地球物理場論課程教學探討

盧勇旭

摘? 要：地球物理場論是地球物理專業的專業基礎課。該課程公式較多、知識點繁雜，僅采用傳統方法教學往往達不到理想效果。本文以板書結合多媒體作為基本授課手段，引入探究式教學、理論結合實際、計算機仿真模擬和教學結合科研等方法，對傳統教學方法進行了一定的改進。本文旨在提高學生的學習興趣和主觀能動性，為地球物理場論課課程教學提供新的思路和方法，提高教學效果和質量。

關鍵詞：探究式教學? 理論結合實際? 計算機仿真模擬? 教學結合科研

中圖分類號：G642.4;P3-4? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0210-03

Discussion on the teaching of geophysical field theory

LU Yongxu

（China University of Mining & Technology （Beijing）， Beijing， 100083? Chnia）

Abstract：Geophysical Field Theory is a professional basic course for geophysics majors. The course has many formulas and complex knowledge points. Only using traditional teaching methods can not achieve the ideal effect. This paper takes blackboard writing combined with multimedia as the basic teaching means， and introduces the methods of inquiry teaching， theory combined with practice， computer simulation and teaching combined with scientific research to improve the traditional teaching methods. The purpose is to improve students' learning interest and subjective initiative， provide new ideas and methods for the teaching of geophysical field theory， and improve the teaching effect and quality.

Key Words： Inquiry teaching; Combining theory with practice; Computer simulation; Combination of teaching and research

地球物理學是地球科學的主要學科之一，是通過定量的物理方法（如地震彈性波、重力、地磁、地電、地熱和放射能等方法）研究地球以及尋找地球內部礦藏資源的一門綜合性學科，研究范圍包括地球的地殼、地幔、地核和大氣層。地球物理學專業是理論與應用并重的專業，本科生畢業后可從事空間探測、地球深部探測、能源與礦產地球物理勘探、環境監測、地震監測預報等領域的相關研究和管理工作。

地球物理場論是地球物理學專業的專業基礎課，其目的是通過講授引力場、穩定電場、穩定磁場和交變電磁場的基本理論與分析方法，讓學生掌握地球物理場的數學物理問題，理解幾種場的建立與傳播理論，培養學生利用場的觀點分析和解決地球物理問題的意識，并為學習《地電場與電法勘探》《重磁勘探學原理》及《地球物理測井》等專業主干課程打下良好的理論基礎[1]。

1? 地球物理場論課程的特點與教學難點

地球物理場論課程是在大學物理課程所講授的引力場和電磁場內容基礎上，利用高等數學、矢量分析等數學工具進一步研究引力場和電磁場的基本規律和計算方法，其講授內容主要包括矢量分析與場論，場與源的關系，場強度和勢的定義及其所滿足的微分方程、場的邊界條件、介質的極化與磁化，以及電磁波的產生、輻射、傳播規律和特點等。這些內容涉及高等數學、線性代數、大學物理、復變函數、數學物理方程等課程相關的理論知識，并與重磁勘探、電法勘探、地球物理測井等地球物理勘探課程有較緊密的聯系。相對于其他地球物理專業的專業課而言，地球物理場論課程理論性強，數學公式較多，注重培養學生利用數學工具分析和解決問題的能力。

地球物理場論課程是公認的一門教師難教、學生難學的課程。傳統教學方法中教師一般采用“板書+多媒體”的方式，即通過板書實現重要公式的推導、理論的證明和場的計算，利用多媒體展示各種場的圖形圖像。雖然多媒體教學的引入有助于加深學生的印象，幫助學生更好地理解場的性質和特點，但學生在學習過程中仍普遍反映這門課程內容枯燥乏味、公式多且復雜、概念抽象、知識點易混淆。

筆者認為，提高地球物理場論課程教學質量的關鍵在于調動學生的學習主動性。一方面要制定嚴格的作業和考試制度，督促學生主動學習;而更重要的是開展教學改革，引入創新教學理念，應用創新教學方式，多方面多角度提高學生對地球物理場論的興趣[2]。地球物理場論課程與很多工科專業必修的《矢量分析與場論》《電磁場與電磁波》等課程有很多相似之處，其教學改革方法可互相借鑒[3-5]。因此，筆者以多媒體結合板書作為基本授課手段，在其基礎上引入探究式教學、理論結合實際、計算機仿真模擬和教學結合科研等教學方法，對地球物理場論教學進行探索改進，有助于提高本課程的教學質量和效果。

2? 探究式教學

探究式教學方法倡導知識不要教授給學生，而是以討論的方式讓學生探索出結果。探究式教學手段有助于調動學生學習的主觀能動性，培養學生理解、交流、探究等能力[6-8]。

在地球物理場論課程的探究式教學實踐中，筆者認為引導學生探究的基礎是學生對基本理論和基本概念具有一定的掌握。因此基礎內容部分仍采用常規教學方式由教師直接講授。除此之外，其他很多內容和知識點可以考慮采用探究式方法實現教學目的。例如在穩定電場一章中，穩定電場的歐姆定律微分形式和邊界條件均為基本理論和概念，應由教師直接講授。而界面電荷（又稱積累電荷，存在于兩種不同電導率媒質分界面處）作為構建穩點電流場的源之一，對理解穩定電場的建立和本質具有重要意義。界面電荷是在電場由初始態到穩定態的過程中，在外電場作用下不同媒質分界面處逐漸積累的電荷，對其產生過程的論述需要應用歐姆定律微分形式、電流密度邊界條件等公式和知識點。為了提高學生的學習興趣，可設立題目：“界面電荷是如何產生的？”，組織學生分組開展討論，最終由各組分別講解討論結果，并對結論正確的小組予以一定的表揚和獎勵。實踐證明，探究式教學充分調動了學生的積極性，在討論過程中加深了對相關內容、知識點的理解和記憶，提高了對地球物理場論課程的學習興趣。

3? 理論結合實際教學

地球物理場論課程作為專業基礎課，是重磁勘探、電法勘探等專業課的基礎。地球物理場論課講授的理論知識在后續課程中均有應用，但很多教材一般只講授各種地球物理場的概念、性質、原理等，未結合到相應的地球物理方法中。這樣容易導致學生學習的過程中產生困惑，對掌握的知識在專業中的應用不明、意義不清，不利于培養學生的學習興趣。

為了突出專業課程之間的支撐關系，使學生明確本課程學習的意義。可在每一種地球物理場的理論內容講解結束后，增加對應地球物理勘探方法的基礎理論介紹。一方面，可以提高知識的連續性，為后續地球物理相關方法的課程展開奠定基礎;另一方面，可以讓學生將掌握的知識與實際相結合，培養學生的學習興趣。例如，在穩定電場部分講授后，可適當增加直流電法勘探基礎理論部分，講授均勻、非均勻地下介質的穩定電場特點，引出電阻率法勘探的基本原理。在這個過程中，引導學生利用穩定電場的電流密度、電位、電場強度公式和邊界條件分析均勻、非均勻地下介質電場分布規律，建立視電阻率計算公式;結合電阻率法勘探實例，鼓勵學生分析和探究實際地層條件下穩定電場分布和視電阻率曲線特點，培養學生利用理論知識解決實際問題的能力。

4? 計算機仿真輔助教學

地球物理場論課程講授的所有理論知識中，場所滿足的數學物理方程及其特點是重要講授內容，主要包括靜態場（如引力場、靜電場等）勢場的泊松方程和拉普拉斯方程，以及時變電磁場（波）的麥克斯韋方程組和波動方程。在大部分教材中，勢場的泊松方程和拉普拉斯方程部分主要講授方程的由來，以及鏡像法和分離變量法等一些解析解法;電磁波的麥克斯韋方程組和波動方程則主要講授方程的建立，以及電磁波在不同介質中傳播的規律等。學生在學習的過程中普遍反映這些內容比較抽象，只能死記硬背，無法理解客觀現實中場的狀態和波的傳播特點。

在地球物理研究工作中，由于地下介質賦存十分復雜，很難對場進行解析計算，更多的是基于數值模擬技術（例如有限差分法、有限元法等），利用計算機編程實現泊松方程、拉普拉斯方程或波動方程的數值解計算，并將計算結果利用計算機仿真技術展示，進而分析各種場或波的規律和性質。因此，可以將計算機仿真技術引入地球物理場論教學中，指導學生自主編程或利用開源免費軟件實現地球物理場的數值模擬。比如學生可利用探地雷達時域有限差分數值模擬軟件GPRmax實現簡單介質情況下電磁波的數值模擬，通過在計算機上修改理論模型，模擬不同非均勻介質下電磁波傳播;結合地球物理場論課程講授的介質中電磁波傳播理論，分析不同介電常數、電阻率、賦存形態的地質異常體產生的電磁波波場特點。這樣既可以避免單純講授數學公式導致學生對不同地球物理場的物理意義認識不清，也可以提高學生的學習興趣，增加地球物理場論課程的趣味性和實用性。

5? 教學結合科研

基礎理論的發展為地球物理勘探的創新提供了必要的源動力。地球物理場論課程所講授的內容大多為重磁勘探、電法勘探等物探方法的基礎理論，很多基礎研究和應用類的科研項目均包含理論研究內容，這部分內容多為基礎理論的發展和延伸。

對于學生而言，未來的研究工作中往往需要在理論基礎上進行拓展和創新，因此在教學中，鼓勵學生積極參與相應的科學研究內容，既可以邀請學生參與授課教師或其他教師已有的相關科研項目，指導學生完成較基礎的研究部分;也可以幫助學生自主申請“大學生創新計劃”等項目，并予以指導和幫助。

教學結合科研教學方法的運用一方面可以引導學生利用課堂講授的理論知識解決科學問題，并結合實際情況對課堂教學內容進行拓展，開闊學生的知識視野，提高課程學習積極性;另一方面，學生思路活躍、精力充沛，在研究的過程中往往產生很多“出其不意”的創新想法，通過指導學生對這些想法進一步挖掘、分析、梳理和研究，可能誕生新的創新點，帶來新的科研思路和研究課題，這不僅可以提升和豐富科研項目的研究成果，更重要的是讓參與研究的學生感受到成就感和幸福感，對其他學生參與科研起到鼓勵和示范作用。

6? 結語

地球物理場論課程是地球物理學等相關專業的專業基礎課，在專業體系中具有承前啟后的重要作用。理論講授和公式推導是地球物理場論課的主要內容，而單純對理論和公式進行枯燥的講解容易降低學生的學習積極性，影響教學效果。通過采用探究式教學、理論結合實際、計算機虛擬仿真和教學結合科研等教學方法，充分調動學生主觀能動性，促使學生由被動學習變為主動學習，提高學生分析和解決問題的能力，從而獲得更好的教學效果。然而，對于地球物理場論課程教學方法的創新和改革不可能一蹴而就，需要在實踐中不斷摸索和總結，提高課程教學質量，培養高素質的地球物理專業人才。

參考文獻

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[2] 楊海燕，鄧居智，湯洪志，等.淺談地球物理學專業基礎理論課教學改革策略[J].東華理工大學學報：社會科學版，2013，32（1）：91-93.

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[7] 劉柏云.桂林：互動式教學的案例分析[D].桂林：廣西師范大學，2017.

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