“磁法勘探”課程教學(xué)探索與實踐

楊宇山，李媛媛，劉天佑

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

“磁法勘探”課程教學(xué)探索與實踐

楊宇山，李媛媛，劉天佑

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

“磁法勘探”是勘查技術(shù)與工程專業(yè)本科生專業(yè)主干課之一，實踐性強，應(yīng)用廣泛。本文基于課堂教學(xué)實踐的探索與研究，在多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上引入3D可視化數(shù)值模擬技術(shù)，實現(xiàn)實時動態(tài)可視化教學(xué)。在教學(xué)過程中結(jié)合科研項目系統(tǒng)講解基礎(chǔ)理論，并在課程考核中加強自主科研實踐的訓(xùn)練和評價，及時引導(dǎo)學(xué)生進行課程結(jié)束后的分析與反思，從多方面進行教學(xué)手段和方法的革新，增強教學(xué)效果，增進學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立探索的科學(xué)精神。

磁法勘探；課程教學(xué)；3D可視化教學(xué)；科研訓(xùn)練

magnetic exploration; course teaching; 3D visualization teaching; scientific training

“磁法勘探”課程是為我校勘查技術(shù)與工程專業(yè)（勘查地球物理方向）本科生開設(shè)的一門重要的專業(yè)主干課，目的是使學(xué)生系統(tǒng)地了解地球磁場的基礎(chǔ)理論，掌握磁法勘探野外工作方法、磁異常的正反演理論及常用的處理與轉(zhuǎn)換方法，培養(yǎng)學(xué)生運用磁法勘探的基本理論去解決各種地質(zhì)問題的能力，為進一步從事地球物理應(yīng)用研究打下良好的基礎(chǔ)。該課程需要在數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)課程（如位場理論、數(shù)學(xué)物理方程等）以及地質(zhì)基礎(chǔ)課程（如地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等）的基礎(chǔ)上進行教學(xué)，通過課堂教學(xué)和討論、課外作業(yè)、室內(nèi)上機實習(xí)、野外實踐，使學(xué)生對磁法勘探的基本概念、原理和方法有系統(tǒng)的理解和掌握。課程要求寬厚的理論基礎(chǔ)，同時綜合性和實踐性又很強，在有限學(xué)時的課堂教學(xué)下，學(xué)生往往感到基礎(chǔ)概念和理論枯燥乏味、難以理解，無法自主、深入地完成知識點的學(xué)習(xí)，更難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

多媒體技術(shù)已成為大學(xué)課堂教學(xué)普遍應(yīng)用的現(xiàn)代教育技術(shù)，但由于高校教師的信息化教學(xué)能力普遍較低，缺乏對信息技術(shù)與課程整合的研究，而多數(shù)高校的教師評價體系又不重視教學(xué)，導(dǎo)致大學(xué)課堂多媒體教學(xué)面臨著多種困境[1-2]。例如教師過度依賴PPT，在制作多媒體課件時照搬教材或網(wǎng)絡(luò)中的文字，講課時照本宣科，導(dǎo)致學(xué)生筆頭懶、手懶，思維過程被課件的流程控制，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力。鑒于此，本文以中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）勘查技術(shù)與工程專業(yè)“磁法勘探”課程為例，在教學(xué)活動中不斷探索適應(yīng)本科生學(xué)習(xí)特點的教學(xué)模式，改進多媒體教學(xué)的效果，充分發(fā)揮學(xué)生獨立思考、探索和解決問題的精神，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)、實踐和科學(xué)研究的興趣，增強學(xué)生對磁法勘探理論與方法的掌握程度與應(yīng)用能力。

一、3D可視化數(shù)值模擬在教學(xué)中的應(yīng)用探索

科學(xué)可視化（scientific visualization）是20世紀(jì)80年代后期提出并得到發(fā)展的一門新興技術(shù)，90年代初逐漸從研究階段發(fā)展到應(yīng)用階段。雖然可視化技術(shù)的提出至今差不多30年的時間，但由于其廣闊的應(yīng)用前景，得到普遍重視，各種不同程度的可視化產(chǎn)品在人體三維結(jié)構(gòu)、機械工程、油氣藏描述、地理信息系統(tǒng)及地球物理勘探等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[3-5]?？梢暬瘮?shù)值模擬技術(shù)將實際地球物理問題通過計算模擬以圖形或圖像直觀地顯示出來，展示模型參數(shù)及異常的時空分布特征，特別是人機交互系統(tǒng)的使用，以實時動態(tài)模擬可視化教學(xué)手段將抽象的公式和概念具體和形象地表達，加深學(xué)生對計算模擬結(jié)果的感官認(rèn)識，從而鍛煉學(xué)生的動手實踐能力，提高教學(xué)效果[6]。

磁異常的正演和反演理論是磁法勘探課程的核心內(nèi)容，其中已知磁性體的形狀、產(chǎn)狀、大小和磁化特點，計算其磁場分布是正演問題，它是反演問題的基礎(chǔ)。目前在“磁法勘探”的教學(xué)中，大多通過黑板板書介紹規(guī)則磁性體（球體、水平圓柱體、板狀體、臺階、背斜）的磁場計算公式，結(jié)合PPT展示不同磁性體產(chǎn)生的磁場平面和剖面特征。由于磁性體產(chǎn)生的磁異常影響因素很多，不僅與磁性體位置、體積、磁化強度的大小和方向有關(guān)系，而且與計算剖面的方向和位置、計算點的坐標(biāo)有關(guān)系[7-8]。對磁性體的磁場，既應(yīng)注意其平面特征，也應(yīng)注意其剖面特征和空間特征。這樣，才便于掌握一種形體與另一種形體磁場特征的區(qū)別。傳統(tǒng)的教學(xué)方式將多種磁性體的磁場剖面和平面特征以二維圖片的形式展示在PPT中，在有限的教學(xué)時間內(nèi)，信息密度高，畫面轉(zhuǎn)瞬即逝，缺乏互動性，不利于學(xué)生在課堂上對主要知識點進行回味，更難以對比和分析。筆者基于AutoCAD及自行研制的磁異常三維可視化反演軟件，對不同磁性體的磁異常特征進行了三維可視化數(shù)值模擬計算，實時在計算機上顯示模擬結(jié)果圖像，直觀地考察不同模型參數(shù)對磁性體特征影響及不同磁性體磁場特征的比較分析，從而讓學(xué)生對磁異常的正演理論有比較深入的理解。

圖1 球體模型二維平面化信息

圖2 球體模型3D可視化信息

以球體模型為例，圖1和圖2比較了傳統(tǒng)教學(xué)模式下和3D可視化數(shù)值模擬產(chǎn)生的模型顯示及磁異常的剖面和平面特征。傳統(tǒng)模式下，展示給學(xué)生的都是靜態(tài)的二維平面化信息，在信息量大，概念多而復(fù)雜的情況下，學(xué)生難以直觀地理解磁場特征的空間分布特征。圖2利用3D可視化數(shù)值模擬軟件顯示了球體模型的空間位置并計算對應(yīng)的磁場，其中球體模型可以任意旋轉(zhuǎn)、移動，實時計算出相應(yīng)的磁異常。同時根據(jù)需要，還可以3D切片的形式任意選取不同的剖面，同時顯示剖面磁異常在平面上的分布特征。除了單個模型磁異常特征的3D可視化模擬和顯示，學(xué)生還可以根據(jù)實際的需要，建立起伏地形下多個不同形態(tài)的磁性體模型（如圖3所示），通過軟件實時計算和顯示其對應(yīng)的磁場，進行對比學(xué)習(xí)。通過可視化教學(xué)手段，加強了學(xué)生對三維空間磁異常正演理論的認(rèn)識，引發(fā)學(xué)生對課堂理論知識的深入思考，有效地激發(fā)了學(xué)生對于專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。

圖3 起伏地形下不同形狀磁性體（球體、水平圓柱體和板狀體）產(chǎn)生的井中磁異常

二、結(jié)合科研項目講解基本理論

磁法勘探是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的地球物理勘探方法之一。不論是固體礦產(chǎn)的普查、詳查，還是油氣構(gòu)造、煤田構(gòu)造的普查，以及地質(zhì)填圖等工作，磁法勘探都可不同程度地發(fā)揮作用。另外，在工程地質(zhì)、地震預(yù)報、考古等方面也卓有成效。野外磁測數(shù)據(jù)在進行地質(zhì)解釋和應(yīng)用前，通常需要進行轉(zhuǎn)換和處理，這部分課程內(nèi)容也是磁法勘探解釋理論的一個重要組成部分。磁異常的轉(zhuǎn)換處理方法繁多，各有優(yōu)缺點和應(yīng)用的前提。為了幫助學(xué)生深入理解各種轉(zhuǎn)換處理方法的原理和應(yīng)用效果，筆者結(jié)合自身研究經(jīng)歷和積累的研究成果，以圖文并茂的形式列舉參與的實際應(yīng)用項目，圍繞實施項目工作而進行教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用課程所需知識完成項目。

課堂教學(xué)實施：一方面，基于常用的磁法勘探數(shù)據(jù)處理軟件將磁異常轉(zhuǎn)換處理方法的理論知識點通過軟件演示出來，在條件允許情況下，每個學(xué)生可以在自己的計算機或者機房同步進行操作。另一方面，以項目為載體，介紹項目相關(guān)的地質(zhì)背景，提出項目需要解決的問題，引導(dǎo)學(xué)生回顧關(guān)鍵知識點，將其有效串聯(lián)起來，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)理論完成項目設(shè)定的目標(biāo)。在這個過程中，學(xué)生通過不斷嘗試，加深了對理論知識的系統(tǒng)掌握，熟悉項目的實施流程，調(diào)動了學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生在后續(xù)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中更能勝任野外實習(xí)及畢業(yè)設(shè)計中的實際生產(chǎn)任務(wù)。

三、加強自主科研實踐的訓(xùn)練與考核

“磁法勘探”教學(xué)內(nèi)容實踐性較強，學(xué)以致用是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效途徑之一。根據(jù)教學(xué)計劃要求，篩選出教學(xué)內(nèi)容中重點和難點內(nèi)容，結(jié)合反映最新進展的前沿科學(xué)問題，設(shè)計多個主題供學(xué)生自由選擇。教師在學(xué)生科研實踐的過程中起引導(dǎo)、啟發(fā)和指導(dǎo)作用，鼓勵學(xué)生建立自己的觀點，并利用查閱資料、實驗、調(diào)查等方法來驗證自己的觀點，最終解決研究問題，形成自己的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上撰寫課程論文，并制作好PPT進行口頭匯報。考核時，老師根據(jù)課程論文、口頭匯報等方面的綜合表現(xiàn)進行成績評定，為保證成績評定的公開透明，每個同學(xué)接受考核結(jié)束時，當(dāng)場公布考核成績。為提高學(xué)生參與的積極性，將該考核成績以不低于20%的比例納入到期末綜合成績評定中。

除了研究性學(xué)習(xí)的培養(yǎng)和訓(xùn)練，學(xué)生對于基本概念和原理的深刻理解和掌握是課程的首要目標(biāo)。課程最后的期末考試是有效考查學(xué)生學(xué)習(xí)效果好壞的主要手段。為了確保學(xué)生真正地學(xué)到知識，而不是膚淺、暫時地儲存知識，應(yīng)付完考試后就很快忘掉，全盤還給老師，筆者設(shè)置了期末考試后的反饋環(huán)節(jié)，集中時間給同學(xué)們詳細(xì)講解每道試題考查的知識點及答題要點，特別是一些常見的誤解。在此基礎(chǔ)上，建議同學(xué)們分析自己先前考試所犯錯誤的緣由，并在限定時間內(nèi)提交錯誤分析報告。根據(jù)同學(xué)們對于錯誤的分析程度，進行評價和加分。同學(xué)們普遍反映，這種錯題分析和反饋的方式能較好地鼓勵他們反思，更深刻地理解課程的基本概念和原理，從而促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、結(jié)語

磁法勘探是地球物理勘探的重要分支之一，具有很強的實踐性。為了有效增強教學(xué)表現(xiàn)力，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維，培養(yǎng)科研興趣，論文在多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上將3D可視化數(shù)值模擬引入課程教學(xué)中，將課程教學(xué)內(nèi)容與3D可視化模擬相結(jié)合，通過實時動態(tài)地結(jié)果展示，使學(xué)生對復(fù)雜抽象的概念有了更加清晰形象的認(rèn)識，大大提高了課堂效果。筆者同時以科研項目為依托，以關(guān)鍵知識點為核心，圍繞項目實施工作而進行教學(xué)，提高學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)理解和解決實際問題的能力。在最后的課程考核中，加強了對學(xué)生自主科研訓(xùn)練的考核與評定，并在課程考試結(jié)束后及時引導(dǎo)學(xué)生進行分析和反思，變被動應(yīng)試為主動思考，使學(xué)生從自主學(xué)習(xí)中受益終生。

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G642

A

1006-9372（2017）02-0048-04

2016-09-12。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）2016年本科教學(xué)工程預(yù)研項目：勘查技術(shù)與工程（勘查地球物理方向）特色專業(yè)建設(shè)（G1320311608）。

楊宇山，男，副教授，主要從事重磁資料處理與解釋方面的教學(xué)與科研工作。

投稿網(wǎng)址： www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱：bjb3162@cugb.edu.cn

楊宇山，李媛媛，劉天佑.“磁法勘探”課程教學(xué)探索與實踐[J].中國地質(zhì)教育，2017，26（2）：48-51.

Title:Practice and Research on Magnetic Exploration Course Teaching Practice

Author(s):YANG Yu-shan, LI Yuan-yuan, LIU Tian-you