模塊化程序在工程物探教學(xué)中的應(yīng)用

楊　坪，周飛棚，薛守寶，王建秀，宋　立

1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092

一、概況

工程物探是應(yīng)用于工程建設(shè)的地球物理勘探，主要測(cè)量地下巖土體、障礙物與周圍巖土體之間彈性參數(shù)、電性參數(shù)、磁性參數(shù)等指標(biāo)的差異，從而對(duì)地下巖土體的分布狀況進(jìn)行確定。工程物探在中國(guó)始于20世紀(jì)50年代初，由著名地球物理學(xué)家顧功敘先生率領(lǐng)電法組，在北京石景山地區(qū)進(jìn)行地下水資源勘測(cè)研究[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及實(shí)際工程中不斷地應(yīng)用實(shí)踐，工程物探不僅在技術(shù)以及設(shè)備上得到了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也得到了大幅度的擴(kuò)展。目前，工程物探技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軌道交通、市政道路、橋梁、隧道、高速公路、鐵路、管線鋪設(shè)、水利工程等領(lǐng)域。可見(jiàn)，工程物探的前景十分廣闊，急需培養(yǎng)大量掌握工程物探專業(yè)知識(shí)人才。

“工程物探”作為土木工程學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，工程物探各種方法的基本原理是重點(diǎn)介紹的內(nèi)容。諸如：反射波、折射波、繞射波的時(shí)距曲線等內(nèi)容，由于原理比較抽象，不能很好地進(jìn)行演示，學(xué)生理解比較困難，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性下降。因此，無(wú)法達(dá)到教學(xué)的真正目的，對(duì)后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的銜接造成一定的阻礙。因此，工程物探教學(xué)迫切需要更新傳統(tǒng)教育觀念、創(chuàng)新教學(xué)方法。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件或是建立平臺(tái)的方法在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行輔助與應(yīng)用，在教學(xué)起到了很大的促進(jìn)作用。而其中模塊化在程序軟件制作中也有很多的應(yīng)用，是軟件平臺(tái)制作中一種十分有效的方法。如廖云伢等[2]提出了通過(guò)Java和Matlab相聯(lián)接，設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，詳細(xì)介紹了該平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。魏華[3]開(kāi)發(fā)了健美操網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源與教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)資源改善了該學(xué)校健美操的教學(xué)模式，為學(xué)生學(xué)習(xí)起到促進(jìn)作用。蔣寧等[4]建立基于Zoho Wiki的云計(jì)算輔助教學(xué)平臺(tái)。趙曉英[5]闡述了模塊化程序的幾個(gè)特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)模塊程序的制作流程、執(zhí)行過(guò)程以及參數(shù)傳遞進(jìn)行了解釋，并以Visual FoxPro編寫程序加以驗(yàn)證。邢菁等[6]系統(tǒng)地解釋了模塊化程序，以及其在一體化平臺(tái)中的應(yīng)用。魏赟等[7]介紹了VB兩種不同過(guò)程的設(shè)計(jì)過(guò)程，并進(jìn)行驗(yàn)證，得出VB模塊化的特性。何曉波[8]介紹了大型系統(tǒng)控制程序模塊化設(shè)計(jì)方法，將復(fù)雜、大規(guī)模的系統(tǒng)控制進(jìn)行模塊化，使其更簡(jiǎn)單清晰。因此，本文總結(jié)前人的研究經(jīng)驗(yàn)，將模塊化程序應(yīng)用于工程物探教學(xué)平臺(tái)中。通過(guò)改變不同的影響因素，得到各種振動(dòng)波的時(shí)距曲線以及地層界面形態(tài)的軟件平臺(tái)。學(xué)生可在教學(xué)平臺(tái)上改變各個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)波的傳播變化規(guī)律更深入的理解。通過(guò)老師對(duì)基本原理的闡述以及學(xué)生在教學(xué)平臺(tái)上的體驗(yàn)，能夠很好地提高“工程物探”課程的接受度，為后續(xù)內(nèi)容的開(kāi)展做好鋪墊。

二、模塊化程序設(shè)想

“工程物探”課程中，在講解有關(guān)振動(dòng)波的傳播方式時(shí)，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)地層界面時(shí)，可能會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射波、折射波和繞射波等多種波的傳播，學(xué)生一時(shí)難以理解，不利于教學(xué)的進(jìn)行，為了能更好地展示各個(gè)振動(dòng)波傳播的規(guī)律，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將其分為反射波、折射波以及繞射波模塊，分別進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。學(xué)生可以對(duì)各種波的傳播特征分別進(jìn)行理解，然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行綜合，最終達(dá)到對(duì)各種波的傳播特點(diǎn)深入了解，能夠很好地達(dá)到教學(xué)目的。

將MATLAB仿真技術(shù)和GUI(Graphical User Interfaces)界面[9]引入到可視化工程物探方法原理綜合解釋平臺(tái)，并通過(guò)模塊化程序的方法開(kāi)發(fā)了折射波、反射波和繞射波時(shí)距曲線等模塊。

該教學(xué)模式發(fā)揮了教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體的教學(xué)思想，通過(guò)課堂仿真，學(xué)生可以對(duì)各個(gè)模塊的性能與參數(shù)的輸入有所了解。通過(guò)對(duì)仿真參數(shù)的調(diào)整，可以使學(xué)生更深入地了解時(shí)距曲線，快速全面掌握時(shí)距曲線的知識(shí)。

MATLAB中GUI圖形用戶界面是由窗口、圖標(biāo)、菜單、文本、按鈕等對(duì)象構(gòu)成的用戶界面，如圖1。通過(guò)GUI圖形用戶界面，可以設(shè)計(jì)出包括反射波模塊、折射波模塊以及繞射波模塊等多個(gè)模塊，對(duì)每個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終完成一個(gè)工程物探方法原理綜合解釋平臺(tái)如圖2。

圖1　GUI圖形用戶界面

圖2　工程物探方法原理綜合解釋平臺(tái)

三、模塊化程序?qū)崿F(xiàn)

1．反射波模塊

反射波是振動(dòng)波在遇到不同介質(zhì)之間的界面時(shí)，當(dāng)兩種介質(zhì)的波阻抗（其數(shù)值為介質(zhì)密度p與波速v的乘積）不相同時(shí)，該振動(dòng)波會(huì)產(chǎn)生一個(gè)返回原來(lái)密度介質(zhì)的波束，該波束則稱為反射波。反射波的時(shí)距曲線方程為：

其中：t—時(shí)間（s）；x—距振源距離（m）；h—振源距地層界面深度（m）；θ—地層傾角（°）；v—在該層介質(zhì)的速度（m/s）。

根據(jù)反射波的時(shí)距曲線方程，通過(guò)MATLAB設(shè)計(jì)水平地層的反射波的模塊，得到反射波模塊如圖3和圖4。

圖3表明，當(dāng)選擇反射波時(shí)距曲線選項(xiàng)后，只出現(xiàn)與反射波有關(guān)的參數(shù)，通過(guò)改變波速、地層厚度，以及檢波器距離參數(shù)，可以得到不同情況下的時(shí)距曲線。

當(dāng)?shù)貙觾A斜時(shí)，反射波的規(guī)律則有所不同，可通過(guò)選擇傾斜地層反射波模塊演示地層傾斜時(shí)反射波的傳播規(guī)律，如圖4所示。

圖3　水平地層的反射波模塊

圖4很好地演示不同的地層傾角下反射波的時(shí)距曲線，以及在傾斜的地層界面下反射波的傳播規(guī)律。地層傾斜時(shí)反射波的規(guī)律演示過(guò)程與地層水平時(shí)反射波的規(guī)律模塊并沒(méi)有關(guān)聯(lián)，為獨(dú)立模塊，也驗(yàn)證了模塊化的優(yōu)勢(shì)所在。

圖4　傾斜地層反射波模塊

2．折射波模塊

地震波在傳播過(guò)程中，由于界面下層波速高于上層，則會(huì)產(chǎn)生折射。折射波的時(shí)距曲線方程為：

其中：t—時(shí)間（s）；x—距振源距離（m）；h—振源距地層界面深度（m）；θ—地層傾角（°）；φ—臨界角；v—在該層介質(zhì)的速度（m/s）。

根據(jù)折射波的時(shí)距曲線方程，通過(guò)MATLAB編制水平地層的折射波的模塊，如圖5所示。

圖5　水平地層的折射波模塊

圖5演示了在選擇二層水平介質(zhì)折射波時(shí)距曲線的選項(xiàng)時(shí)，折射波的各個(gè)參數(shù)出現(xiàn)，包括有地層厚度、臨界角，兩種介質(zhì)的速度以及檢波器的距離，輸入不同參數(shù)后可以得到不同情況下的折射波時(shí)距曲線以及折射波在水平二層介質(zhì)中的傳播規(guī)律，同時(shí)還能夠計(jì)算折射波的盲區(qū)。

當(dāng)?shù)貙咏缑姘l(fā)生傾斜時(shí)，折射波時(shí)距曲線也會(huì)產(chǎn)生不一樣的變化，因此建立了另一個(gè)模塊來(lái)反映傾斜地層下折射波的特性，如圖6所示。

圖6所演示的是改變兩層介質(zhì)界面傾角后所得到的結(jié)果，能夠準(zhǔn)確地反映出傾斜界面時(shí)折射波的時(shí)距曲線，以及折射波傳播規(guī)律。通過(guò)調(diào)節(jié)5個(gè)參數(shù)來(lái)改變波速以及地層性質(zhì)，從而能夠得到不同條件下折射波的基本規(guī)律，能夠更好地理解折射波的概念。

圖6　傾斜地層折射波模塊

3．繞射波模塊

地震波在斷層的斷點(diǎn)、斷棱，地層尖滅點(diǎn)，不均勻體、侵入體和地下礁的邊緣等所引起的波稱為繞射波。繞射波的時(shí)距曲線方程如下：

其中：t—時(shí)間（s）；x—距振源距離（m）；L—繞射點(diǎn)地表投影與振源距離（m）；h—振源距地層界面深度（m）；θ—地層傾角（°）；v—在該層介質(zhì)的速度（m/s）。

根據(jù)上述的時(shí)距曲線方程，建立一個(gè)繞射波模塊，如圖7所示。

圖7　水平地層的繞射波模塊

根據(jù)圖7，可得到水平界面繞射波與波在介質(zhì)傳播的速度、地層厚度、繞射點(diǎn)地表投影位置以及檢波器距離這4個(gè)參數(shù)有關(guān)。能夠看出通過(guò)改變一定的參數(shù)，時(shí)距曲線也發(fā)生相應(yīng)的變化，能夠很好地從圖7中了解繞射波時(shí)距曲線的特性。

當(dāng)?shù)貙咏缑媸莾A斜時(shí)，對(duì)振動(dòng)波的傳播規(guī)律會(huì)產(chǎn)生很大的影響，傾斜界面的繞射波時(shí)距曲線模塊如圖8所示。圖8表明，該模塊與水平繞射波模塊相互獨(dú)立，同時(shí)多出一個(gè)界面傾角的參數(shù)。通過(guò)改變上述的參數(shù)，能夠很好地反映出傾斜界面繞射波模塊的特點(diǎn)。

圖8　傾斜地層的繞射波模塊

四、結(jié)論

（1）編制了反射波、折射波以及繞射波三個(gè)模塊，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立。各模塊能夠很好地反映各種振動(dòng)波時(shí)距曲線與各參數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)改變參數(shù)輸入，能夠快速準(zhǔn)確地了解到時(shí)距曲線的不同形態(tài)。

（2）工程物探教學(xué)中，將模塊化程序應(yīng)用于工程物探方法原理綜合解譯平臺(tái)中，能夠更有效地在工程物探教學(xué)中發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高課堂效率，學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間，通過(guò)工程物探方法原理綜合解釋平臺(tái)演示，更快速更容易地理解工程物探中有關(guān)振動(dòng)波的時(shí)距曲線的內(nèi)容。

（3）后續(xù)將繼續(xù)完善該平臺(tái)，可以制作手機(jī)APP搭載平臺(tái)，能夠使工程物探的教學(xué)更加簡(jiǎn)便，在實(shí)際工程中，也可以對(duì)工程物探的技術(shù)人員進(jìn)行基本概念、基本知識(shí)的培訓(xùn)，提高效率。

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