體的空間排列[8]，也是“顯微構造地質學”教學和研究的主要對象?！帮@微構造地質學”的教學目標之一，就是引導學生觀察一些典型的礦物和巖石標本，讓學生能夠認識常見的顯微構造現象，能夠做出正確的描述和分析。然而，常見的顯微構造現象包括顯微破裂、機械雙晶、扭折帶、S-C面理、礦物魚和亞顆粒等20多種[3]，涉及多種礦物和巖石類型（圖3）。在有限的學時里，無法全面講解所有的顯微構造現象和實例。實際教學過程中，可以重點圍繞橄欖巖、榴輝巖、麻粒巖和長英質糜棱巖幾種巖石，理論講解與課程實習相結合，強調觀察描述的基本原理，通過互動討論和實習報告等形式讓學生掌握客觀描述和規范記錄一些典型顯微構造現象。

5.實習

“顯微構造地質學”重視實習環節[3-4,9]，要求學生有一定的動手能力。實習內容可以結合理論課進行設置和調整，重點放在光學顯微鏡下的觀察描述環節，適當選擇手標本觀察描述、定向光學薄片制作、分形維數計算、EBSD組構測量和典型礦物組構分析等（圖3）。

根據課程安排，實習環節的學時數通常超過1/3比重，但是仍然十分有限。根據我們的教學經驗，可以帶學生對手標本定向、磨制標準光學薄片、光學顯微鏡下觀察描述和簡單EBSD數據分析。以樣品處理為例，如何選擇代表性樣品，如何確定面理和線理，如何制作滿足測試分析的薄片樣品，對于顯微構造研究非常關鍵。手把手引導學生對地質標本進行定向并制備顯微構造樣品，不僅能夠讓學生有課程參與感的切身體驗，而且能夠培養學生動手能力，有利于今后順利開展本科實習和研究生科研工作。

6.應用

大學課堂講授知識，不僅在于知識的傳承，更在于知識的創新。學生能夠學以致用，能夠踐行和創造知識，是課程建設的最高目標[12]。與其他地質學科相比，構造地質學對學生綜合分析和時空思維能力要求較高?！帮@微構造地質學”教學過程中，可以通過研究實例引導學生思考科學問題的提出和解決過程，培養學生時空思維，理解宏觀與微觀、內因與外因、局部與整體、地震與造山等關聯性。此外，可以通過樣品觀察描述和數據分析，引導學生歸納和對比分析顯微結構定量與定性數據。借助開放性問題互動，引導學生思考如何將顯微構造地質學的理論和測試分析方法用到本科生立項和研究生論文研究中，解決一些實際的地質學問題。啟發學生，學科和課程有邊界，研究思維和方法是沒有邊界的。

應用環節是課程知識和技能的綜合運用，涵蓋了基礎理論、學科思想、測試分析方法和創新思維，是學以致用的綜合體現。顯微構造地質學是一門交叉學科，可以與礦物學、巖石學、地球化學和地球物理等學科交叉，可以應用于應變測量、應力分析、運動方向判別、變形條件分析、變質變形歷史分析和計算地震波各向異性等方面（圖3）。在課程中穿插講解一些應用實例，學生不僅可以理解顯微構造研究的具體過程，而且可以了解顯微構造地質學科領域的前沿動態和重要價值。

四、結語與展望

顯微構造地質學是構造地質學的重要分支，在地質研究中不可或缺，需要開展面向本科生和研究生的相關課程。20世紀70年代末到90年代初，顯微構造地質學在我國獲得較大發展，取得令人矚目的教學和科研成績。近20年來，電子背散射衍射（EBSD）和微區原位測年等技術方法被廣泛用于顯微結構研究，為顯微構造地質學發展注入強大動力。國內從事構造地質學教學和科研的科研院所，應該抓住新時代機遇，重視“顯微構造地質學”課程建設，開展面向本科生和研究生的相關教學活動，共同推動顯微構造教學和研究的發展，為我國地質學事業全面發展做出貢獻。

課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量。為全面振興本科教育，教育部于2019年相繼發布《關于一流本科課程建設的實施意見》和《普通高等學校教材管理辦法》，著力推動高校高等教育教學改革和課程建設?！帮@微構造地質學”有良好的歷史傳承和底蘊，課程建設和發展的潛力較大。對于“顯微構造地質學”的課程建設和發展，我們提出以下幾點思考和建議：（1）顯微構造與組構專業組主辦研討會，定期組織科研和教學研討，促進人員交流，引領學科發展；（2）介紹顯微構造地質學研究的新理論新方法和新儀器，推廣電子背散射衍射（EBSD）和微區原位測年等技術方法的應用研究；（3）高等院校組建長期穩定的教學團隊，以高素質教師隊伍和高水平科學研究帶動顯微構造地質學科建設和發展；（4）積極推進教材建設，組織編寫高質量教材，梳理基礎理論知識，追蹤學科前沿發展動態；（5）共建實習和實驗平臺，逐步完善顯微構造實物標本庫，構建滿足課程實習的教學實驗室，同時聯合科研平臺共享測試分析實驗室；（6）建設網絡教學資源平臺，完善課件、圖片和視頻等電子資源數據庫，籌建慕課課程，借助公眾號等網絡平臺推廣學科知識、促進學科建設。