MATLAB在地球物理專業《磁法勘探》課程教學中的應用

馬歡 郭越 吳萍萍 賈建鵬

摘要：《磁法勘探》是一門理論性和實踐性較強的地球物理專業課程。由于課程內容抽象，不易理解，如果僅通過理論課程很難系統地認識磁法勘探和數據處理過程，所以本研究將計算機軟件MATLAB融入本課程教學中，不僅加深學生對理論知識的理解，更能培養學生編寫代碼、數據處理和解決實際問題的能力。

關鍵詞：地球物理;磁法勘探;MATLAB

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）21-0186-02

一、《磁法勘探》課程教學難點

在《磁法勘探》課程教學中，部分理論公式推導復雜，而且地磁場內容較抽象。因此，在教學過程中會遇到以下難點：

1.概念抽象。《磁法勘探》課程中涉及到地球磁場、磁力儀與磁測工作方法、磁異常的處理、解釋及應用等知識點，表現為概念多且抽象。比如課程教學中涉及地磁要素和磁化率的概念，任意一點的地磁場是矢量，巖石的磁化率為張量。對于剛接觸專業課的大學生來說，對這類概念的理解是非常困難的。

2.公式推導復雜。《磁法勘探》課程有關磁異常的處理部分采用數學解析或數值模擬方法計算其磁場多參量，分析研究其空間分布特征。比如空間域和頻率域磁異常的公式推導就涉及到求偏導、傅里葉變換、矩陣的乘積運算等數學物理理論基礎知識。所以在開始學習《磁法勘探》課程之前，需要學習大量的基礎課程。比如《高等數學》、《線性代數》、《概率論與統計》、《復變函數與積分變換》、《大學物理》、《數學物理方程》、《數字信號處理》等課程。同樣，這些基礎課程內容也是抽象的。如果對這些基礎知識掌握不牢固，將更難理解《磁法勘探》中的數學物理過程，從而不利于學生在課程教學活動中接受新知識。

二、《磁法勘探》課程教改嘗試

1.MATLAB簡介。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于數據可視化、算法開發、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，目前已成為國內外科研工作的主流軟件。MATLAB的主要優點有：（1）界面友好，程序調試方便，易于學習和掌握。（2）庫函數豐富，且功能強大，調用簡單，這就使得使用者不必再像C語言和Fortran語言那樣編寫各種冗長的子程序。例如，求解磁位過程中的解線性方程組，在MATLAB中只需一個命令調用函數即可，簡化了程序的編寫。（3）具備圖形處理功能，能夠實現計算結果和編程的可視化，不但可以繪制各種各樣的曲線、曲面、圖表，而且還可以制作動畫。雖然MATLAB與C語言和FORTRAN等基礎語言相比，其計算效率不高，但在《磁法勘探》課程的教學過程中所需要的程序計算量往往很小，低配置的計算機也只需要數秒鐘，因此不會帶來問題。目前，國內很多大學已有大量教學工作者將MATLAB應用于課堂教學和實踐教學[1-3]。

2.引入MATLAB軟件，加深對相關概念和公式理解。MATLAB廣泛應用于仿真模擬、數據挖掘、數據清洗、圖形處理等科研領域，將其引入到《磁法勘探》的課堂教學中，學生可以利用該軟件編寫代碼實現磁異常公式，分析不同幾何形狀或磁化方向地下介質的磁異常分布特征，也可以使用該軟件處理實測數據。例如：實現日變校正等實測數據的整理計算、利用MATLAB成圖分析各磁力儀的一致性。課堂中融入MATLAB，將理論與實際相結合，有助于學生深入理解所學概念和理論公式。

三、MATLAB在《磁法勘探》課程中的應用

1.磁力儀一致性實驗。動態一致性實驗是為了測試多臺儀器在同一測點上的一致性，舍棄一致性較差的磁力儀，以保證后續測量任務的數據質量。例如：磁力儀一致性實驗中，使用4臺磁力儀依次在40個點進行地磁場測量，再通過MATLAB軟件導入測量的地磁場數據，并繪制每臺磁力儀的數據曲線進行比對。如圖1（a）所示，其橫坐標為點號，縱坐標為測量的地磁場數據，圖例為儀器編號。就圖1（a）中4條曲線來看，C-C儀器在12號點數據一致性較差，PM-3-2儀器在15和35號點一致性較差。可以看出，通過在課堂上學習MATLAB繪圖，不僅將課堂理論知識加以鞏固，而且還能對磁法勘探一致性實驗有感性的認識，更有可能提高學生的學習興趣。

2.球體磁異常特征分析。磁異常特征分析是《磁法勘探》課程中的重點和難點，這部分運用數理知識較多，公式復雜，不容易理解[4]。在這部分利用MATLAB繪制磁異常圖，以增加學生對規則形體磁異常特征的感性認識。例如：利用MATLAB編寫代碼實現規則形體的Za磁異常正演數值模擬。首先通過MATLAB編程實現Za磁異常公式，得到Za磁異常正演模擬結果，再調用MATLAB繪圖函數得到Za磁異常等值線平面圖。假設在地下均勻半空間介質中放置一個球形磁異常體，埋深15m，磁化方向中偏角和傾角都是45°。Za磁異常等值線平面圖如圖1（b）所示，等值線特征表現為等軸狀，負異常值包圍著正異常值。這樣在課堂上融入MATLAB，讓學生自己動手動腦進行MATLAB編程，不僅能鞏固課堂理論知識，而且還能對磁異常正演模擬有更深刻的認識和把握。

四、結論

隨著社會、計算機科學技術發展，教學僅僅停留在書本上顯得效果不佳。就地球物理專業《磁法勘探》課程概念抽象、公式復雜的特性而言，需要一種有效的手段輔助理論課程教學，讓學生更容易理解本課程的理論知識。MATLAB作為一種計算機編程軟件，相比其他編程軟件功能多，函數調用簡單，而且學習方便。在《磁法勘探》的課程中融入MATLAB，讓學生動手學習MATLAB代碼編寫，既能鍛煉計算機編程能力，又可以鞏固理論課知識。

參考文獻：

[1]唐少芳.MATALB在高等數學教學中的應用[J].亞太教育，2016，（13）：120.

[2]曹玉東，孫福明，王冬霞.數字圖像處理與MATLAB互補教學模式實踐[J].課程教育研究（新教師教學），2015，（18）：29.

[3]鄭晶，姜天琪，姜喆.基于matlab的數字信號處理軟件平臺在地球物理學科教學中的嘗試與探索[J].教育教學論壇，2014，（42）：267-268，262.

[4]管志寧.地磁場與磁力勘探[M].北京：地質出版社，2005.