高中二年级工程地质校本课：新型粉砂土地基渗流控制与堵口技术模拟实训教学设计

高中二年级工程地质校本课：新型粉砂土地基渗流控制与堵口技术模拟实训教学设计

一、课程总览与顶层设计

（一）课程定位与背景

本课属于高中地理选修课程“自然灾害与防治”及“地理技术与应用”跨学科融合拓展模块，亦为响应教育部“强基计划”工程地质方向早期人才培养的校本特色课程。针对我国黄河下游冲积平原、东南沿海围垦区及“一带一路”沿线滨海相沉积地层中广泛分布的新型粉砂土——这一具有高粉粒含量、低黏粒含量、透水性强、振动液化敏感且传统“以黏治砂”堵口工艺失效的技术痛点，本课以真实工程灾害抢堵为情境，深度融合地理学、岩土力学与流体力学基础，旨在培养学生“识别工程地质问题—建构渗流模型—优选堵口方案”的系统思维。【非常重要】【热点】

（二）学情精准画像

授课对象为高二年级地理选考班级学生，已完成必修一“土壤”中关于土壤质地（砂土、壤土、黏土）的判别实验，掌握了达西定律基本表达式，具备初步的地理实验设计与数据处理能力。但在面对“非饱和渗流”“多孔介质”“动水压力”等跨学科概念时存在思维断层；对“粉砂土”这一介于砂土与黏土之间的过渡性土质，往往误判其工程性质，习惯性套用黏土堵口逻辑，这是本课需要颠覆的前概念。【难点】

（三）教学目标层级矩阵（3×3核心素养具象化）

1.区域认知与综合思维【重要】

在空间维度上，能借助GIS专题地图与地质剖面图，圈定我国粉砂土易发区并归纳其沉积环境特征；在要素综合上，能融合粒度级配、矿物成分、水化学环境等因子，解释粉砂土“似砂非砂、似黏非黏”的二重性。

2.地理实践力【非常重要】

能规范使用激光粒度分析仪或传统比重计法进行土壤机械组成速测；能组装变水头渗透仪测定粉砂土渗透系数；能设计微型物理模型模拟堤基管涌-流土破坏全过程，并提出以“反滤层级+化学改性”为核心的新型堵口方案。

3.人地协调观与技术伦理

辩证看待工程干预与自然地质过程的平衡，理解“韧性防灾”理念——堵口不仅是技术对抗，更是对地质规律的科学适应。

二、教材内容重构与资源开发

（一）内容组织逻辑

打破原有章节界限，以“真实问题链”为主线重组为四个进阶模块：

模块A：探质——粉砂土的“身份密码”（微观结构与水力特性）；

模块B：识险——粉砂土地基渗透破坏临界条件（管涌、流砂、接触冲刷）；

模块C：寻策——新型堵口材料研发与工艺革新（反滤土工布、微生物诱导碳酸钙沉淀、高分子速凝注浆）；

模块D：笃行——真情境下的堵口方案竞标路演。

（二）课程资源包

1.校本化读本：节选《土力学》（李广信）中关于无黏性土渗透破坏章节及《黄河三角洲工程地质志》相关条文；

2.数字资源：河海大学“土体渗流虚拟仿真实验”3.0版、同济大学“颗粒流PFC2D”数值模拟教学演示包；

3.实体教具：特制标准粉砂土样（取自本地在建地铁站地连墙槽壁开挖弃土，经筛分调配至典型级配）、微型有机玻璃水槽、测压管、数码显微镜。

三、教学实施过程（总时长90分钟，两课时连排）

（一）前置学习与问题暴露——基于翻转课堂的精准诊断（课前3天发布）

1.微课与测验锚点

教师录制15分钟微课《土的三相之谜与水力梯度》，重点不在讲授，而在“设陷”。刻意展示一段含严重逻辑错误的堵口动画：画面中工人用高塑性黏土直接填埋粉砂地基管涌口，动画标注“成功封堵”。【重要】学生在学习平台观看后必须完成两道判断题：

（1）用黏土封堵粉砂地基管涌口是科学有效的。（×）

（2）土体颗粒越细，抗渗强度越高。（×）

平台数据回收显示，高二（6）班正确率仅为23%和17%。这一“认知冲突”成为课堂爆破的关键靶点。

2.真实工程影像激疑

推送央视《创新进行时》栏目片段“深中通道西人工岛钢圆筒振沉中的砂土液化处置”，镜头中工程师面对珠江口全新世粉细砂层，未采用传统黏土包覆，而是采用“液压振动锤强行挤开+注浆改良”。暂停于专家同期声“粉砂，黏土裹不住，水一冲就散……”此处留白，不解释原理，仅要求学生在论坛提出3个最困惑的问题。【非常重要】

（二）课内沉浸式探究——工程勘察院角色扮演（第1课时：45分钟）

1.情境导入：总工程师的紧急任务（0—5分钟）

教师以多媒体展示无人机航拍影像：某沿江城市地铁联络通道冷冻法施工失败，发生粉砂层大量涌水涌砂，地面沉降已达30厘米，指挥部需在2小时内确定抢险方案。【热点】教师宣布本节课将课堂变更为“中铁某局抢险会商中心”，学生4人小组转为“地质保障组”，桌面上密封的土样瓶即为现场钻探取出的粉砂土芯。

2.任务一：颗粒级配鉴定与定名（6—18分钟）

教师提供核心工具：标准分析筛（0.5mm、0.25mm、0.075mm）、电子天平、振筛机。学生小组需完成以下工序并记录：

（1）称取干土样200g，倒入套筛振筛10分钟；

（2）分别称量各筛及底盘土样质量，计算各粒组含量百分比；

（3）绘制粒径级配累积曲线，计算不均匀系数Cu和曲率系数Cc；

（4）依据《土工试验方法标准》定名。

数据汇总至黑板：六个小组的细粒含量（<0.075mm）集中在6%—9%之间，Cu均小于5，Cc介于0.8—1.2。教师介入：请大家对照桌面的“砂土分类三角坐标图”，我们手中的土是砂吗？学生发现按规范应定名为“含细粒土砂”或直接为“粉砂”。教师追问：为何称它为“新型”？因为它并非天然河砂，而是黄河冲积相与海相交互沉积，颗粒呈次圆状，表面附着难溶盐膜，比一般石英粉砂更不易与水泥浆胶结。【难点】【高频考点】

此环节设【关键操作素养评价点】：筛分时有无拍打筛框导致颗粒破碎、细粉损失；累积曲线绘制是否使用半对数坐标。

3.任务二：渗透破坏临界水头实测（19—35分钟）

各小组领取变水头渗透仪，土样已预先在击实器中分层制样，控制干密度1.65g/cm³。实验要求：

（1）测定土样在四级水头差下的渗流流速，验证达西定律适用范围；

（2）缓慢提升上游水位，观察测压管读数及土样表面变化，精确记录出现“砂沸”或细小土颗粒跳跃时的临界水力梯度icr。

实验现象极具冲击力：水头差仅15cm时，土样内部无明显异动；当水头差缓慢增至28cm附近，土样上部突然出现局部泉眼，粉细砂呈沸腾状喷出，水体浑浊，土样结构瞬间崩溃。学生发出惊呼。教师引导对比理论值：根据太沙基公式，icr=（Gs-1）/（1+e），约为1.0左右，为何实测icr仅0.3—0.4？【非常重要】

此时引入“接触冲刷”概念：粉砂土孔隙直径与细粒粒径比值处于临界状态，微小扰动即可启动内部侵蚀。板书关键词：“潜蚀—管涌—流土”链式破坏机制。

4.思维建模：从现象到公式（36—45分钟）

教师发放透明硫酸纸，要求各小组绘制“粉砂土微观颗粒排列速写图”，并用箭头标注渗流方向、颗粒受力方向。学生普遍画出均匀排列的球形颗粒，教师展示电镜扫描图（SEM）：真实的粉砂颗粒呈棱角状—次棱角状，粒间存在“点接触”形成的架空孔隙。这就是抗渗强度低的根源——缺少黏粒的“胶结—镶嵌”结构。【难点】

师生共同推导经验公式：临界水力梯度icr与细粒含量Fc呈对数正相关，与不均匀系数Cu呈负指数关系。板书保留推导框架，具体系数留待课后大数据拟合。

（三）深度探究与技术攻关——跨学科工作坊（第2课时：45分钟）

1.问题聚焦：为什么黏土堵不住粉砂？（0—8分钟）

回放前置视频错误片段，教师提出颠覆性问题：既然黏土被认为是不透水材料，为什么反而会加剧粉砂地基破坏？

小组讨论后发言。关键认知突破包括：

（1）粒径不兼容理论：黏土颗粒粒径（<0.005mm）远小于粉砂孔隙喉道直径，在水压力驱动下，黏土颗粒直接穿过孔隙骨架，不仅无法形成堵塞，反而迁移至下游排水体，淤塞失效；

（2）化学不配伍理论：粉砂颗粒表面通常带负电，与传统阳离子型黏土浆液电荷相斥，絮凝体难以吸附成膜；

（3）变形不协调理论：黏土与粉砂刚度相差悬殊，在水位骤降时，黏土塞体周边产生拉张裂缝，形成新的集中渗漏通道。【非常重要】【高频考点】

2.任务三：堵口材料研发——基于逆向工程思维（9—28分钟）

教师展示三种前沿堵口材料样本，学生通过微型十字板剪切仪、渗透仪进行快速比选：

样本A：传统膨润土浆液+水泥。实验现象：滤出液极度浑浊，表明细颗粒流失严重，封堵层“有皮无瓤”。

样本B：聚丙烯酰胺高分子聚合物（PAM）。实验现象：与粉砂混合后迅速形成网状凝胶膜，但强度极低，手触即破。

样本C：巴氏芽孢杆菌菌液+钙源（MICP技术）。教师说明此为中学极端简化模拟，仅展示固化7天后的胶结砂块。学生用滴管滴水于表面，发现水珠呈球状久不渗透。教师同步播放同济大学MICP现场加固粉细砂地基视频，微生物在砂粒接触点析出方解石晶体，将点接触变为面胶结，渗透系数降低3个数量级。【热点】【难点】

学生分组研讨，填写《堵口材料综合评分卡》，指标体系包含：速凝性、耐久性、环境友好性、经济性。各小组评分倾向惊人一致：MICP技术评分最高，但担忧其反应时间过长难以满足抢险要求。此时教师引出“组合拳”方案——表层快速覆盖高分子速喷膜阻断渗流通道，深层注入微生物菌液持久加固。

3.任务四：物理模型验证——微型堤基堵口挑战赛（29—42分钟）

每组分发定制有机玻璃槽（40cm×20cm×30cm），槽内预铺20cm厚粉砂土并夯实，左侧水位箱恒定水位30cm，右侧无水位。初始状态：右侧排水口可观测到持续渗流，水质清澈。各小组须在10分钟内利用给定材料（包括土工布、瓜米石、PAM溶液、模拟黏土条等）设计反滤层或堵口结构，记录右侧渗流量变化及出水中含砂量。

实验现象分化：

采用传统黏土全覆盖的小组：初期渗流量锐减，但3分钟后右侧测压管水位陡升，继而土样边壁发生集中绕渗，渗流量反弹甚至超过初始值，且出水中出现白色黏土絮凝体，失败。

采用“下反滤、上覆盖”工艺的小组：底部先铺5cm厚级配碎石（粒径5—10mm），中部铺中粗砂，表层铺设土工织物。实验全程渗流量稳定下降80%，出水中始终未见土颗粒，成功。【非常重要】

教师引导总结反滤原理：让水顺畅排出，把土颗粒牢牢锁住。反滤层不是“堵”，而是“疏导式拦截”——这是粉砂土治理哲学的核心转折点。

4.成果凝练与专家入课（43—45分钟）

远程连线南京水利科学研究院岩土工程研究所工程师（我校校友）。屏幕那头，工程师展示长江堤防南京段历史上多次黏土堵口失败的航拍档案，并评价学生实验：“你们刚刚经历的，就是我们二十年前走过的弯路。现在粉砂地基堵口已进入‘精细反滤+微生物改性’时代。”学生自发鼓掌，思维与前沿科研完成共振。

（四）课后拓展与表现性评价

1.分层作业设计

基础类：绘制粉砂土微观结构示意图，标注其易发生渗透变形的关键构造特征，并撰写300字科普短文《为什么粉砂土怕“打针”又怕“裹泥巴”？》。【重要】

进阶类：提供某水闸底板粉砂层渗透系数、允许水力梯度等参数，要求学生计算地基抗渗稳定性，并提出两种以上加固方案比选，撰写微型技术论证报告。

挑战类：开放性命题——月球基地建设需利用原位月壤（主要成分为玄武岩质粉砂，角砾状，无黏性）进行地基密封，请结合本节课“疏导+胶结”原理，设计一套地外工程堵漏模拟实验方案。此题为跨星际迁移创新。【热点】

2.持续性评价工具

建立“工程地质师成长档案袋”，收录本课实验数据记录单、土样定名报告、模型试验照片及反思日志。核心评价指标：数据记录的原始性、归因分析的逻辑闭环、对失败实验的科学态度。

3.教研反思与二次开发

本课突破了高中地理“土壤”教学中过度聚焦农业肥力而忽视工程性质的窠臼。新型粉砂土作为一个兼具地方性、时代性与学科交叉性的载体，其教学价值不仅在于知识习得，更在于让学生体验“范式转换”——从“经验堵漏”走向“科学治水”。后续拟开发系列微专题：“珊瑚砂岛礁吹填地基处理”“黄土湿陷机理与地铁防灾”，持续贯通高中—大学工程地质核心概念。

四、教学评价与反馈系统

（一）嵌入式评价节点

在颗粒分析实验环节设置“过程性核查单”，关注学生是否规范使用毛刷清扫筛网残留、是否重复称量至恒重；在渗透试验环节重点评价临界状态捕捉的敏锐度，允许出现失败数据，但必须详细记录破坏形态并附现场照片。

（二）量规设计

核心素养达成度采用四级量表：

水平一：能复述粉砂土的基本粒组范围；

水平二：能独立完成渗透系数测定，并判断土样是否发生管涌；

水平三：能结合水力梯度、级配曲线综合分析渗透破坏风险等级；

水平四：能迁移MICP原理至类似无黏性土地基加固场景，提出创新性堵口策略框架。

本课学生群体中，约65%达成水平三，12%触碰水平四边缘，证实高认知负荷任务在资优班级的可行性。

（三）显性成果预测

本课结束后，学生将产出《粉砂土堵口模拟实验报告》纸质版6—8份，优选报告将推荐至《中学地理教学参考》“跨学科实践”专栏；筛选2—3个优秀方案参加次年“全