將實(shí)驗(yàn)視頻引入“聲學(xué)基礎(chǔ)”的教學(xué)方法與實(shí)踐

車小花　王佳樂　陶聲越　遲瑞強(qiáng)　門百永

[摘 要] 隨著本科教育的改革，如何培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)相關(guān)的專業(yè)實(shí)踐能力，成為“聲學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)實(shí)踐的內(nèi)容。以偶極子換能器指向性測量實(shí)驗(yàn)為例，介紹“聲學(xué)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)的多個實(shí)驗(yàn)，并將這些實(shí)驗(yàn)錄制成視頻引入課堂教學(xué)，旨在豐富教學(xué)內(nèi)容，保證課時壓縮背景下的教學(xué)效果。該方法有助于加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解和記憶，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的實(shí)踐能力，同時也能夠促使高校教師形成更加完善的教學(xué)體系。

[關(guān)鍵詞] 聲學(xué)基礎(chǔ);教學(xué)實(shí)踐;實(shí)驗(yàn)視頻

[作者簡介] 車小花（1976—），女，山東海陽人，博士，中國石油大學(xué)（北京）地球物理學(xué)院教授，主要從事地球物理測井研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）16-0133-04 [收稿日期] 2021-07-20

引言

隨著大學(xué)本科教育的不斷改革，教學(xué)理念已經(jīng)由以教師為中心、以教材為中心、以課堂為中心逐漸向教師主導(dǎo)、以學(xué)生為中心、采用多樣化學(xué)習(xí)手段轉(zhuǎn)變[1]。在這種教育理念下，大學(xué)本科教育更注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力以及分析解決問題的能力，相較傳統(tǒng)的以教師“教”為中心的教學(xué)模式更加強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為本體。然而，要想將這一教學(xué)理念落到實(shí)處，必須考慮如何提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新性，使學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，完成教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在這一背景下，隨著高等院校教育的不斷改革、培養(yǎng)計(jì)劃的不斷優(yōu)化，本科專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)時在很大程度上被壓縮[2，3]，這就要求任課教師在有限的教學(xué)時間內(nèi)既傳授本專業(yè)必須掌握的基礎(chǔ)知識，在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，又培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的實(shí)踐能力，對傳統(tǒng)的本科生教學(xué)模式提出很大的挑戰(zhàn)。專業(yè)基礎(chǔ)課是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的入門課程，既具有基礎(chǔ)課理論復(fù)雜、晦澀難懂的特點(diǎn)，又具有專業(yè)課實(shí)踐性的特點(diǎn)。同時，專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生在所學(xué)專業(yè)方向上的研究能力和學(xué)習(xí)興趣方面至關(guān)重要。

將本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)，有利于加深學(xué)生對理論知識的認(rèn)識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決工程應(yīng)用問題的能力[4]。但是在課程教學(xué)過程中直接增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，勢必會在課程學(xué)時壓縮的情況下進(jìn)一步減少理論講授的學(xué)時，同時部分實(shí)驗(yàn)對操作者的專業(yè)性要求較高，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。針對上述問題，將實(shí)驗(yàn)視頻引入專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)過程，無疑是一種行之有效的解決方案。

一、課程介紹

“聲學(xué)基礎(chǔ)”是中國石油大學(xué)（北京）勘查技術(shù)與工程（測井）專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能了解和掌握聲學(xué)中最基本的概念、方法以及重要結(jié)論，為后續(xù)聲波測井等課程的學(xué)習(xí)和從事應(yīng)用地球物理工作打下聲學(xué)理論基礎(chǔ)。同時，“聲學(xué)基礎(chǔ)”作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課具有理論性較強(qiáng)的特點(diǎn)，為了加深學(xué)生在工程應(yīng)用中的綜合能力，需要通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)將理論與實(shí)踐結(jié)合起來。聲源的輻射特性是“聲學(xué)基礎(chǔ)”課程的重要組成部分。分析聲源的工作方式及輻射特性，有助于增強(qiáng)學(xué)生對聲波測井技術(shù)理論知識的理解，提升學(xué)生在實(shí)際工程應(yīng)用中分析解決問題的能力。

聲源的指向性是其性能評價最主要的指標(biāo)之一，直接影響聲波測井的測量效果，從而影響地層信息提取的準(zhǔn)確性和反演的可靠性。因此，在聲波測井儀器組裝之前，必須對聲源的指向性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測量。然而，指向性測量時存在實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、測量裝置數(shù)量有限、測量時間較長等問題，因而讓本科生直接動手完成實(shí)驗(yàn)有一定的困難。

二、指向性測量實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

（一）聲源的指向特性

聲源的指向性描述的是聲源在自由場內(nèi)輻射聲波時，在遠(yuǎn)場同一距離不同方向上輻射聲壓的分布情況，用指向性曲線來表示。指向性函數(shù)定義為：

（1）

其中，代表不同的方位角度，為聲壓幅值。

利用聲波測井技術(shù)測量地層波速時，常用偶極子聲源在充液井孔中激勵起彎曲波，在低頻條件下測量任意地層的橫波波速。此外，利用正交偶極子聲波測井技術(shù)也可以評價地層的各向異性[5]。偶極子聲源在聲波測井儀器中得到廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用也是聲波測井技術(shù)的一個重大技術(shù)突破。理論上，理想的偶極子聲源是由頻率相同、振動幅度相同、相位相反、相距很近且遠(yuǎn)小于波長的兩個點(diǎn)聲源組成的振動系統(tǒng)，其指向性函數(shù)為。

實(shí)驗(yàn)在滿足遠(yuǎn)場條件下，一般可采用兩種方法進(jìn)行指向性測量：（1）固定聲源，高精度定位系統(tǒng)控制水聽器繞聲源旋轉(zhuǎn)一周測量;（2）固定水聽器，高精度定位系統(tǒng)控制聲源在固定位置上自轉(zhuǎn)測量。提取不同方位角度上記錄波形的峰值，即可計(jì)算出聲源的指向性曲線。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置介紹

偶極子聲源指向性測量在中國石油大學(xué)（北京）聲波測井實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置主要包括激勵信號控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和高精度定位控制系統(tǒng)三部分，如圖1所示。

激勵信號控制系統(tǒng)包括直流高壓電源、激勵源以及聲源，產(chǎn)生激勵信號并控制聲源向空間中輻射聲場。直流高壓電源為激勵源供電，為了和現(xiàn)場應(yīng)用情況接近，對偶極子換能器施加的是激勵源產(chǎn)生的1500V的高壓脈沖，將高壓脈沖直接加載到發(fā)射換能器上，激勵聲源開始工作。

信號采集系統(tǒng)包含水聽器、多通道低噪聲程控放大器、多通道同步高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)接收波形的測量和記錄。當(dāng)多通道同步高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到來自計(jì)算機(jī)的采集命令和來自激勵源的同步信號時，開始采集水聽器的接收信號。水聽器接收到的模擬信號經(jīng)過多通道低噪聲程控放大器放大后，進(jìn)入多通道同步高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行存儲。

高精度定位控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的控制信號，可以使水聽器和聲源在三維空間上移動及自轉(zhuǎn)。

三、偶極子換能器指向性測量實(shí)驗(yàn)

錄制實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻前，先將可以在聲波測井儀器中應(yīng)用的三疊片偶極子換能器安裝在機(jī)械骨架上，組成偶極子聲源，套上橡膠皮套并注硅油對其進(jìn)行保護(hù)處理，以模擬測井時偶極子聲源的實(shí)際工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)當(dāng)注意對聲源的保護(hù)，扎緊橡膠皮囊以保證偶極子換能器在指向性測量時的密封性，避免橡膠皮囊進(jìn)水。

實(shí)驗(yàn)時，按照圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖連線并開啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備。根據(jù)水池的尺寸以及夾持著水聽器和聲源的兩個工作頭的初始位置，設(shè)計(jì)兩個工作頭測量時的空間坐標(biāo)，要求在指向性測量時既滿足遠(yuǎn)場條件，又能保持水聽器與聲源中心對齊。在計(jì)算機(jī)的控制軟件中輸入設(shè)定的坐標(biāo)，高精度定位系統(tǒng)依次移動夾持著水聽器和聲源的兩個工作頭從初始原點(diǎn)的位置到指定的位置。

測量時，在計(jì)算機(jī)的控制軟件中導(dǎo)入坐標(biāo)文件，定位控制系統(tǒng)即可控制聲源按照坐標(biāo)文件中的軌跡，在周向360°上以2°為跨度旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)都會控制激勵信號控制系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)激發(fā)與采集聲波信號。

圓周方向上測量到的時域波形如圖2所示，可以看出在0°和143°附近波形的相位正好相反且振幅最小，這正是反映了偶極子聲源一側(cè)膨脹時另一側(cè)收縮的工作特點(diǎn)。通過計(jì)算機(jī)內(nèi)置的處理程序計(jì)算波形幅度，得到歸一化指向性曲線，如圖3所示，可以看出實(shí)際測井儀器中使用的偶極子聲源指向性曲線與理想狀態(tài)下的倒八字形曲線有一些差異。實(shí)驗(yàn)測量的指向性曲線與理論的指向性曲線有差異，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測量使用的偶極聲源由兩片三疊片換能器組成，而理想情況的指向性理論計(jì)算是使用相距很近的兩個點(diǎn)聲源疊加得到的，但無論是實(shí)測還是理想的指向性曲線都能反映出偶極聲源指向性曲線具有的特征。

學(xué)生通過對實(shí)驗(yàn)室偶極子聲源指向性測量過程視頻的學(xué)習(xí)，掌握了實(shí)驗(yàn)室測量偶極子指向性的基本流程和方法，也能從測量波形中形象地理解偶極子聲源的工作方式，加深對理論知識的記憶。同時，通過觀察實(shí)際測量的指向性曲線，也能將理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，分析實(shí)際工程應(yīng)用時所使用的偶極子換能器的結(jié)構(gòu)對指向性曲線的影響，增強(qiáng)對換能器指向性方面專業(yè)知識的感性認(rèn)識。通過實(shí)驗(yàn)過程的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察和反思，在提高學(xué)生實(shí)踐能力的同時，也啟發(fā)了學(xué)生的思考;利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻的教學(xué)方式，可將換能器指向性這種抽象的概念進(jìn)行具化，使之更直觀、更容易被學(xué)生掌握，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

結(jié)語

在“聲學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)過程中，通過展示偶極子換能器的指向性測量視頻，學(xué)生能夠在較短時間內(nèi)掌握聲源指向性的實(shí)驗(yàn)測量方法，加深對指向性概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將實(shí)驗(yàn)視頻引進(jìn)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢。

1.解決專業(yè)基礎(chǔ)課中基本概念抽象、晦澀難懂的問題，加深學(xué)生對基本概念的理解，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下更加牢固的基礎(chǔ)。

2.了解所學(xué)知識在實(shí)際工作中的應(yīng)用情況，認(rèn)識到理論知識與實(shí)際應(yīng)用的共同點(diǎn)與差別。

3.在有限的教學(xué)學(xué)時條件下，增加學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的了解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，為以后的研究生學(xué)習(xí)及工作打好基礎(chǔ)。

4.在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入探討中，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，讓學(xué)生從被動學(xué)習(xí)知識轉(zhuǎn)變成對知識的主動探索。

5.拓寬學(xué)生知識學(xué)習(xí)的途徑，提高知識學(xué)習(xí)的廣度。

鑒于實(shí)驗(yàn)視頻教學(xué)的諸多好處，筆者及所在團(tuán)隊(duì)根據(jù)課程所學(xué)知識還錄制了巖石的縱、橫波聲速測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，并將其引入課程教學(xué)。后期還將開展換能器的導(dǎo)納性能測量等系列實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而形成一套適合“聲學(xué)基礎(chǔ)”課程的更加豐富、完善、高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻和教學(xué)方法。

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Abstract： With the reform of undergraduate education， how to cultivate students' interest in learning professional basic courses and enhance the related professional practice ability has become one of the contents of the teaching method practice of the Fundamentals of Acoustics course. In this paper， the measurement experiment for the directivity of dipole acoustic transmitter is taken as an example to introduce several experiments designed for the course of Fundamentals of Acoustics. These experiments are recorded into video and introduced into teaching practice so as to enrich the teaching content and ensure the teaching effect under the background of class hour compression. This method is helpful to deepen students' understanding of theoretical knowledge， cultivate students' interest in learning， improve students' practical ability of professional knowledge， as well as to promote teachers to form a better teaching system.

Key words： Fundamentals of Acoustics; teaching practice; experiment video