《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》課程教學(xué)改革與實踐

摘要：《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課和地球物理專業(yè)技術(shù)課程的橋梁，是一門十分重要的球物理專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程包含了大量的數(shù)學(xué)描述、抽象化的數(shù)學(xué)理論、公式及算法，是學(xué)生普遍反映比較難學(xué)的一門課程。作者從該課程的獨有特點出發(fā)，總結(jié)多年來的教學(xué)經(jīng)驗，認為教師在授課時要注重課程的獨有特點和學(xué)習(xí)方法，突出以學(xué)生為主體，多種教學(xué)手段有機結(jié)合，充分挖掘?qū)嵺`課時的作用，注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，注意因材施教與考評體系的多樣化，真正做到將教師的職能由傳統(tǒng)的知識講授者逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)活動的組織者和引導(dǎo)者。

關(guān)鍵詞：地球物理數(shù)據(jù)處理與反演；計算機實踐；多媒體；創(chuàng)新能力；考評體系多樣化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0029-02

地球物理數(shù)據(jù)處理與反演是地球物理學(xué)的重要分支，求解各種地球物理方法反問題，最終都歸結(jié)于數(shù)值方法的求解，它正是《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》的研究內(nèi)容。該課程是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課和地球物理專業(yè)技術(shù)課程的橋梁，是一門十分重要的球物理專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。該課程注重地球物理專業(yè)理論和計算機編程能力，它將數(shù)值算法與計算機程序設(shè)計巧妙結(jié)合，解決一些復(fù)雜的地球物理問題，指導(dǎo)地球物理工程勘察與資料解譯。

該課程包含了大量的數(shù)學(xué)描述、抽象化的數(shù)學(xué)方法、理論及公式，通過與一些本科生及研究生交流，了解到學(xué)生普遍反映這門課程比較難學(xué)。首先，它要求學(xué)生能較好地掌握地球物理專業(yè)的各種方法原理，如重力、磁法、電法及地震勘探等，但這些僅僅是必要條件而不是充分條件；其次，該課程內(nèi)容涉及范疇較寬、內(nèi)容繁多，有“數(shù)值代數(shù)”中的分解法及迭代法，有理論抽象的數(shù)值逼近、數(shù)值積分與微分；甚至一些章節(jié)內(nèi)容本身就是一門獨立的課程、自成體系，如“廣義逆反演”、“有限單元法”、“有限差分法”，課程中有大量的形式復(fù)雜數(shù)學(xué)公式及數(shù)學(xué)描述。此外，隨著一些新的高精度、高效率的數(shù)值算法的出現(xiàn)和地球物理新理論、新方法、新技術(shù)的提出，《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》又是一門不斷發(fā)展、充實的技術(shù)學(xué)科，必然導(dǎo)致學(xué)生對課程本身發(fā)展動態(tài)不了解，因此需要立足于教學(xué)大綱前提下，對該課程的教學(xué)內(nèi)容及方法進行相應(yīng)的改革，以適應(yīng)形勢的需求。

一、注重課程的獨有特點和學(xué)習(xí)方法

《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》是基于地球物理論結(jié)論，將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于計算機實踐的一門課程。它既有經(jīng)典數(shù)學(xué)那種理論上的高度抽象性和嚴密的科學(xué)性，又有應(yīng)用上的廣泛性、強實踐性的特點，它注重算法的基本原理和設(shè)計思想，但更重視方法的技巧性及適應(yīng)計算機的安排，計算過程中重視誤差分析、收斂性、穩(wěn)定性、計算效率的討論，同時對于各種算法的應(yīng)用條件、適應(yīng)性和誤差狀態(tài)也有嚴格要求，稍有不慎，可能會得到極為荒謬的計算結(jié)果。教師開展課程教學(xué)時，課堂教學(xué)與計算機應(yīng)用實踐兩手都要抓，一定要給學(xué)生強調(diào)課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)及算法編程實踐。學(xué)生也應(yīng)對數(shù)學(xué)分析的基本概念有清晰的理解，特別是要有扎實的線性代數(shù)知識，加之計算過程中離散變量運算較多，計算公式中會大量出現(xiàn)帶有上、下標的變量及大、小寫的字母，應(yīng)注意認清和辨別它們的含義，不可混淆。

二、多種教學(xué)手段有機結(jié)合

為了取得好的教學(xué)效果，活躍課堂氣氛，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，應(yīng)采用板書講解、多媒體教學(xué)與計算機上機實踐等多種教學(xué)手段有機結(jié)合，增強教學(xué)的空間立體性[2]。該課程中一些重要算法的原理、適應(yīng)計算機計算的程序設(shè)計關(guān)鍵技巧，構(gòu)成了課程的最核心內(nèi)容，它是前人知識的積累與沉淀，需要細致講解和公式推導(dǎo)，應(yīng)采用板書講解，盡管需要花費一定的時間，但能夠使學(xué)生的注意力始終跟著老師的思維走，有利于學(xué)生對重點與難點的掌握。

但如果整個教學(xué)過程中都在進行公式推導(dǎo)，學(xué)生會覺得這課程枯燥乏味，產(chǎn)生抵制情緒，不利于課程的學(xué)習(xí)，因此需要結(jié)合多媒體手段。多媒體輔助教學(xué)將文字、圖片、聲音、動畫視頻圖像融為一體，提供的信息量大，能生動形象地展示抽象的知識點，增強學(xué)生的感性認識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)省板書時間，增強授課效率。此外，考慮到教學(xué)課時的有限性，可以采取自刻輔助教學(xué)光盤或錄像，將教學(xué)錄像拷貝給學(xué)生，使學(xué)生可以在課后自行對照學(xué)習(xí)，鞏固課堂專業(yè)知識。但是作為一種輔助方式，多媒體肯定不能完全代替板書。

前面講的都是側(cè)重于老師教的手段，為了突出學(xué)生的主體地位，促使學(xué)生在接受知識、理解理論的基礎(chǔ)上多分析、多思考，可在課堂中加入討論環(huán)節(jié)，由老師給出主題及要點，讓學(xué)生課余時間查閱資料，譬如在講解有限單元法的原理和特點的時候，就可以啟發(fā)學(xué)生了解有限單元法計算的標準流程有哪幾步，針對每步計算都多問一個為什么，如網(wǎng)格剖分為什么要用矩形剖分或三角形剖分，這樣剖分有哪些優(yōu)點，能否采用其他的剖分方式，目前網(wǎng)格剖分的前沿手段是什么？有限單元法的插值基函數(shù)為什么要采用多項式，可否采用其他的函數(shù)，比如小波函數(shù)？討論課上給學(xué)生提供輕松愉快的交流機會，引導(dǎo)學(xué)生有目的有重點地理解和掌握教材內(nèi)容。豐富課堂討論的手段很多，也可借鑒中南大學(xué)湯井田教授《電法勘探》課程教學(xué)經(jīng)驗，設(shè)幾個專業(yè)命題，將學(xué)生進行分組開展辯論，請一些老師作為評委或裁判，現(xiàn)場進行點評及指導(dǎo)。通過這些課堂討論或辯論環(huán)節(jié)，使學(xué)生變被動接受為主動探索，便于開展啟發(fā)式和互動式教學(xué)，活躍了課堂氣氛，增強了教學(xué)效果，了解了學(xué)科前沿。多種教學(xué)手段有機結(jié)合的講課方式避免了照本宣科，能最大限度調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深了學(xué)生對知識的理解，保證教學(xué)質(zhì)量。

三、充分挖掘?qū)嵺`課時的作用

《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》理論性和實踐性都很強，學(xué)習(xí)的目的也是為實際地球物理探測的資料處理與數(shù)據(jù)解譯提供計算手段及和理論工具，因此，除了課堂教學(xué)之外，教學(xué)大綱中還包含了計算機實踐。計算機實踐教學(xué)是要求學(xué)生利用所學(xué)的理論知識，結(jié)合計算機編程達到解決實際問題的過程。實踐教學(xué)的好處是：促進了理論知識的牢固掌握，增強了學(xué)生的動手能力，教師通過有意識的誘導(dǎo)，讓學(xué)生在觀察、分析、解決問題的過程中，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，這是理論教學(xué)無法做到的。譬如在學(xué)習(xí)線性反演后，在實踐課中，就可以將學(xué)生以組為單位分配一些簡單的最小二乘線性反演科研小課題，讓學(xué)生通過查閱資料，編制程序，寫出完整的實驗報告[3，4]。通過這些環(huán)節(jié)，加深了對理論知識的理解，增強了靈活運用知識解決問題的能力，培養(yǎng)了認真負責(zé)、團結(jié)協(xié)作的優(yōu)良品質(zhì)。

四、結(jié)合專業(yè)程序設(shè)計與可視化軟件

《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》常見的算法程序已可在書本及網(wǎng)絡(luò)資源中找到，可能這些程序存在不同程序語言的版本，在教學(xué)過程中，教師可以針對地球物理正反演模型采用已有的數(shù)值計算方法，應(yīng)用計算機應(yīng)用及程序設(shè)計軟件，例如Matlab、Mathematica等，在計算機上給出該特定問題的數(shù)值解，并制作一些課件，以曲線、圖形等更為直觀的方式，將求解過程較生動、形象地展現(xiàn)出來[5]，在這些已有程序的基礎(chǔ)上，可鼓勵學(xué)生查閱資料，開展更深入的研究，既可以鍛煉程序編寫能力，又可以鞏固已學(xué)知識，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

五、注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，為了跟上世界局勢與時代潮流的變化，僅有基本知識和技能是遠遠不夠的，需要有不斷的開拓創(chuàng)新的精神。創(chuàng)新已成為時代的通行證及教育的主旋律。因此，在《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》課程教學(xué)過程中，不僅要重視基本算法傳授，更要加強學(xué)生創(chuàng)新思維能力的訓(xùn)練與培養(yǎng)。在教學(xué)戰(zhàn)略實施過程中，應(yīng)著力將新思路、新方法融入教學(xué)進程中，教學(xué)中創(chuàng)設(shè)各種問題和情景，采用啟發(fā)式、討論式等教法[6]，層層深入，鼓勵學(xué)生去尋求答案，使其從中獲得成功的愉悅。正所謂“授之以魚不如授之以漁”，在掌握必要的理論基礎(chǔ)上，教會他們查找與搜索文獻的方法，了解國內(nèi)外主要的期刊、碩博士論文全文數(shù)據(jù)庫、文獻情報中心，培養(yǎng)他們養(yǎng)成好的專業(yè)文獻閱讀方法，懂得追索文章、提煉新知識，進一步拓寬認知范圍，掌握國內(nèi)外研究前沿動態(tài)，創(chuàng)新思維能力也在不知不覺中得到訓(xùn)練。如果有興趣及機會，還可以鼓勵學(xué)生申請承擔(dān)或參加探索性強的研究項目或課題，如全國大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、米塔爾創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，也可參與到本校老師與研究生的課題研究中，在導(dǎo)師或研究生指導(dǎo)下參加部分科研工作，在掌握教學(xué)大綱要求的內(nèi)容前提下，更早地步入研究領(lǐng)域，有利于新型技術(shù)人才的培養(yǎng)。

六、注重因材施教與考評體系的多樣化

在教學(xué)時，教師要注重考慮到學(xué)生的個體差異，因材施教[7]。幫助每個學(xué)生盡早確定個人的具體學(xué)習(xí)目標，鼓勵那些數(shù)學(xué)與計算機技能較好的同學(xué)多學(xué)習(xí)一些算法理論，就一些典型的地球物理正反演計算開展深入研究，對于動手能力強且肯吃苦的同學(xué)加強技術(shù)能力訓(xùn)練，多學(xué)習(xí)地球物理探測技術(shù)及成熟數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用。教學(xué)工作要有靈活的進度，使每個學(xué)生都有機會獲得成功。在短短的幾個月的時間里，有時還沒有全部認識學(xué)生就結(jié)課了，根本不了解學(xué)生，更談不上因材施教了，這就要求教師與學(xué)生有更多的互動，結(jié)合階段性的課堂提問，發(fā)現(xiàn)學(xué)生還沒有掌握的重點知識，進行重復(fù)講解和學(xué)生上講臺講解的方式進行教學(xué)。

此外還可豐富評價指標，避免一考定乾坤的尷尬。在大學(xué)校園里“考考考老師的法寶，分分分學(xué)生的命根”廣為流傳。尤其是成績與獎學(xué)金及保研掛起勾來以后，成績變成了學(xué)生比較看重的東西，教師應(yīng)該利用好手中的“法寶”，建立多種考評體系，強調(diào)平時作業(yè)與課堂討論積極性及表現(xiàn)的重要性，將出勤率也納入評價指標，實行過程性評價和總結(jié)性評價相結(jié)合、課內(nèi)教學(xué)與課外實踐報告相結(jié)合的全程評價，改變學(xué)生考前突擊的習(xí)慣和傳統(tǒng)學(xué)業(yè)評價中“一考定全局”的終結(jié)性評價模式，在公平公正的基礎(chǔ)上評出優(yōu)良中差，不影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

七、結(jié)論

地球物理學(xué)的發(fā)展對《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》課程提出了更高的要求，如何有效提高地球物理類專業(yè)學(xué)生的科研綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，值得每位地球物理學(xué)教師深入思考，它也是一件很有意義的事情，值得我們?yōu)樗冻鰰r間和智慧，這個問題沒有標準答案，需要不斷探索改革的方法。個人認為，教師在授課時要注重課程的獨有特點和學(xué)習(xí)方法，突出以學(xué)生為主體，多種教學(xué)手段有機結(jié)合，充分挖掘?qū)嵺`課時的作用，注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，注意因材施教與考評體系的多樣化，可充分激發(fā)學(xué)生主觀能動性及興趣，從而使該課程的教學(xué)形成具有自身特色的教學(xué)模式。

參考文獻：

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[7]馮德山，王菁.關(guān)于實踐教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探討[J].湖南醫(yī)科大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2009，11，（2）.

基金項目：中南大學(xué)新世紀本科教育教學(xué)改革項目（201BF003）與中南林業(yè)科技大學(xué)人才引進項目（101-0640）聯(lián)合資助。

作者簡介：馮德山（1978-），男，湖南祁陽人，博士，副教授，主要研究方向：地球物理勘探。