地球物理場(chǎng)論課程教學(xué)探討

盧勇旭

摘? 要：地球物理場(chǎng)論是地球物理專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。該課程公式較多、知識(shí)點(diǎn)繁雜，僅采用傳統(tǒng)方法教學(xué)往往達(dá)不到理想效果。本文以板書(shū)結(jié)合多媒體作為基本授課手段，引入探究式教學(xué)、理論結(jié)合實(shí)際、計(jì)算機(jī)仿真模擬和教學(xué)結(jié)合科研等方法，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行了一定的改進(jìn)。本文旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，為地球物理場(chǎng)論課課程教學(xué)提供新的思路和方法，提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：探究式教學(xué)? 理論結(jié)合實(shí)際? 計(jì)算機(jī)仿真模擬? 教學(xué)結(jié)合科研

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.4;P3-4? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（c）-0210-03

Discussion on the teaching of geophysical field theory

LU Yongxu

（China University of Mining & Technology （Beijing）， Beijing， 100083? Chnia）

Abstract：Geophysical Field Theory is a professional basic course for geophysics majors. The course has many formulas and complex knowledge points. Only using traditional teaching methods can not achieve the ideal effect. This paper takes blackboard writing combined with multimedia as the basic teaching means， and introduces the methods of inquiry teaching， theory combined with practice， computer simulation and teaching combined with scientific research to improve the traditional teaching methods. The purpose is to improve students' learning interest and subjective initiative， provide new ideas and methods for the teaching of geophysical field theory， and improve the teaching effect and quality.

Key Words： Inquiry teaching; Combining theory with practice; Computer simulation; Combination of teaching and research

地球物理學(xué)是地球科學(xué)的主要學(xué)科之一，是通過(guò)定量的物理方法（如地震彈性波、重力、地磁、地電、地?zé)岷头派淠艿确椒ǎ┭芯康厍蛞约皩ふ业厍騼?nèi)部礦藏資源的一門(mén)綜合性學(xué)科，研究范圍包括地球的地殼、地幔、地核和大氣層。地球物理學(xué)專(zhuān)業(yè)是理論與應(yīng)用并重的專(zhuān)業(yè)，本科生畢業(yè)后可從事空間探測(cè)、地球深部探測(cè)、能源與礦產(chǎn)地球物理勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等領(lǐng)域的相關(guān)研究和管理工作。

地球物理場(chǎng)論是地球物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其目的是通過(guò)講授引力場(chǎng)、穩(wěn)定電場(chǎng)、穩(wěn)定磁場(chǎng)和交變電磁場(chǎng)的基本理論與分析方法，讓學(xué)生掌握地球物理場(chǎng)的數(shù)學(xué)物理問(wèn)題，理解幾種場(chǎng)的建立與傳播理論，培養(yǎng)學(xué)生利用場(chǎng)的觀點(diǎn)分析和解決地球物理問(wèn)題的意識(shí)，并為學(xué)習(xí)《地電場(chǎng)與電法勘探》《重磁勘探學(xué)原理》及《地球物理測(cè)井》等專(zhuān)業(yè)主干課程打下良好的理論基礎(chǔ)[1]。

1? 地球物理場(chǎng)論課程的特點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)

地球物理場(chǎng)論課程是在大學(xué)物理課程所講授的引力場(chǎng)和電磁場(chǎng)內(nèi)容基礎(chǔ)上，利用高等數(shù)學(xué)、矢量分析等數(shù)學(xué)工具進(jìn)一步研究引力場(chǎng)和電磁場(chǎng)的基本規(guī)律和計(jì)算方法，其講授內(nèi)容主要包括矢量分析與場(chǎng)論，場(chǎng)與源的關(guān)系，場(chǎng)強(qiáng)度和勢(shì)的定義及其所滿足的微分方程、場(chǎng)的邊界條件、介質(zhì)的極化與磁化，以及電磁波的產(chǎn)生、輻射、傳播規(guī)律和特點(diǎn)等。這些內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)、數(shù)學(xué)物理方程等課程相關(guān)的理論知識(shí)，并與重磁勘探、電法勘探、地球物理測(cè)井等地球物理勘探課程有較緊密的聯(lián)系。相對(duì)于其他地球物理專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課而言，地球物理場(chǎng)論課程理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式較多，注重培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)工具分析和解決問(wèn)題的能力。

地球物理場(chǎng)論課程是公認(rèn)的一門(mén)教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程。傳統(tǒng)教學(xué)方法中教師一般采用“板書(shū)+多媒體”的方式，即通過(guò)板書(shū)實(shí)現(xiàn)重要公式的推導(dǎo)、理論的證明和場(chǎng)的計(jì)算，利用多媒體展示各種場(chǎng)的圖形圖像。雖然多媒體教學(xué)的引入有助于加深學(xué)生的印象，幫助學(xué)生更好地理解場(chǎng)的性質(zhì)和特點(diǎn)，但學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中仍普遍反映這門(mén)課程內(nèi)容枯燥乏味、公式多且復(fù)雜、概念抽象、知識(shí)點(diǎn)易混淆。

筆者認(rèn)為，提高地球物理場(chǎng)論課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵在于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。一方面要制定嚴(yán)格的作業(yè)和考試制度，督促學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí);而更重要的是開(kāi)展教學(xué)改革，引入創(chuàng)新教學(xué)理念，應(yīng)用創(chuàng)新教學(xué)方式，多方面多角度提高學(xué)生對(duì)地球物理場(chǎng)論的興趣[2]。地球物理場(chǎng)論課程與很多工科專(zhuān)業(yè)必修的《矢量分析與場(chǎng)論》《電磁場(chǎng)與電磁波》等課程有很多相似之處，其教學(xué)改革方法可互相借鑒[3-5]。因此，筆者以多媒體結(jié)合板書(shū)作為基本授課手段，在其基礎(chǔ)上引入探究式教學(xué)、理論結(jié)合實(shí)際、計(jì)算機(jī)仿真模擬和教學(xué)結(jié)合科研等教學(xué)方法，對(duì)地球物理場(chǎng)論教學(xué)進(jìn)行探索改進(jìn)，有助于提高本課程的教學(xué)質(zhì)量和效果。

2? 探究式教學(xué)

探究式教學(xué)方法倡導(dǎo)知識(shí)不要教授給學(xué)生，而是以討論的方式讓學(xué)生探索出結(jié)果。探究式教學(xué)手段有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生理解、交流、探究等能力[6-8]。

在地球物理場(chǎng)論課程的探究式教學(xué)實(shí)踐中，筆者認(rèn)為引導(dǎo)學(xué)生探究的基礎(chǔ)是學(xué)生對(duì)基本理論和基本概念具有一定的掌握。因此基礎(chǔ)內(nèi)容部分仍采用常規(guī)教學(xué)方式由教師直接講授。除此之外，其他很多內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)可以考慮采用探究式方法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。例如在穩(wěn)定電場(chǎng)一章中，穩(wěn)定電場(chǎng)的歐姆定律微分形式和邊界條件均為基本理論和概念，應(yīng)由教師直接講授。而界面電荷（又稱(chēng)積累電荷，存在于兩種不同電導(dǎo)率媒質(zhì)分界面處）作為構(gòu)建穩(wěn)點(diǎn)電流場(chǎng)的源之一，對(duì)理解穩(wěn)定電場(chǎng)的建立和本質(zhì)具有重要意義。界面電荷是在電場(chǎng)由初始態(tài)到穩(wěn)定態(tài)的過(guò)程中，在外電場(chǎng)作用下不同媒質(zhì)分界面處逐漸積累的電荷，對(duì)其產(chǎn)生過(guò)程的論述需要應(yīng)用歐姆定律微分形式、電流密度邊界條件等公式和知識(shí)點(diǎn)。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可設(shè)立題目：“界面電荷是如何產(chǎn)生的？”，組織學(xué)生分組開(kāi)展討論，最終由各組分別講解討論結(jié)果，并對(duì)結(jié)論正確的小組予以一定的表?yè)P(yáng)和獎(jiǎng)勵(lì)。實(shí)踐證明，探究式教學(xué)充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，在討論過(guò)程中加深了對(duì)相關(guān)內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，提高了對(duì)地球物理場(chǎng)論課程的學(xué)習(xí)興趣。

3? 理論結(jié)合實(shí)際教學(xué)

地球物理場(chǎng)論課程作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是重磁勘探、電法勘探等專(zhuān)業(yè)課的基礎(chǔ)。地球物理場(chǎng)論課講授的理論知識(shí)在后續(xù)課程中均有應(yīng)用，但很多教材一般只講授各種地球物理場(chǎng)的概念、性質(zhì)、原理等，未結(jié)合到相應(yīng)的地球物理方法中。這樣容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程中產(chǎn)生困惑，對(duì)掌握的知識(shí)在專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用不明、意義不清，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

為了突出專(zhuān)業(yè)課程之間的支撐關(guān)系，使學(xué)生明確本課程學(xué)習(xí)的意義。可在每一種地球物理場(chǎng)的理論內(nèi)容講解結(jié)束后，增加對(duì)應(yīng)地球物理勘探方法的基礎(chǔ)理論介紹。一方面，可以提高知識(shí)的連續(xù)性，為后續(xù)地球物理相關(guān)方法的課程展開(kāi)奠定基礎(chǔ);另一方面，可以讓學(xué)生將掌握的知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，在穩(wěn)定電場(chǎng)部分講授后，可適當(dāng)增加直流電法勘探基礎(chǔ)理論部分，講授均勻、非均勻地下介質(zhì)的穩(wěn)定電場(chǎng)特點(diǎn)，引出電阻率法勘探的基本原理。在這個(gè)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生利用穩(wěn)定電場(chǎng)的電流密度、電位、電場(chǎng)強(qiáng)度公式和邊界條件分析均勻、非均勻地下介質(zhì)電場(chǎng)分布規(guī)律，建立視電阻率計(jì)算公式;結(jié)合電阻率法勘探實(shí)例，鼓勵(lì)學(xué)生分析和探究實(shí)際地層條件下穩(wěn)定電場(chǎng)分布和視電阻率曲線特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生利用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

4? 計(jì)算機(jī)仿真輔助教學(xué)

地球物理場(chǎng)論課程講授的所有理論知識(shí)中，場(chǎng)所滿足的數(shù)學(xué)物理方程及其特點(diǎn)是重要講授內(nèi)容，主要包括靜態(tài)場(chǎng)（如引力場(chǎng)、靜電場(chǎng)等）勢(shì)場(chǎng)的泊松方程和拉普拉斯方程，以及時(shí)變電磁場(chǎng)（波）的麥克斯韋方程組和波動(dòng)方程。在大部分教材中，勢(shì)場(chǎng)的泊松方程和拉普拉斯方程部分主要講授方程的由來(lái)，以及鏡像法和分離變量法等一些解析解法;電磁波的麥克斯韋方程組和波動(dòng)方程則主要講授方程的建立，以及電磁波在不同介質(zhì)中傳播的規(guī)律等。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中普遍反映這些內(nèi)容比較抽象，只能死記硬背，無(wú)法理解客觀現(xiàn)實(shí)中場(chǎng)的狀態(tài)和波的傳播特點(diǎn)。

在地球物理研究工作中，由于地下介質(zhì)賦存十分復(fù)雜，很難對(duì)場(chǎng)進(jìn)行解析計(jì)算，更多的是基于數(shù)值模擬技術(shù)（例如有限差分法、有限元法等），利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)泊松方程、拉普拉斯方程或波動(dòng)方程的數(shù)值解計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)展示，進(jìn)而分析各種場(chǎng)或波的規(guī)律和性質(zhì)。因此，可以將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入地球物理場(chǎng)論教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生自主編程或利用開(kāi)源免費(fèi)軟件實(shí)現(xiàn)地球物理場(chǎng)的數(shù)值模擬。比如學(xué)生可利用探地雷達(dá)時(shí)域有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件GPRmax實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單介質(zhì)情況下電磁波的數(shù)值模擬，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上修改理論模型，模擬不同非均勻介質(zhì)下電磁波傳播;結(jié)合地球物理場(chǎng)論課程講授的介質(zhì)中電磁波傳播理論，分析不同介電常數(shù)、電阻率、賦存形態(tài)的地質(zhì)異常體產(chǎn)生的電磁波波場(chǎng)特點(diǎn)。這樣既可以避免單純講授數(shù)學(xué)公式導(dǎo)致學(xué)生對(duì)不同地球物理場(chǎng)的物理意義認(rèn)識(shí)不清，也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加地球物理場(chǎng)論課程的趣味性和實(shí)用性。

5? 教學(xué)結(jié)合科研

基礎(chǔ)理論的發(fā)展為地球物理勘探的創(chuàng)新提供了必要的源動(dòng)力。地球物理場(chǎng)論課程所講授的內(nèi)容大多為重磁勘探、電法勘探等物探方法的基礎(chǔ)理論，很多基礎(chǔ)研究和應(yīng)用類(lèi)的科研項(xiàng)目均包含理論研究?jī)?nèi)容，這部分內(nèi)容多為基礎(chǔ)理論的發(fā)展和延伸。

對(duì)于學(xué)生而言，未來(lái)的研究工作中往往需要在理論基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展和創(chuàng)新，因此在教學(xué)中，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與相應(yīng)的科學(xué)研究?jī)?nèi)容，既可以邀請(qǐng)學(xué)生參與授課教師或其他教師已有的相關(guān)科研項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生完成較基礎(chǔ)的研究部分;也可以幫助學(xué)生自主申請(qǐng)“大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃”等項(xiàng)目，并予以指導(dǎo)和幫助。

教學(xué)結(jié)合科研教學(xué)方法的運(yùn)用一方面可以引導(dǎo)學(xué)生利用課堂講授的理論知識(shí)解決科學(xué)問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展，開(kāi)闊學(xué)生的知識(shí)視野，提高課程學(xué)習(xí)積極性;另一方面，學(xué)生思路活躍、精力充沛，在研究的過(guò)程中往往產(chǎn)生很多“出其不意”的創(chuàng)新想法，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生對(duì)這些想法進(jìn)一步挖掘、分析、梳理和研究，可能誕生新的創(chuàng)新點(diǎn)，帶來(lái)新的科研思路和研究課題，這不僅可以提升和豐富科研項(xiàng)目的研究成果，更重要的是讓參與研究的學(xué)生感受到成就感和幸福感，對(duì)其他學(xué)生參與科研起到鼓勵(lì)和示范作用。

6? 結(jié)語(yǔ)

地球物理場(chǎng)論課程是地球物理學(xué)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在專(zhuān)業(yè)體系中具有承前啟后的重要作用。理論講授和公式推導(dǎo)是地球物理場(chǎng)論課的主要內(nèi)容，而單純對(duì)理論和公式進(jìn)行枯燥的講解容易降低學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，影響教學(xué)效果。通過(guò)采用探究式教學(xué)、理論結(jié)合實(shí)際、計(jì)算機(jī)虛擬仿真和教學(xué)結(jié)合科研等教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，促使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，從而獲得更好的教學(xué)效果。然而，對(duì)于地球物理場(chǎng)論課程教學(xué)方法的創(chuàng)新和改革不可能一蹴而就，需要在實(shí)踐中不斷摸索和總結(jié)，提高課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)的地球物理專(zhuān)業(yè)人才。

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