“地震勘探原理”課可視化教學(xué)方法探索與方案設(shè)計

[摘 要] 針對“地震勘探原理”課物理學(xué)概念抽象、數(shù)理結(jié)合緊密等特點，結(jié)合中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院教學(xué)實際提出了“地震勘探原理”課數(shù)字化、可視化教學(xué)方法的改進方案，將課程的可視化內(nèi)容劃分為演示性、課堂師生互動性及課后作業(yè)模擬仿真三個層級，給出了各層級的具體教學(xué)實施辦法及課堂教學(xué)的具體組織與實施方案，并以合成地震記錄為例說明了“地震勘探原理”課可視化教學(xué)的實施方法與過程。通過教改的實施可促使學(xué)生自己動手參與地震勘探原理的學(xué)習(xí)，增強抽象原理概念的可視化程度，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機解決問題的能力，使學(xué)生從根本上掌握地震勘探方法，為解決實際問題奠定基礎(chǔ)，切實提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 可視化教學(xué)方法;模擬仿真;地震勘探原理

[基金項目] 2020.1—2022.11中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目“基于4C-OBN的起伏海底地震彈性波逆時偏移”（2652019002）;2021.1—2023.12國家自然基金項目“起伏海底稀疏地震數(shù)據(jù)的矢量重構(gòu)及成像算法研究”（42004091）

[作者簡介] 劉曉博（1990—），女，山東莒縣人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院講師，主要從事地球物理學(xué)科理論與教學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）33-0101-04? ? [收稿日期] 2021-03-06

一、引言

“地震勘探原理”是地球物理學(xué)各專業(yè)的必修課之一，是以地震波傳播理論為基礎(chǔ)，記錄人工激發(fā)地震波在巖石中的傳播，通過記錄的地震信號解釋探查地下巖石構(gòu)造和巖性參數(shù)，為尋找礦藏和油氣服務(wù)的一種地球物理勘探方法[1，2]。該方法具有精度高、分辨率高、探測深度大等優(yōu)勢，已成為油氣勘探、礦產(chǎn)普查和解決工程地質(zhì)問題不可缺少的重要技術(shù)手段[1，2]。

地震勘探原理是集數(shù)學(xué)和物理知識于一體的學(xué)科，要求學(xué)生不僅有好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還有較好的物理學(xué)理解能力及較強的圖像想象力[2-5]。課程本身有大量的數(shù)學(xué)語言表述、較強的邏輯性推演和準(zhǔn)確的物理含義，這些特點都增加了學(xué)生學(xué)習(xí)“地震勘探原理”這門課的難度，學(xué)生往往感到學(xué)習(xí)和理解較為困難，需要更形象化地展現(xiàn)來幫助學(xué)生理解和學(xué)好地震勘探原理的物理學(xué)屬性[3-5]。課程同時涉及大量圖像數(shù)字信號處理問題，這就要求學(xué)生掌握一些實際應(yīng)用問題的可視化與數(shù)字化處理方法[5]，這也正是該課程所必須解決的實際教學(xué)問題之一，要特別注重對學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)，探索適合地震勘探原理的教學(xué)方法，實現(xiàn)“地震勘探原理”課與現(xiàn)代可視化數(shù)字教學(xué)手段的有效結(jié)合。

MATLAB語言結(jié)構(gòu)簡明，具有強大的計算與繪圖功能，是近年來在國內(nèi)外大學(xué)和研究機構(gòu)中應(yīng)用廣泛的一種數(shù)值計算與圖形處理軟件[6]。它的特點是數(shù)值計算高效且圖形功能完備，特別適合非專業(yè)的計算機編程人員完成日常數(shù)值計算、科學(xué)試驗、圖像生成等通用性任務(wù)的使用[6]。地震勘探原理的許多問題可以通過數(shù)值模擬計算將其圖示化，使學(xué)生對課程有更為直觀的認(rèn)識，并且更好地理解其中的物理問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵學(xué)生參與實現(xiàn)問題的可視化，培養(yǎng)學(xué)生利用計算機解決地震勘探問題的能力，提高課程教學(xué)質(zhì)量，為地球物理勘探培養(yǎng)高質(zhì)量的人才。

二、“地震勘探原理”課的傳統(tǒng)教學(xué)方式與現(xiàn)狀

《地震勘探原理》自1950年翁文波院士在上海交通大學(xué)舉辦的地球物理探礦培訓(xùn)班（北京石油地質(zhì)學(xué)校）講授開始[2]，經(jīng)過幾代人幾十年的努力，不論是在教學(xué)內(nèi)容還是在教學(xué)方法上都取得了較大的進步，獲得了較多的教學(xué)成果[2]。在20世紀(jì)五六十年代，受教學(xué)條件的限制，“地震勘探原理”課的教學(xué)沿用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即教師“一本教材，一只粉筆，一張嘴”;學(xué)生“一個本子，一只鋼筆，兩只耳朵”。這一時期主流教學(xué)模式是[2，3，5]：（1）講解基本概念和地震勘探的主要原理與方法;（2）進行一定數(shù)學(xué)推演和具體圖例展示相結(jié)合的教學(xué)方法。這一傳統(tǒng)教學(xué)模式具有鮮明的優(yōu)勢：教師講得細、重點突出，學(xué)生有思考時間、利于當(dāng)堂消化學(xué)習(xí)內(nèi)容。但也有其不可回避的缺點：形式單調(diào)且不利于最新研究成果的展示，不利于學(xué)生視野的開闊與挖掘。

從20世紀(jì)90年代開始，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與普及，出現(xiàn)了PPT課件，教師逐步脫離了教案與粉筆。在近十幾年，PPT課件授課已成為我國高校的主流[2，3]，也成為了“地震勘探原理”的主要授課形式;學(xué)生逐步變?yōu)檎n上聽課、課下拷PPT，且很少記筆記。這種教學(xué)模式的優(yōu)點是課堂容量大、圖文并茂，能充分展示與補充最新的研究成果;缺點是學(xué)生無思考時間，內(nèi)容難以當(dāng)堂消化，教學(xué)效果有時不太理想。

在教學(xué)探索的過程中人們對PPT課件和傳統(tǒng)板書教學(xué)模式進行了反思與總結(jié)，分析了兩種教學(xué)方式的優(yōu)劣，逐步提出了兩種教學(xué)方法的融合模式。在堅持“地震勘探原理”課PPT課件模式的同時，倡導(dǎo)教師兼用板書教學(xué)，對重要公式的推演以板書形式組織教學(xué)，給學(xué)生留下了充足的思考空間，要求學(xué)生記筆記，堅持手腦并用;對難以理解及最新研究成果等內(nèi)容通過PPT課件或動畫等方式展現(xiàn)，加大課堂容量、豐富授課信息。這種模式汲取了PPT課件和傳統(tǒng)板書模式的各自優(yōu)勢，教學(xué)效果得到了教師和學(xué)生的普遍認(rèn)同，并被多數(shù)高校所采納。

盡管“地震勘探原理”課的教學(xué)已進行了大量的教改與探索[2，3，5]，實現(xiàn)了多媒體教學(xué)與板書相結(jié)合，但目前仍停留在大量圖像與文字的展示、數(shù)學(xué)推演上，至于圖件是怎樣生成的則少有涉及，學(xué)生不知道如何用數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)勘探問題，這不利于學(xué)生的理解和解決問題能力的培養(yǎng)，仍屬灌輸型教學(xué)模式，同時未將現(xiàn)代計算技術(shù)應(yīng)用于“地震勘探原理”的教學(xué)，尚無運行代碼直接將問題可視化的課堂教學(xué)實驗演示，學(xué)生沒有參與代碼編寫并運行嘗試的體驗，但這又恰好是地震勘探原理需要教給學(xué)生的，是學(xué)生解決實際應(yīng)用問題的必備本領(lǐng)，因此開展“地震勘探原理”可視化教改實驗非常必要，既是提高地震勘探教學(xué)質(zhì)量與水平的有效途徑，又是培養(yǎng)高素質(zhì)勘探人的迫切需求。