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【摘要】简要介绍了模拟实验的由来、现状及在教学中的作用,在原有基础上对我校构造物理模拟实验模具进行了改造和升级,使其由原来只能进行定性模拟升级到可以进行半定量甚而定量的物理模拟。实验模拟课的学习对于地质勘探等专业的学生有一定的积极作用,增加了其对于构造变形的感性认识;应用物理模拟的方法进行构造地质的研究,对于地质学理论的完善和进步、培养研究生的理论水平都有较好的促进作用。
【关键词】物理模拟实验仪 升级改造 实验教学
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(b)-0155-02
1 模拟实验的由来
我国的地质学研究有着较长的历史,而对于地质学的基础之一构造地质学的研究,有着多种学说,由于地质学的特殊性,他们各有其合理的地方。李四光先生的研究团队创立了“地质力学”的研究体系,用力学的观点来解释地壳的变形和变位,在我国其与现行的板块学说相辅相成,构成了一套完整的理论体系。以这套理论为基础,通过力学分析,自然界中所有的地质作用、构造现象均可以在实验室中再现出来,能够实现这个目的的工具就是构造物理模拟实验仪。建国伊始,随着地质队伍的扩大,各个学校的地质类专业都建立了地质力学实验模具,受当时科技水平及研究深度的限制,当时的模拟器具基本上都只能作简单的演示,定性的分析基本的构造样式如伸展、挤压、旋扭等。但即便这样也为教学提供了很大的帮助。
2 模拟实验的现状及作用
随着科技水平的进步,许多新技术应用于地质研究,地质专业的勘探水平,实验方法也有了较大的改观,研究开始向定量化发展。由于上世纪九十年代我国地质专业经过了一段不景气的时期,各大院校的地质类专业都建设落后,尤其是在物理模拟方面,基本上都已经荒废了。而随着我国资源的开发,勘探的需要,地质行业的战线上急需一批理论和实践均过硬的大学毕业生。因此在地质教学当中重新引入实验教学并改变教学的方法就是势在必行的事了。
石家庄经济学院(原河北地质学院)的资源系是我国老牌的地质专业,在上世纪为国家培养了大批的优秀人才。随着国民经济的发展,地质专业也经历了一段异常曲折的道路,招生萎缩,师资流失,造成了很大的损失。本世纪以来,随着地质专业逐渐步入正轨,开始成熟稳定的发展,一切教学活动均开始恢复。而本校“地经结合”的特色在国内也是绝无仅有的,占学校很大比重的经济类学生都要学习一些基本的地质知识,以在地质行业的管理方面有优于别人的特色[2]。在这种情况下,由于师资不足,地质专业的教学面临诸多的压力,从而给地质专业的进一步建设提出了一个不小的难题。尤其是作为地质学三大基础之一的构造地质学,学习中需要较强的逻辑和空间想象能力,没有模拟实验的实践教学就缺失了一大块,学生在学习中会遇到以下几个典型的问题:一、对于地质勘察专业的学生来说需要较强的理论和实践,课堂授课及野外实习使其掌握了几何学及运动学方面的知识,但是对于动力学方面的内容则理解的不够,通过最近几年的观察这一点在毕业后的工作中还需要较长的时间才能补上;二、而对于地质学的研究生来说,理论的提高就更需要了,而构造物理模拟实验对于地质构造的形成过程、形成机制的研究是有较大的帮助的,进一步说对于地质学理论的完善也多有裨益。三、对于地经结合的专业学生来说,多数没有机会去野外实际踏勘,那么如果在校内的博物馆实习后再经实验的演示学习,会收到事半功倍的效果。
3 现有模拟仪器的升级改造
随着科技的发展,在多个高校、研究院所都已经投资上百万建起了自动化的精密模拟仪器,如石油大学的构造物理模拟综合实验仪、中石化胜利物理模拟实验平台等。基于上述目的,为了教学的需要,我们在学校残存的实验模具的基础上进行了改造和重建。先前的模具已经残败不堪,且均为手工操作,只能進行定性的演示及分析,已无较大的作用。但由于资金缺乏,我们只能作到半机械化的水平。
首先我们对于进行典型的构造样式模拟的器具进行了分析,在参照石油大学模拟装置的基础上进行了重建,做成一台集成的模拟实验综合平台(图1),其动力采用机械丝杠和液压相辅合的方式,在水平方向上的拉伸、挤压和剪切以机械的丝杠作为动力,而在垂直方向上为了节省空间以液压式动力传输为主。这样除了能够在仪器上进行伸展、走滑、挤压等模拟实验,还能从仪器的底部垂向加入材料物质,以进行岩浆向上侵入模式的幔枝构造的模拟研究。根据相似性原理在实验中主要以内聚力极小的松散物作为实验材料,所以以最常用材料命名,又称之为沙箱实验。由于丝杠的行程及速率可以控制,底部的压力也能检测,所以在相似性较好的实验情况下是能够进行半定量或定量模拟的。
另外,将原来旧有废弃模具加以改造,增加其精度及灵活性,研制出一套模拟旋扭构造的模具。原有的模具制作的也相当精巧,扭动轴隐藏在模板的中间,主动轴与边界接触严合。在改造中将其加上了垂向边界,以扭动轴为圆心,标上方位角距刻度;在主动轴与边界处设置不同的边界形态,以造成各式扭动的变形方式(图2)。这样加上不同的材料就可以模拟不同方向、不同类型的扭动构造,甚至可以做出和实际相似程度极高的剪切和扭动复合的叠加构造。如典型的“多”字型、“歹”字型、“山”字型等构造都可以在实验台里实现。
4 模拟实验在教学中的应用
实验仪器制成后首先进行了调试,经过同行教师的论证,基本能够满教学和局部的科研应用。对于校内本专业的研究生来说,起到了较好的作用,通过对诸如伸展、上隆、挤压等实验模拟,,对于典型的地质构造有了更为深入的认识。虽然已经到了研究生阶段,对于本专业的知识应该基本上都掌握了,但是对于实践与理论的结合这一部份,对于多数人来说都是一个薄弱点,比如断裂构造的形成,断距的演化,学生们在课堂上及地质图的练习上做的已经非常熟练,但是当亲眼看到断层在操动下一步步实现、发育时,才恍然大悟,原来断裂的过程就是如此,那么时间的长短在发育过程中起到了多大的作用也就了然于胸了。实验过程中通过建模、分析和反复实验,其理论水平得到了较大的提高,使其在进行科研时思维更加开阔,从而成为更加优秀的合格学生。
而对于本科生来说,在其学习构造地质专业课的时候进行物理模拟实习,较为典型的地质构造的演示加深了其专业的认识及对地质课的兴趣。加上理论授课、野外实习,这样从宏观到微观、从理论到实践、从室外到室内形成了一个完整有序的知识链。在普遍压缩专业课时的情况下,对于学生们熟练掌握专业知识起到了良好的作用。
参考文献
[1] 丘元禧.地质力学与板块构造学[M].北京:地质出版社.1996年.
[2] 孙爱群,牛树银.探索教学方法讲究授课艺术.中国地质教育[J].2006年3期.43-46.
[3] 倪金龙,唐小玲,余继峰,胡绍祥.构造地质学课程教学与改革.中国地质教育[J].2007年2期.44-45.
[4] 林银山,郭福生.构造地质学的教学改革实践.中国地质教育[J].2000年2期.50-52.
【关键词】物理模拟实验仪 升级改造 实验教学
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(b)-0155-02
1 模拟实验的由来
我国的地质学研究有着较长的历史,而对于地质学的基础之一构造地质学的研究,有着多种学说,由于地质学的特殊性,他们各有其合理的地方。李四光先生的研究团队创立了“地质力学”的研究体系,用力学的观点来解释地壳的变形和变位,在我国其与现行的板块学说相辅相成,构成了一套完整的理论体系。以这套理论为基础,通过力学分析,自然界中所有的地质作用、构造现象均可以在实验室中再现出来,能够实现这个目的的工具就是构造物理模拟实验仪。建国伊始,随着地质队伍的扩大,各个学校的地质类专业都建立了地质力学实验模具,受当时科技水平及研究深度的限制,当时的模拟器具基本上都只能作简单的演示,定性的分析基本的构造样式如伸展、挤压、旋扭等。但即便这样也为教学提供了很大的帮助。
2 模拟实验的现状及作用
随着科技水平的进步,许多新技术应用于地质研究,地质专业的勘探水平,实验方法也有了较大的改观,研究开始向定量化发展。由于上世纪九十年代我国地质专业经过了一段不景气的时期,各大院校的地质类专业都建设落后,尤其是在物理模拟方面,基本上都已经荒废了。而随着我国资源的开发,勘探的需要,地质行业的战线上急需一批理论和实践均过硬的大学毕业生。因此在地质教学当中重新引入实验教学并改变教学的方法就是势在必行的事了。
石家庄经济学院(原河北地质学院)的资源系是我国老牌的地质专业,在上世纪为国家培养了大批的优秀人才。随着国民经济的发展,地质专业也经历了一段异常曲折的道路,招生萎缩,师资流失,造成了很大的损失。本世纪以来,随着地质专业逐渐步入正轨,开始成熟稳定的发展,一切教学活动均开始恢复。而本校“地经结合”的特色在国内也是绝无仅有的,占学校很大比重的经济类学生都要学习一些基本的地质知识,以在地质行业的管理方面有优于别人的特色[2]。在这种情况下,由于师资不足,地质专业的教学面临诸多的压力,从而给地质专业的进一步建设提出了一个不小的难题。尤其是作为地质学三大基础之一的构造地质学,学习中需要较强的逻辑和空间想象能力,没有模拟实验的实践教学就缺失了一大块,学生在学习中会遇到以下几个典型的问题:一、对于地质勘察专业的学生来说需要较强的理论和实践,课堂授课及野外实习使其掌握了几何学及运动学方面的知识,但是对于动力学方面的内容则理解的不够,通过最近几年的观察这一点在毕业后的工作中还需要较长的时间才能补上;二、而对于地质学的研究生来说,理论的提高就更需要了,而构造物理模拟实验对于地质构造的形成过程、形成机制的研究是有较大的帮助的,进一步说对于地质学理论的完善也多有裨益。三、对于地经结合的专业学生来说,多数没有机会去野外实际踏勘,那么如果在校内的博物馆实习后再经实验的演示学习,会收到事半功倍的效果。
3 现有模拟仪器的升级改造
随着科技的发展,在多个高校、研究院所都已经投资上百万建起了自动化的精密模拟仪器,如石油大学的构造物理模拟综合实验仪、中石化胜利物理模拟实验平台等。基于上述目的,为了教学的需要,我们在学校残存的实验模具的基础上进行了改造和重建。先前的模具已经残败不堪,且均为手工操作,只能進行定性的演示及分析,已无较大的作用。但由于资金缺乏,我们只能作到半机械化的水平。
首先我们对于进行典型的构造样式模拟的器具进行了分析,在参照石油大学模拟装置的基础上进行了重建,做成一台集成的模拟实验综合平台(图1),其动力采用机械丝杠和液压相辅合的方式,在水平方向上的拉伸、挤压和剪切以机械的丝杠作为动力,而在垂直方向上为了节省空间以液压式动力传输为主。这样除了能够在仪器上进行伸展、走滑、挤压等模拟实验,还能从仪器的底部垂向加入材料物质,以进行岩浆向上侵入模式的幔枝构造的模拟研究。根据相似性原理在实验中主要以内聚力极小的松散物作为实验材料,所以以最常用材料命名,又称之为沙箱实验。由于丝杠的行程及速率可以控制,底部的压力也能检测,所以在相似性较好的实验情况下是能够进行半定量或定量模拟的。
另外,将原来旧有废弃模具加以改造,增加其精度及灵活性,研制出一套模拟旋扭构造的模具。原有的模具制作的也相当精巧,扭动轴隐藏在模板的中间,主动轴与边界接触严合。在改造中将其加上了垂向边界,以扭动轴为圆心,标上方位角距刻度;在主动轴与边界处设置不同的边界形态,以造成各式扭动的变形方式(图2)。这样加上不同的材料就可以模拟不同方向、不同类型的扭动构造,甚至可以做出和实际相似程度极高的剪切和扭动复合的叠加构造。如典型的“多”字型、“歹”字型、“山”字型等构造都可以在实验台里实现。
4 模拟实验在教学中的应用
实验仪器制成后首先进行了调试,经过同行教师的论证,基本能够满教学和局部的科研应用。对于校内本专业的研究生来说,起到了较好的作用,通过对诸如伸展、上隆、挤压等实验模拟,,对于典型的地质构造有了更为深入的认识。虽然已经到了研究生阶段,对于本专业的知识应该基本上都掌握了,但是对于实践与理论的结合这一部份,对于多数人来说都是一个薄弱点,比如断裂构造的形成,断距的演化,学生们在课堂上及地质图的练习上做的已经非常熟练,但是当亲眼看到断层在操动下一步步实现、发育时,才恍然大悟,原来断裂的过程就是如此,那么时间的长短在发育过程中起到了多大的作用也就了然于胸了。实验过程中通过建模、分析和反复实验,其理论水平得到了较大的提高,使其在进行科研时思维更加开阔,从而成为更加优秀的合格学生。
而对于本科生来说,在其学习构造地质专业课的时候进行物理模拟实习,较为典型的地质构造的演示加深了其专业的认识及对地质课的兴趣。加上理论授课、野外实习,这样从宏观到微观、从理论到实践、从室外到室内形成了一个完整有序的知识链。在普遍压缩专业课时的情况下,对于学生们熟练掌握专业知识起到了良好的作用。
参考文献
[1] 丘元禧.地质力学与板块构造学[M].北京:地质出版社.1996年.
[2] 孙爱群,牛树银.探索教学方法讲究授课艺术.中国地质教育[J].2006年3期.43-46.
[3] 倪金龙,唐小玲,余继峰,胡绍祥.构造地质学课程教学与改革.中国地质教育[J].2007年2期.44-45.
[4] 林银山,郭福生.构造地质学的教学改革实践.中国地质教育[J].2000年2期.50-52.