《地球物理數據處理與反演》課程教學改革與實踐

摘要：《地球物理數據處理與反演》是數學基礎課和地球物理專業技術課程的橋梁，是一門十分重要的球物理專業基礎課。該課程包含了大量的數學描述、抽象化的數學理論、公式及算法，是學生普遍反映比較難學的一門課程。作者從該課程的獨有特點出發，總結多年來的教學經驗，認為教師在授課時要注重課程的獨有特點和學習方法，突出以學生為主體，多種教學手段有機結合，充分挖掘實踐課時的作用，注重創新能力的培養，注意因材施教與考評體系的多樣化，真正做到將教師的職能由傳統的知識講授者逐步轉變為教學活動的組織者和引導者。

關鍵詞：地球物理數據處理與反演；計算機實踐；多媒體；創新能力；考評體系多樣化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0029-02

地球物理數據處理與反演是地球物理學的重要分支，求解各種地球物理方法反問題，最終都歸結于數值方法的求解，它正是《地球物理數據處理與反演》的研究內容。該課程是數學基礎課和地球物理專業技術課程的橋梁，是一門十分重要的球物理專業基礎課[1]。該課程注重地球物理專業理論和計算機編程能力，它將數值算法與計算機程序設計巧妙結合，解決一些復雜的地球物理問題，指導地球物理工程勘察與資料解譯。

該課程包含了大量的數學描述、抽象化的數學方法、理論及公式，通過與一些本科生及研究生交流，了解到學生普遍反映這門課程比較難學。首先，它要求學生能較好地掌握地球物理專業的各種方法原理，如重力、磁法、電法及地震勘探等，但這些僅僅是必要條件而不是充分條件；其次，該課程內容涉及范疇較寬、內容繁多，有“數值代數”中的分解法及迭代法，有理論抽象的數值逼近、數值積分與微分；甚至一些章節內容本身就是一門獨立的課程、自成體系，如“廣義逆反演”、“有限單元法”、“有限差分法”，課程中有大量的形式復雜數學公式及數學描述。此外，隨著一些新的高精度、高效率的數值算法的出現和地球物理新理論、新方法、新技術的提出，《地球物理數據處理與反演》又是一門不斷發展、充實的技術學科，必然導致學生對課程本身發展動態不了解，因此需要立足于教學大綱前提下，對該課程的教學內容及方法進行相應的改革，以適應形勢的需求。

一、注重課程的獨有特點和學習方法

《地球物理數據處理與反演》是基于地球物理論結論，將數學方法應用于計算機實踐的一門課程。它既有經典數學那種理論上的高度抽象性和嚴密的科學性，又有應用上的廣泛性、強實踐性的特點，它注重算法的基本原理和設計思想，但更重視方法的技巧性及適應計算機的安排，計算過程中重視誤差分析、收斂性、穩定性、計算效率的討論，同時對于各種算法的應用條件、適應性和誤差狀態也有嚴格要求，稍有不慎，可能會得到極為荒謬的計算結果。教師開展課程教學時，課堂教學與計算機應用實踐兩手都要抓，一定要給學生強調課前預習、課后復習及算法編程實踐。學生也應對數學分析的基本概念有清晰的理解，特別是要有扎實的線性代數知識，加之計算過程中離散變量運算較多，計算公式中會大量出現帶有上、下標的變量及大、小寫的字母，應注意認清和辨別它們的含義，不可混淆。

二、多種教學手段有機結合

為了取得好的教學效果，活躍課堂氣氛，充分調動學生的積極性，應采用板書講解、多媒體教學與計算機上機實踐等多種教學手段有機結合，增強教學的空間立體性[2]。該課程中一些重要算法的原理、適應計算機計算的程序設計關鍵技巧，構成了課程的最核心內容，它是前人知識的積累與沉淀，需要細致講解和公式推導，應采用板書講解，盡管需要花費一定的時間，但能夠使學生的注意力始終跟著老師的思維走，有利于學生對重點與難點的掌握。

但如果整個教學過程中都在進行公式推導，學生會覺得這課程枯燥乏味，產生抵制情緒，不利于課程的學習，因此需要結合多媒體手段。多媒體輔助教學將文字、圖片、聲音、動畫視頻圖像融為一體，提供的信息量大，能生動形象地展示抽象的知識點，增強學生的感性認識，激發學生的學習興趣，節省板書時間，增強授課效率。此外，考慮到教學課時的有限性，可以采取自刻輔助教學光盤或錄像，將教學錄像拷貝給學生，使學生可以在課后自行對照學習，鞏固課堂專業知識。但是作為一種輔助方式，多媒體肯定不能完全代替板書。

前面講的都是側重于老師教的手段，為了突出學生的主體地位，促使學生在接受知識、理解理論的基礎上多分析、多思考，可在課堂中加入討論環節，由老師給出主題及要點，讓學生課余時間查閱資料，譬如在講解有限單元法的原理和特點的時候，就可以啟發學生了解有限單元法計算的標準流程有哪幾步，針對每步計算都多問一個為什么，如網格剖分為什么要用矩形剖分或三角形剖分，這樣剖分有哪些優點，能否采用其他的剖分方式，目前網格剖分的前沿手段是什么？有限單元法的插值基函數為什么要采用多項式，可否采用其他的函數，比如小波函數？討論課上給學生提供輕松愉快的交流機會，引導學生有目的有重點地理解和掌握教材內容。豐富課堂討論的手段很多，也可借鑒中南大學湯井田教授《電法勘探》課程教學經驗，設幾個專業命題，將學生進行分組開展辯論，請一些老師作為評委或裁判，現場進行點評及指導。通過這些課堂討論或辯論環節，使學生變被動接受為主動探索，便于開展啟發式和互動式教學，活躍了課堂氣氛，增強了教學效果，了解了學科前沿。多種教學手段有機結合的講課方式避免了照本宣科，能最大限度調動學生的學習積極性，加深了學生對知識的理解，保證教學質量。

三、充分挖掘實踐課時的作用

《地球物理數據處理與反演》理論性和實踐性都很強，學習的目的也是為實際地球物理探測的資料處理與數據解譯提供計算手段及和理論工具，因此，除了課堂教學之外，教學大綱中還包含了計算機實踐。計算機實踐教學是要求學生利用所學的理論知識，結合計算機編程達到解決實際問題的過程。實踐教學的好處是：促進了理論知識的牢固掌握，增強了學生的動手能力，教師通過有意識的誘導，讓學生在觀察、分析、解決問題的過程中，培養創新思維和創新能力，這是理論教學無法做到的。譬如在學習線性反演后，在實踐課中，就可以將學生以組為單位分配一些簡單的最小二乘線性反演科研小課題，讓學生通過查閱資料，編制程序，寫出完整的實驗報告[3，4]。通過這些環節，加深了對理論知識的理解，增強了靈活運用知識解決問題的能力，培養了認真負責、團結協作的優良品質。

四、結合專業程序設計與可視化軟件

《地球物理數據處理與反演》常見的算法程序已可在書本及網絡資源中找到，可能這些程序存在不同程序語言的版本，在教學過程中，教師可以針對地球物理正反演模型采用已有的數值計算方法，應用計算機應用及程序設計軟件，例如Matlab、Mathematica等，在計算機上給出該特定問題的數值解，并制作一些課件，以曲線、圖形等更為直觀的方式，將求解過程較生動、形象地展現出來[5]，在這些已有程序的基礎上，可鼓勵學生查閱資料，開展更深入的研究，既可以鍛煉程序編寫能力，又可以鞏固已學知識，充分調動學生的學習興趣。

五、注重創新能力的培養

當今科學技術飛速發展，為了跟上世界局勢與時代潮流的變化，僅有基本知識和技能是遠遠不夠的，需要有不斷的開拓創新的精神。創新已成為時代的通行證及教育的主旋律。因此，在《地球物理數據處理與反演》課程教學過程中，不僅要重視基本算法傳授，更要加強學生創新思維能力的訓練與培養。在教學戰略實施過程中，應著力將新思路、新方法融入教學進程中，教學中創設各種問題和情景，采用啟發式、討論式等教法[6]，層層深入，鼓勵學生去尋求答案，使其從中獲得成功的愉悅。正所謂“授之以魚不如授之以漁”，在掌握必要的理論基礎上，教會他們查找與搜索文獻的方法，了解國內外主要的期刊、碩博士論文全文數據庫、文獻情報中心，培養他們養成好的專業文獻閱讀方法，懂得追索文章、提煉新知識，進一步拓寬認知范圍，掌握國內外研究前沿動態，創新思維能力也在不知不覺中得到訓練。如果有興趣及機會，還可以鼓勵學生申請承擔或參加探索性強的研究項目或課題，如全國大學生創新實驗項目、全國大學生數學建模競賽、米塔爾創新創業項目，也可參與到本校老師與研究生的課題研究中，在導師或研究生指導下參加部分科研工作，在掌握教學大綱要求的內容前提下，更早地步入研究領域，有利于新型技術人才的培養。

六、注重因材施教與考評體系的多樣化

在教學時，教師要注重考慮到學生的個體差異，因材施教[7]。幫助每個學生盡早確定個人的具體學習目標，鼓勵那些數學與計算機技能較好的同學多學習一些算法理論，就一些典型的地球物理正反演計算開展深入研究，對于動手能力強且肯吃苦的同學加強技術能力訓練，多學習地球物理探測技術及成熟數據處理軟件的應用。教學工作要有靈活的進度，使每個學生都有機會獲得成功。在短短的幾個月的時間里，有時還沒有全部認識學生就結課了，根本不了解學生，更談不上因材施教了，這就要求教師與學生有更多的互動，結合階段性的課堂提問，發現學生還沒有掌握的重點知識，進行重復講解和學生上講臺講解的方式進行教學。

此外還可豐富評價指標，避免一考定乾坤的尷尬。在大學校園里“考考考老師的法寶，分分分學生的命根”廣為流傳。尤其是成績與獎學金及保研掛起勾來以后，成績變成了學生比較看重的東西，教師應該利用好手中的“法寶”，建立多種考評體系，強調平時作業與課堂討論積極性及表現的重要性，將出勤率也納入評價指標，實行過程性評價和總結性評價相結合、課內教學與課外實踐報告相結合的全程評價，改變學生考前突擊的習慣和傳統學業評價中“一考定全局”的終結性評價模式，在公平公正的基礎上評出優良中差，不影響學生的學習積極性。

七、結論

地球物理學的發展對《地球物理數據處理與反演》課程提出了更高的要求，如何有效提高地球物理類專業學生的科研綜合素質和創新能力，值得每位地球物理學教師深入思考，它也是一件很有意義的事情，值得我們為它付出時間和智慧，這個問題沒有標準答案，需要不斷探索改革的方法。個人認為，教師在授課時要注重課程的獨有特點和學習方法，突出以學生為主體，多種教學手段有機結合，充分挖掘實踐課時的作用，注重創新能力的培養，注意因材施教與考評體系的多樣化，可充分激發學生主觀能動性及興趣，從而使該課程的教學形成具有自身特色的教學模式。

參考文獻：

[1]李祺.物探數值方法導論[M].北京：地質出版社，1991.

[2]楊海燕，鄧居智，湯洪志，方根顯.淺談地球物理學專業基礎理論課教學改革策略-以場論課程為例[J].東華理工大學學報（社會科學版），2013，32，（1）.

[3]李長偉.“地球物理反演”課程的教學實踐探索[J].才智，2012，13.

[4]李世華，楊有發.物探數據處理[M].北京：地質出版社，1995.

[5]宋紅偉，郭海敏，戴家才.地球物理類專業數學物理方程課程教學改革初探[J].科教文匯，2009.1.

[6]云美厚，趙秋芳.基于戰略思維的“應用地球物理學”教學實踐[J].中國地質教育，2012，1.

[7]馮德山，王菁.關于實踐教學與學生創新能力培養的探討[J].湖南醫科大學學報（社會科學版），2009，11，（2）.

基金項目：中南大學新世紀本科教育教學改革項目（201BF003）與中南林業科技大學人才引進項目（101-0640）聯合資助。

作者簡介：馮德山（1978-），男，湖南祁陽人，博士，副教授，主要研究方向：地球物理勘探。