發(fā)布時(shí)間：2019-11-13所屬分類(lèi)：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要： 地球物理學(xué)是一門(mén)運(yùn)用基本物理理論和數(shù)學(xué)分析手段解決地學(xué)問(wèn)題的交叉應(yīng)用學(xué)科，因此專(zhuān)業(yè)課程的設(shè)置側(cè)重于理論和應(yīng)用的緊密結(jié)合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)亦成為地球物理專(zhuān)業(yè)課程重要的配套教學(xué)內(nèi)容。南京大學(xué)地學(xué)院在地球物理基礎(chǔ)課程教學(xué)中，逐步建立起由巖石物性
摘 要： 地球物理學(xué)是一門(mén)運(yùn)用基本物理理論和數(shù)學(xué)分析手段解決地學(xué)問(wèn)題的交叉應(yīng)用學(xué)科，因此專(zhuān)業(yè)課程的設(shè)置側(cè)重于理論和應(yīng)用的緊密結(jié)合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)亦成為地球物理專(zhuān)業(yè)課程重要的配套教學(xué)內(nèi)容。南京大學(xué)地學(xué)院在地球物理基礎(chǔ)課程教學(xué)中，逐步建立起由巖石物性測(cè)量、地球物理場(chǎng)觀測(cè)和地球物理場(chǎng)資料處理三大模塊構(gòu)成的模塊化教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)密切結(jié)合課程教學(xué)邏輯和框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)各模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)、模塊之間的關(guān)聯(lián)性，幫助學(xué)生建立地學(xué)問(wèn)題和物理過(guò)程的清晰關(guān)聯(lián)，加深對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，提升課堂教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：巖石物性;地球物理場(chǎng);地球物理反演
地球物理學(xué)是一門(mén)應(yīng)用物理學(xué)，是將基本的物理理論應(yīng)用于解決地學(xué)問(wèn)題，從大尺度上建立對(duì)地球本體的認(rèn)知，如地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)、重力場(chǎng)形態(tài)、地磁場(chǎng)時(shí)空分布等，從中小尺度上，形成各種勘探方法，包括油氣礦產(chǎn)資源勘探、工程勘探和環(huán)境監(jiān)測(cè)等，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性 [1] 。同時(shí)，地球物理學(xué)科又是一門(mén)定量學(xué)科，方法基于嚴(yán)格的物理定律和數(shù)學(xué)邏輯，本質(zhì)上是通過(guò)求解物理方程獲得關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的定量參數(shù)模型描述，建立地球演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程模型，具有很強(qiáng)的數(shù)理邏輯性。因此地球物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)核心在于幫助學(xué)生建立數(shù)理理論和地學(xué)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)，明確地學(xué)模型參數(shù)對(duì)應(yīng)的物理性質(zhì)，理解地學(xué)問(wèn)題背后對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程。在相關(guān)課程的教學(xué)中，良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以幫助學(xué)生加深對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，建立地學(xué)問(wèn)題和物理過(guò)程的清晰關(guān)聯(lián)。
南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院的地球物理基礎(chǔ)課程，采用課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的模式，在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，逐步形成了由巖石物性測(cè)量、地球物理場(chǎng)觀測(cè)和地球物理場(chǎng)資料處理三大模塊構(gòu)成的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。筆者在多年的地球物理相關(guān)課程教學(xué)中，深切體會(huì)到教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)課堂理論教學(xué)的有效促進(jìn)作用，不但能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，而且可以有效提高學(xué)生的觀察設(shè)計(jì)、實(shí)踐動(dòng)手和分析總結(jié)能力。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了一些有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和設(shè)計(jì)思路，希望和其他院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)互相借鑒參考，共同推動(dòng)本科基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)。
一、地球物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)理念
地球物理學(xué)的基本研究方法，是通過(guò)地表地球物理場(chǎng)的觀測(cè)和分析，獲取關(guān)于地球內(nèi)部的信息，包括地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，形成關(guān)于地球內(nèi)部的定量描述，是用數(shù)學(xué)物理的方法解決地學(xué)的問(wèn)題。從根本上來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)求解物理方程獲得關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的定量參數(shù)模型，建立關(guān)于地球內(nèi)部變形、運(yùn)動(dòng)和演化的動(dòng)力學(xué)模型。
因此地球物理學(xué)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)核心內(nèi)容，就是幫助學(xué)生建立各種地球物理場(chǎng)與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以及相對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)模型、物理過(guò)程模型之間的關(guān)聯(lián)認(rèn)知，理解為什么可以從物理場(chǎng)中獲取地球內(nèi)部信息，進(jìn)而思考如何從物理場(chǎng)信息中提取還原地球內(nèi)部信息，最終建立對(duì)地球內(nèi)部的各種參數(shù)模型描述。圍繞上述教學(xué)思路開(kāi)展相關(guān)課程教學(xué)，配合相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊，在教學(xué)過(guò)程中就可以幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解地球物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容和方法原理，建立清晰的數(shù)理邏輯，不被公式推導(dǎo)和方程求解的復(fù)雜過(guò)程所困擾，進(jìn)而循序漸進(jìn)地建立起一套系統(tǒng)的地球物理工作思想。
二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路
圍繞上述課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)理念，將地球物理相關(guān)基礎(chǔ)理論課程的配套教學(xué)實(shí)驗(yàn)劃分為三個(gè)模塊：(1)巖石物性參數(shù)測(cè)試模塊，用以建立地表地球物理場(chǎng)特征和介質(zhì)物性之間的關(guān)聯(lián)性;(2)地球物理場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，用以建立地學(xué)問(wèn)題和地球物理場(chǎng)特征之間的關(guān)聯(lián)性;(3)觀測(cè)資料處理分析模塊，用以建立地球物理參數(shù)模型和地學(xué)問(wèn)題之間的關(guān)聯(lián)性(圖 1)。
其中，巖石物性參數(shù)測(cè)試模塊是另外兩個(gè)模塊的基礎(chǔ)，是幫助學(xué)生建立地表地球物理場(chǎng)與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、過(guò)程關(guān)聯(lián)性的起點(diǎn);模塊三觀測(cè)資料處理分析則是利用模塊二中獲得的物理場(chǎng)信息，推演模塊一中地球內(nèi)部的介質(zhì)物性和空間分布，獲得地球內(nèi)部的參數(shù)模型和過(guò)程模型描述，完成地球物理學(xué)方法的地學(xué)目標(biāo)。以下結(jié)合實(shí)際的教學(xué)案例，分別就各模塊的目標(biāo)設(shè)計(jì)和內(nèi)容設(shè)計(jì)，以及模塊之間的關(guān)聯(lián)做一些總結(jié)和介紹。
1、模塊一：巖石物性參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)
巖石物性參數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括巖石樣品的波速、密度、磁化率測(cè)定等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是幫助學(xué)生理解地表地球物理場(chǎng)和地球內(nèi)部介質(zhì)物理性質(zhì)之間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)到正是由于地球內(nèi)部的巖石具有不同的物質(zhì)組成和物理結(jié)構(gòu)，具有不同的物理性質(zhì)，并且在地下空間具有不同的分布形態(tài)，才導(dǎo)致了地表觀測(cè)物理場(chǎng)的空間變化，即地球物理場(chǎng)的異常場(chǎng)分布。
這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重點(diǎn)放在巖石樣品的觀察上，觀察不同類(lèi)型巖石樣品的物質(zhì)組成差異，相似成分巖石樣品的結(jié)構(gòu)差異，在巖石成分與結(jié)構(gòu)特征觀察的基礎(chǔ)上進(jìn)行物性參數(shù)(波速、密度、磁化率等)的測(cè)量。學(xué)生通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型的巖石樣品測(cè)試，可以了解到不同類(lèi)型巖石(如沉積巖 / 變質(zhì)巖 / 火成巖)之間，有機(jī)礦物、非金屬礦和金屬礦物(如煤、石英和磁鐵礦等)之間物性參數(shù)的數(shù)量級(jí)差別，同一類(lèi)型巖石成分差別(如不同礦物組成的花崗巖系列)和結(jié)構(gòu)差別(如不同粒度的沉積巖系列)對(duì)物性參數(shù)的影響。通過(guò)成系列分布樣品的測(cè)試，總結(jié)巖石物性參數(shù)和物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性，幫助學(xué)生建立起地學(xué)模型參數(shù)化的基本思想。
2. 模塊二：地球物理場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)
地球物理場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括淺層地震探測(cè)實(shí)驗(yàn)、重力場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、地磁場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、高密度電阻率成像等。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，一方面幫助學(xué)生建立地表物理場(chǎng)特征量和地下介質(zhì)物理特性、空間分布特征之間的關(guān)聯(lián)性(如視電阻率和地下電性結(jié)構(gòu))，加深對(duì)地球物理方法原理的理解;另一方面建立地球物理場(chǎng)的空間分布特征和地學(xué)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性(如地層探測(cè)，地下管線(xiàn)排查等)，明確地球物理探測(cè)的目的，加深對(duì)地球物理應(yīng)用的理解。
圖 2 為結(jié)合課堂電法部分教學(xué)設(shè)計(jì)的高密度電法淺層成像實(shí)驗(yàn)，在校園內(nèi)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。由學(xué)生在室外進(jìn)行實(shí)地踏勘，選擇試驗(yàn)場(chǎng)地，室內(nèi)設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)分布，電極參數(shù)配置，然后完成室外測(cè)量，最后把反演得到的地層剖面(圖 2)和實(shí)際觀測(cè)的地表管線(xiàn)露頭進(jìn)行對(duì)比解釋(表 1)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)電法勘探原理和應(yīng)用的詮釋直觀清晰，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探測(cè)并驗(yàn)證了教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓前的管線(xiàn)基本埋藏情況，取得了良好的教學(xué)效果。
物理場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和室外測(cè)量實(shí)施上，給學(xué)生提供基本的儀器操作培訓(xùn)，制定基本野外測(cè)量目標(biāo)方案后，由各實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)實(shí)際的野外測(cè)量環(huán)境、測(cè)量目標(biāo)任務(wù)和實(shí)際觀測(cè)效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案調(diào)整實(shí)施。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)調(diào)整，可使學(xué)生深入了解地球物理場(chǎng)的測(cè)量原理;通過(guò)實(shí)際的室外測(cè)量，建立對(duì)野外工作流程的基本認(rèn)知，對(duì)實(shí)際地學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)歸納。由于能把課堂學(xué)到的理論知識(shí)直接用于解決實(shí)際問(wèn)題，直觀地看到自己觀測(cè)工作取得的結(jié)果，這一類(lèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驑O大地提升學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。
3. 模塊三：觀測(cè)資料處理實(shí)驗(yàn)
地球物理是一門(mén)基于觀測(cè)的學(xué)科，對(duì)于觀測(cè)資料包含物理場(chǎng)信息內(nèi)容的正確理解和分析，是對(duì)資料進(jìn)行有效利用的基礎(chǔ)。觀測(cè)資料處理實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括地震資料、重磁資料處理等實(shí)驗(yàn)。這部分實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在于幫助學(xué)生建立對(duì)物理場(chǎng)觀測(cè)資料包含信息的清晰認(rèn)知，正確理解參數(shù)物理模型和地學(xué)問(wèn)題之間的關(guān)聯(lián)性，也是培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)用于解決實(shí)際問(wèn)題的初級(jí)階段。這部分實(shí)驗(yàn)可以分為觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測(cè)資料分析處理和初步解釋兩個(gè)部分。
觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理實(shí)驗(yàn)部分的訓(xùn)練，是幫助學(xué)生正確理解觀測(cè)資料中包含的有效物理場(chǎng)信息和無(wú)效干擾信息，比如環(huán)境噪聲干擾信息，測(cè)量?jī)x器本身的漂移信息等，然后針對(duì)干擾的特征選擇合適的校正工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。例如，通過(guò)天然地震觀測(cè)資料中的數(shù)字濾波處理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生理解了信號(hào)和噪聲在記錄中的伴生關(guān)系，天然地震波的頻譜特征和信號(hào)帶寬，掌握了數(shù)字濾波的基本原理。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以接觸到跟地震波數(shù)據(jù)處理相關(guān)的常用工具軟件，初步進(jìn)行常規(guī)時(shí)間信號(hào)的分析、計(jì)算和成圖等操作訓(xùn)練 [3] 。
觀測(cè)資料的處理和解釋實(shí)驗(yàn)部分的訓(xùn)練，是根據(jù)研究目標(biāo)和數(shù)據(jù)特征采用有效的處理手段進(jìn)行目標(biāo)信息提取。這一部分實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生加深對(duì)地球物理反演理論的理解和應(yīng)用，了解地球物理反演的多解性，以及各種具體的分析處理算法的適用條件，正確理解觀測(cè)資料中包含的研究目標(biāo)信息;通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果和觀測(cè)區(qū)域的地質(zhì)背景資料，做初步的綜合地學(xué)解釋?zhuān)鸩浇⑵鹞锢韰?shù)模型和地學(xué)問(wèn)題之間的關(guān)聯(lián)性認(rèn)知。
綜上，三個(gè)模塊分別包含重、磁、電、震等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，既可以作為一門(mén)完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程展開(kāi)，也可以穿插到各類(lèi)地球物理學(xué)方法課程的教學(xué)中，分別構(gòu)成一個(gè)巖石物性—物理場(chǎng)觀測(cè)—觀測(cè)資料處理解釋的完整體系。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，各模塊的目標(biāo)和內(nèi)容設(shè)計(jì)、模塊之間的關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)直接闡釋了地球物理學(xué)方法的基本工作思想，成為課堂理論教學(xué)的有效支撐。
三、關(guān)于地球物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展的思考
基于以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本設(shè)計(jì)思路，多年來(lái)南京大學(xué)地學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心逐步建設(shè)完成了以上述三個(gè)模塊為核心，包括重、磁、電、震多種方法在內(nèi)的地球物理綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并在教學(xué)實(shí)踐中不斷的更新完善。學(xué)生在相關(guān)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，表現(xiàn)出了極大的興趣，并參與到教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)中來(lái)。從教學(xué)效果來(lái)看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展了基礎(chǔ)理論教學(xué)的深度和寬度，為學(xué)科建設(shè)提供了有力的支持。從人才培養(yǎng)的角度來(lái)看，每年都有本科生利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的條件進(jìn)行畢業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和自主創(chuàng)新研究項(xiàng)目設(shè)計(jì)，為學(xué)生參加科研和實(shí)踐工作提供了良好的基本技能訓(xùn)練平臺(tái)。
關(guān)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步拓展建設(shè)，筆者以為教學(xué)實(shí)驗(yàn)基本功能首先是促進(jìn)課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本框架要密切配合課堂教學(xué)內(nèi)容，不僅要利用單個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且要利用實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間的關(guān)聯(lián)性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程整體知識(shí)框架結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。此外，在基本的實(shí)驗(yàn)框架基礎(chǔ)上，要給學(xué)生自由發(fā)揮的空間，使得學(xué)生在課堂教學(xué)基礎(chǔ)上能夠自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，去驗(yàn)證自己對(duì)于課堂理論的理解。隨著實(shí)驗(yàn)觀測(cè)儀器生產(chǎn)技術(shù)的提升，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)教育設(shè)施投入的加大，可以選擇的儀器種類(lèi)更加豐富，很多教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)定制，使得教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)更加靈活，以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)思路是完全可以實(shí)現(xiàn)的。
相關(guān)期刊推薦：《中國(guó)地質(zhì)教育》(季刊)1992年創(chuàng)刊，是我國(guó)惟一一份地學(xué)教育與研究的學(xué)術(shù)性期刊，以其指導(dǎo)性、學(xué)術(shù)性、應(yīng)用性為特色，是地學(xué)教育研究人員、各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、教育管理和師生員工的學(xué)術(shù)論壇、決策參謀和良師益友。主要以發(fā)表研究論文為主，也報(bào)道相關(guān)學(xué)科的研究綜述與述評(píng)、研究進(jìn)展與動(dòng)態(tài)、研究短訊、新技術(shù)與新方法等。有投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線(xiàn)編輯聯(lián)系。
