地學(xué)儀器方向梯進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)路徑探索

肖慧，徐哈寧，原源，李廣

（東華理工大學(xué) 地球物理與測控技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330013）

隨著我國礦藏資源的勘采工作從淺部轉(zhuǎn)向深部，勘采難度日益增加，迫切需求大量具有開拓精神、實(shí)踐能力且能吃苦耐勞的地學(xué)方向的應(yīng)用型創(chuàng)新人才[1,2]。

東華理工大學(xué)地學(xué)儀器方向長期肩負(fù)培育地、勘儀器類高素質(zhì)人才的使命，也承擔(dān)著研制開發(fā)新型地學(xué)儀器的科研重任[3,4]。在“雙一流”建設(shè)的背景下，地學(xué)儀器方向科研成果十分豐碩[5]，為“科研反哺教學(xué)”孕育了肥沃的土壤。近年來，基于礦藏勘采對人才的需求[6,7]，地學(xué)儀器方向及時轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，圍繞應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)這一目標(biāo)，結(jié)合自身科研優(yōu)勢，積極探索“梯進(jìn)式科研反哺”融合“線上線下”混合式實(shí)踐教學(xué)路徑。本文結(jié)合學(xué)校自主研發(fā)的分布式電法勘探儀——“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”的科研實(shí)例，介紹地學(xué)儀器方向?qū)嵺`教學(xué)的成功經(jīng)驗(yàn)。

1 “梯進(jìn)式科研反哺”實(shí)踐教學(xué)背景

電法勘探儀是通過觀測電場與地下介質(zhì)分布的對應(yīng)關(guān)系，達(dá)到勘查地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種地學(xué)儀器。

國內(nèi)電法儀器以二維電阻率采集作為主流方法，但自然界中地質(zhì)結(jié)構(gòu)通常是三維的，日益復(fù)雜的地質(zhì)勘采迫切需要能夠在三維空間內(nèi)提取電阻率信息的三維電法勘探[8]。在此背景下，學(xué)校地學(xué)儀器方向歷經(jīng)5年，研制開發(fā)了ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)。這套系統(tǒng)包括一臺主控機(jī)、16臺子站和256個智能電極（見圖1），采用“E-SCAN”三維觀測方法、分布式智能電極以及三維反演快速算法等先進(jìn)技術(shù)，滿足復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下對目標(biāo)體的三維精確勘測，屬于國際領(lǐng)先水平[9]。“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”在勘探工作中有三個過程：（1）測量之前的準(zhǔn)備工作，包括電極的布陣、子站與主機(jī)的通信調(diào)試和每個子站與下串16個電極之間的通信調(diào)試；（2）測量過程中海量數(shù)據(jù)的并行采集；（3）測量結(jié)束后，地下目標(biāo)體電性特征數(shù)據(jù)的反演以及反演結(jié)果的解釋。整個測量過程至少需要33個懂方法、會操作的技術(shù)人員協(xié)作完成，從創(chuàng)新性和實(shí)踐性兩方面都非常適合本科生實(shí)踐教學(xué)。

圖1 ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)

針對部分高校地學(xué)儀器類實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容滯后、缺乏先進(jìn)性和創(chuàng)新性等問題[10]，學(xué)校地學(xué)儀器方向從科研成果中挖掘有創(chuàng)新性和實(shí)踐性的教學(xué)內(nèi)容，將來自三維電法勘探的新技術(shù)、新方法和新成果融入本科實(shí)踐教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生不同階段的學(xué)習(xí)能力特點(diǎn)，分層次實(shí)施“基礎(chǔ)認(rèn)知→系統(tǒng)訓(xùn)練→野外實(shí)戰(zhàn)→社會拓展”的梯進(jìn)式培養(yǎng)（見圖2），為學(xué)生構(gòu)建“想→學(xué)→做→用”的層進(jìn)式實(shí)踐平臺。

圖2 “梯進(jìn)式科研反哺”實(shí)踐教學(xué)框架

2 “梯進(jìn)式科研反哺”融合“線上線下”混合式實(shí)踐教學(xué)路徑

基于互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺，地學(xué)儀器方向?qū)⒕€上線下相結(jié)合，按照“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”的工作過程，由淺入深指導(dǎo)學(xué)生完成階段性實(shí)踐任務(wù)，逐層推進(jìn)學(xué)生形成自己的知識體系和動手能力，形成了“梯進(jìn)式科研反哺”融合“線上線下”混合式實(shí)踐教學(xué)模式（見圖3）。圖3是一個批次（班級）的完整實(shí)踐教學(xué)過程，每批次約32名學(xué)生，分成1、2、3.....15、16小組，每組2人，分別負(fù)責(zé)1號、2號、3號.....15號、16號子站的線路。整個教學(xué)過程包含4個實(shí)踐階段，每個實(shí)踐階段包含3個教學(xué)環(huán)節(jié)：教學(xué)準(zhǔn)備—教學(xué)實(shí)施—教學(xué)檢查。

圖3 “梯進(jìn)式科研反哺”融合“線上線下”混合式實(shí)踐教學(xué)模式

教學(xué)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)（線上）：教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)布實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程等，學(xué)生在線上學(xué)習(xí)教師發(fā)布的實(shí)驗(yàn)資料，每個小組交流討論后提交一份實(shí)驗(yàn)實(shí)施計(jì)劃書，教師審閱修改后可安排進(jìn)入第二個環(huán)節(jié)。

教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)（線下）：學(xué)生按照各自的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃書，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場動手完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，教師對學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成情況予以考評。

教學(xué)檢查環(huán)節(jié)（線上）：學(xué)生將實(shí)驗(yàn)過程所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后生成相應(yīng)圖表和結(jié)論，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上傳線上平臺，教師批閱后再反饋給學(xué)生，根據(jù)報(bào)告完成質(zhì)量予以評分。

下面以“基礎(chǔ)認(rèn)識實(shí)踐—系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐—野外綜合實(shí)踐—社會拓展實(shí)踐”為鏈條介紹具體的實(shí)踐教學(xué)過程。

2.1 基礎(chǔ)認(rèn)識實(shí)踐

基礎(chǔ)認(rèn)識實(shí)踐在學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開展，此階段學(xué)生尚未接觸該領(lǐng)域的前沿科技，因此注重培養(yǎng)學(xué)生對新科技、新方法的思考和理解能力，即能力層次中的“想”這一環(huán)節(jié)。實(shí)踐內(nèi)容包括“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”的理論認(rèn)知、基本操作和基本檢測，采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式開展。

線上教學(xué)準(zhǔn)備，教師提前2周在學(xué)習(xí)平臺發(fā)布“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”的理論體系講解，并在線上答疑，然后提前一周在線上平臺發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”的整機(jī)操作方法、系統(tǒng)空載通信測試、采集子站空載電位測試以及采集子站短路電位的測試。學(xué)生按要求預(yù)習(xí)資料并提交實(shí)驗(yàn)計(jì)劃書。

線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和實(shí)操考核。首先16個小組在掌握理論的基礎(chǔ)上協(xié)作完成整機(jī)系統(tǒng)操作和系統(tǒng)空載通信測試。上述操作通過后，各小組進(jìn)行子站空載電位測試和子站短路電位的測試，每組重復(fù)測量5次。

線上匯報(bào)檢查，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)整理繪圖、歸納總結(jié)并在學(xué)習(xí)平臺提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師批閱后給予評分。從子站空載電位測試結(jié)果（見圖4）和子站短路電位測試結(jié)果（見圖5）可以看出：學(xué)生所測空載本底電位介于-20mv～20mv之間，短路本底電位介于-8mv～6mv之間，數(shù)據(jù)符合系統(tǒng)測試要求，每次測量結(jié)果基本穩(wěn)定，說明學(xué)生已經(jīng)理解系統(tǒng)理論，熟悉儀器基本操作，可以進(jìn)入下一個實(shí)踐環(huán)節(jié)。

圖4 子站空載電位多次測量結(jié)果（單位：mv）

圖5 子站短路電位多次測量結(jié)果（單位：mv）

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐安排在校內(nèi)科研試驗(yàn)基地——三維電法水池開展（見圖6），水池可進(jìn)行多種模型體實(shí)驗(yàn)，尺寸為：6 000mm，6 000mm，3 000mm (長 寬 深)。此階段訓(xùn)練學(xué)生對三維電法儀器的勘測實(shí)操能力，是梯進(jìn)層次中“真練”環(huán)節(jié)，教學(xué)任務(wù)比較繁重，是實(shí)踐教學(xué)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。教學(xué)內(nèi)容有：（1）水池自然電位測量（無模型）；（2）水池高阻體（銅球模型）電位測量；（3）水池低阻體（塑料球）電位測量。下面以高阻體模型（銅球）為例說明教學(xué)過程：

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作分為“線上→線下→線上”三個過程：教師提前2周在學(xué)習(xí)平臺發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)、講解實(shí)驗(yàn)規(guī)程、介紹水池環(huán)境和基本參數(shù)，學(xué)生在線上自主預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)資料；教師提前一周帶領(lǐng)學(xué)生前往水池，講解總體實(shí)驗(yàn)方案后，指導(dǎo)各小組勘測水池具體尺寸，根據(jù)水池參數(shù)計(jì)算并設(shè)計(jì)各自小組電極布陣的方法及坐標(biāo)；16個小組在學(xué)習(xí)平臺提交各自的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃書，教師審閱修改后反饋給學(xué)生。

水池模型勘測工作量很大，需要兩天才能完成一個實(shí)驗(yàn)，教師全程現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生操作。在測量的前一天，教師帶領(lǐng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作：各小組按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃書中計(jì)算的水池電極坐標(biāo)，布置完成16×16的電極測量網(wǎng)格（見圖6），然后對256個電極按行列式1-1、1-2、……、16-15、16-16進(jìn)行編號。測量當(dāng)天，各小組現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)空載通信測試、采集子站空載本底電位測試以及采集子站短路本底電位的測試，測試無誤后再進(jìn)行高阻體銅球模型測量。實(shí)驗(yàn)中銅球直徑38.2cm，處于電極網(wǎng)格中央，埋深8cm。一次完整的測量共計(jì)得到65 280個數(shù)據(jù)。

圖6 三維電法水池電極布陣

實(shí)驗(yàn)之后，所測數(shù)據(jù)由學(xué)生帶回實(shí)驗(yàn)室，教師線上指導(dǎo)學(xué)生采用pole-pole裝置模型形成三維電法反演數(shù)據(jù)格式。各小組完成數(shù)據(jù)處理后，整理圖表并在線上提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師批閱評分。本文隨機(jī)選擇第2組學(xué)生報(bào)告中的反演結(jié)果（見圖7）。

圖7 銅球模型測量數(shù)據(jù)反演效果

圖7中a圖是x、y方向的電阻率垂直切片，可看到接近球體位置時，呈現(xiàn)出明顯的圓形低阻異常，可精確推斷球體的位置和大??；b圖是立體效果圖，可見球體形態(tài)反演的效果明顯，達(dá)到銅球模型實(shí)驗(yàn)效果預(yù)期。

2.3 野外綜合實(shí)踐

野外綜合實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生地質(zhì)勘探實(shí)戰(zhàn)能力，檢驗(yàn)學(xué)生“真做”的重要環(huán)節(jié)。地學(xué)儀器方向利用科研項(xiàng)目的野外測試平臺，建立了3個野外實(shí)踐基地，并根據(jù)實(shí)踐基地具體情況制定相應(yīng)的教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容。下面以江西省撫州市臨川溫泉教學(xué)實(shí)踐基地為例，該基地地下熱水豐富，在熱水流經(jīng)區(qū)與無熱水區(qū)，地層的電性差異較明顯，視電阻率值變化較大[11]，是十分理想的地下異常體勘探環(huán)境，非常適合開展野外地質(zhì)儀器實(shí)踐教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作分為線下和線上，與水池實(shí)驗(yàn)類似，這里不再贅述。實(shí)驗(yàn)過程中，教師在現(xiàn)場作為指導(dǎo)兼指揮，帶領(lǐng)學(xué)生在選定的測區(qū)，將16路子站及其電纜充分展開，形成覆蓋150m×150m實(shí)驗(yàn)區(qū)的16道測線，每個小組負(fù)責(zé)一道測線，師生之間通過對講機(jī)遠(yuǎn)程交流，現(xiàn)場勘測見圖8。

圖8 野外現(xiàn)場勘測

測量工作結(jié)束后，學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差處理和視電阻率的反演，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并線上提交教師批閱評分。本文隨機(jī)選擇第10組測線的反演效果（見圖9），可以清晰看出試驗(yàn)區(qū)深部低電阻率部位涌動比較明顯，能夠反映出實(shí)際地質(zhì)體在深層有地下熱水流通，與溫泉測區(qū)真實(shí)地質(zhì)特征相符。

圖9 第10組測線視電阻率反演圖

2.4 社會拓展實(shí)踐

“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”已成功研發(fā)5年多，被廣泛應(yīng)用于城市地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、礦產(chǎn)資源勘查、煤礦安全隱患檢測等領(lǐng)域。地學(xué)儀器方向充分發(fā)揮科研成果服務(wù)社會的能力，帶領(lǐng)學(xué)生多次參加服務(wù)和支援地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)的實(shí)踐工作，為學(xué)生搭建了“真用”的拓展實(shí)踐平臺。

江西氣候濕熱多雨，地形多為丘陵山地，滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。在南昌市昌西大道某處有一邊坡滑坡隱患點(diǎn)，該隱患點(diǎn)前緣臨空面5米處是一個工廠外圍墻，坡體中部和前緣靠近圍墻處是村民種植的經(jīng)濟(jì)適用山茶樹，滑坡體下緣的昌西大道是外地進(jìn)昌的主要干道?；麦w前緣邊緣存在明顯裂隙，為預(yù)防隱患滑坡對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民財(cái)產(chǎn)造成損失，師生團(tuán)隊(duì)采用自主研發(fā)的“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”，對該隱患點(diǎn)常年定期監(jiān)測（見圖10），并以任務(wù)驅(qū)動的方式開展拓展實(shí)踐訓(xùn)練。

圖10 隱患點(diǎn)定期監(jiān)測

社會拓展實(shí)踐讓學(xué)生親眼見證科技成果對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保護(hù)和助推作用，使學(xué)生感到學(xué)有所用、學(xué)有所成，所產(chǎn)生的價值體現(xiàn)會反饋到以后的學(xué)習(xí)中，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索欲。2020年，師生團(tuán)隊(duì)采用自主研發(fā)的“科研神器”—ECUTRES-III分布式電法儀在江西多地科技抗洪的事跡[12,13]，受到了央視新聞頻道、江西衛(wèi)視、江西日報(bào)等多家媒體聚焦報(bào)道，這些來自社會各界的高度評價能夠增強(qiáng)學(xué)生認(rèn)識社會、理解社會、服務(wù)社會的意識和能力，潛移默化中助推教學(xué)達(dá)到“價值引領(lǐng)”和“知識傳授”的統(tǒng)一。

3 結(jié)語

地學(xué)儀器方向以“ECUTRES-III三維電阻率成像系統(tǒng)”的科研成果和科研平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合自身專業(yè)特色，將科研項(xiàng)目的新技術(shù)、新方法和新成果融入實(shí)踐教學(xué)中，按照四層梯進(jìn)的培養(yǎng)方式和“線上線下”混合的教學(xué)舉措，有效促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)對科研的反哺，給予學(xué)生“真想—真學(xué)—真做—真用”的實(shí)踐平臺。近年來基于該實(shí)踐平臺，地學(xué)儀器方向在各類大學(xué)生科技競賽中屢獲佳績，2017年到2020年，參加大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競賽和“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽項(xiàng)目，先后榮獲國家級獎6項(xiàng)、省級獎10項(xiàng)、校級獎20余項(xiàng)，多數(shù)畢業(yè)生成長為既有專業(yè)技術(shù)能力、又有價值辨識素養(yǎng)的優(yōu)秀技術(shù)人才。這些教學(xué)成果充分說明了地學(xué)儀器方向“梯進(jìn)式科研反哺”實(shí)踐教學(xué)路徑的科學(xué)性和先進(jìn)性，值得在類似高校實(shí)踐教學(xué)中推廣。