“地震勘探原理”課可視化教學方法探索與方案設計

[摘 要] 針對“地震勘探原理”課物理學概念抽象、數理結合緊密等特點，結合中國地質大學（北京）海洋學院教學實際提出了“地震勘探原理”課數字化、可視化教學方法的改進方案，將課程的可視化內容劃分為演示性、課堂師生互動性及課后作業模擬仿真三個層級，給出了各層級的具體教學實施辦法及課堂教學的具體組織與實施方案，并以合成地震記錄為例說明了“地震勘探原理”課可視化教學的實施方法與過程。通過教改的實施可促使學生自己動手參與地震勘探原理的學習，增強抽象原理概念的可視化程度，培養學生應用計算機解決問題的能力，使學生從根本上掌握地震勘探方法，為解決實際問題奠定基礎，切實提高課程的教學質量。

[關鍵詞] 可視化教學方法;模擬仿真;地震勘探原理

[基金項目] 2020.1—2022.11中央高校基本科研業務費專項基金項目“基于4C-OBN的起伏海底地震彈性波逆時偏移”（2652019002）;2021.1—2023.12國家自然基金項目“起伏海底稀疏地震數據的矢量重構及成像算法研究”（42004091）

[作者簡介] 劉曉博（1990—），女，山東莒縣人，博士，中國地質大學（北京）海洋學院講師，主要從事地球物理學科理論與教學研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）33-0101-04? ? [收稿日期] 2021-03-06

一、引言

“地震勘探原理”是地球物理學各專業的必修課之一，是以地震波傳播理論為基礎，記錄人工激發地震波在巖石中的傳播，通過記錄的地震信號解釋探查地下巖石構造和巖性參數，為尋找礦藏和油氣服務的一種地球物理勘探方法[1，2]。該方法具有精度高、分辨率高、探測深度大等優勢，已成為油氣勘探、礦產普查和解決工程地質問題不可缺少的重要技術手段[1，2]。

地震勘探原理是集數學和物理知識于一體的學科，要求學生不僅有好的數學基礎，還有較好的物理學理解能力及較強的圖像想象力[2-5]。課程本身有大量的數學語言表述、較強的邏輯性推演和準確的物理含義，這些特點都增加了學生學習“地震勘探原理”這門課的難度，學生往往感到學習和理解較為困難，需要更形象化地展現來幫助學生理解和學好地震勘探原理的物理學屬性[3-5]。課程同時涉及大量圖像數字信號處理問題，這就要求學生掌握一些實際應用問題的可視化與數字化處理方法[5]，這也正是該課程所必須解決的實際教學問題之一，要特別注重對學生解決問題能力的培養，探索適合地震勘探原理的教學方法，實現“地震勘探原理”課與現代可視化數字教學手段的有效結合。

MATLAB語言結構簡明，具有強大的計算與繪圖功能，是近年來在國內外大學和研究機構中應用廣泛的一種數值計算與圖形處理軟件[6]。它的特點是數值計算高效且圖形功能完備，特別適合非專業的計算機編程人員完成日常數值計算、科學試驗、圖像生成等通用性任務的使用[6]。地震勘探原理的許多問題可以通過數值模擬計算將其圖示化，使學生對課程有更為直觀的認識，并且更好地理解其中的物理問題，提高學生的學習興趣，鼓勵學生參與實現問題的可視化，培養學生利用計算機解決地震勘探問題的能力，提高課程教學質量，為地球物理勘探培養高質量的人才。

二、“地震勘探原理”課的傳統教學方式與現狀

《地震勘探原理》自1950年翁文波院士在上海交通大學舉辦的地球物理探礦培訓班（北京石油地質學校）講授開始[2]，經過幾代人幾十年的努力，不論是在教學內容還是在教學方法上都取得了較大的進步，獲得了較多的教學成果[2]。在20世紀五六十年代，受教學條件的限制，“地震勘探原理”課的教學沿用了傳統的教學模式，即教師“一本教材，一只粉筆，一張嘴”;學生“一個本子，一只鋼筆，兩只耳朵”。這一時期主流教學模式是[2，3，5]：（1）講解基本概念和地震勘探的主要原理與方法;（2）進行一定數學推演和具體圖例展示相結合的教學方法。這一傳統教學模式具有鮮明的優勢：教師講得細、重點突出，學生有思考時間、利于當堂消化學習內容。但也有其不可回避的缺點：形式單調且不利于最新研究成果的展示，不利于學生視野的開闊與挖掘。

從20世紀90年代開始，隨著計算機技術的發展與普及，出現了PPT課件，教師逐步脫離了教案與粉筆。在近十幾年，PPT課件授課已成為我國高校的主流[2，3]，也成為了“地震勘探原理”的主要授課形式;學生逐步變為課上聽課、課下拷PPT，且很少記筆記。這種教學模式的優點是課堂容量大、圖文并茂，能充分展示與補充最新的研究成果;缺點是學生無思考時間，內容難以當堂消化，教學效果有時不太理想。

在教學探索的過程中人們對PPT課件和傳統板書教學模式進行了反思與總結，分析了兩種教學方式的優劣，逐步提出了兩種教學方法的融合模式。在堅持“地震勘探原理”課PPT課件模式的同時，倡導教師兼用板書教學，對重要公式的推演以板書形式組織教學，給學生留下了充足的思考空間，要求學生記筆記，堅持手腦并用;對難以理解及最新研究成果等內容通過PPT課件或動畫等方式展現，加大課堂容量、豐富授課信息。這種模式汲取了PPT課件和傳統板書模式的各自優勢，教學效果得到了教師和學生的普遍認同，并被多數高校所采納。

盡管“地震勘探原理”課的教學已進行了大量的教改與探索[2，3，5]，實現了多媒體教學與板書相結合，但目前仍停留在大量圖像與文字的展示、數學推演上，至于圖件是怎樣生成的則少有涉及，學生不知道如何用數學方法實現勘探問題，這不利于學生的理解和解決問題能力的培養，仍屬灌輸型教學模式，同時未將現代計算技術應用于“地震勘探原理”的教學，尚無運行代碼直接將問題可視化的課堂教學實驗演示，學生沒有參與代碼編寫并運行嘗試的體驗，但這又恰好是地震勘探原理需要教給學生的，是學生解決實際應用問題的必備本領，因此開展“地震勘探原理”可視化教改實驗非常必要，既是提高地震勘探教學質量與水平的有效途徑，又是培養高素質勘探人的迫切需求。