一流課程建設背景下勘探地震學課程教學改革探索與實踐

李鵬 劉財 劉洋 王典 徐馳

摘? 要：高等教育是支撐、推動和引領國家現代化發展的重要力量，課程建設是高等教育發展的源泉，在以落實立德樹人為根本任務，全面開展一流本科課程建設的背景下，開展教育教學改革是優化課程的重要驅動力。勘探地震學課程，從分析傳統教學的局限性出發，提出“一引領，三結合，主體性，一體化”的教學改革理念，建設優質豐富的課程資源，實施“四維、六化、全程性評價”的創新改革舉措，進行系統的教學模式改革，打造優質課程，培養復合型、高素質、創新性專門人才。該文為相關專業課程進行教學改革提供參考，對進行高質量課程建設具有一定的指導意義。

關鍵詞：一流課程；勘探地震學；教學改革；課程思政；虛擬仿真；開源、模塊化；類比教學法

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）09-0026-04

Abstract： Higher education is an important motivation that supports， promotes and leads the China's development of modernization. Curriculum construction is the source of higher education development. Under the background of carrying out first-class undergraduate curriculum construction with the implementation of moral education as the fundamental task， conducting education and teaching reform is an important driving force for curriculum optimization. This paper starts from analyzing the limitations of traditional teaching of Exploration Seismology ， proposes the teaching reform concept of "One Guidance， Three Combinations， Subjectivity， and Integration"， builds high quality and abundant curriculum resources， implements the innovative reform measures of "Four-Dimensional， Six-Standardized， and Whole-course Evaluation"， enforces systematic exploration of teaching mode reform， and creates high-quality courses， in order to cultivate compound， high-quality， innovative professionals. This paper provides a reference to the teaching reform of relevant professional courses and has certain guiding significance for the construction of high-quality courses.

Keywords： first-class curriculum; Exploration Seismology; teaching reform; curriculum ideology and politics; virtual simulation; open source and modular; analogical teaching method

高等教育培養的是具有社會責任感、創新精神和實踐能力的高級專門人才。一流大學需要一流的本科專業支撐，一流專業要有一流的課程支撐，課程建設是高等教育發展的源泉，課堂教學是本科教育最基本的構成單元[1]。教育部于2019年10月印發了《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），以落實立德樹人，深入挖掘課程中蘊含的思政元素，建設適應新時代要求的一流本科課程為指導思想，從而形成多類型、多樣化的教學內容與課程體系，從課程這一人才培養的核心要素入手，提高人才培養質量[2]。

勘探地震學是通過人工方法激發地震波，研究地震波在地層中傳播的情況，以查明地下的地質構造為尋找油氣田或其他勘探目的服務的一種物理勘探方法[3]。該課程是地球物理學類專業本科生的學科基礎必修課程，也是地質類、能源類專業的核心課程，吉林大學勘探地震學課程，一直以來積極開展授課內容梳理和教學改革，在“研、嚴、妍”人才培養理念的指導下[4]，發展以理學科學研究為核心，理工相結合的課程模式。吉林大學勘探地震學獲批首批國家級線下一流本科課程（2020），吉林省課程思政示范課程（2021）；課程配套的虛擬仿真實驗“地震波動理論實驗”與“地震勘探野外采集實驗”獲批國家虛擬仿真實驗教學一流課程（2021、2023）。

一? 勘探地震學傳統課堂教學的局限性

教學團隊基于多年的教學實踐、定期的教學研討，通過教學反思和學情分析，發現課程傳統教學的局限性如下。

以往專業課程教學主要將關注點聚焦在培養學生的學科理論知識及專業方法技能，對正確的情感價值觀育人重視不足。價值引領或是生硬，或是思政元素浮于表面。

課程預備知識包括數學、物理、數理方程、場論和計算機編程等眾多學科，知識結構復雜[5]；作為專業核心課程，涵蓋波動理論、采集、處理和解譯四大部分內容，包含大量的數學公式推導、物理模型構建。特別是波動理論、波動現象部分，傳統的教師“理論灌輸”式授課、學生“腦補想象”式學習，抽象、晦澀，降低了學生的學習興趣。

傳統課堂的數據采集部分教學，主要是儀器設備介紹、觀測系統設計、野外工作圖片展示等。野外采集生產性實習由于安全、成本、工期等問題高校教學難以實現；教學性實習要在所有專業課學習完成之后的大三暑期進行，實操即時性不強，會有“紙上談兵”之感。

地震數據較為復雜，對處理結果質量要求較高，涉及的處理環節較多，環環相扣；對于本科大三學生，編程掌握程度有限，逐步逐項完成編程計算需要消耗大量時間，可行性和完成度均不理想。

本課程是對公共課和專業基礎課的綜合運用，以往采用“教師講、學生聽”的教師主導模式，如何調動學生的積極性，激發學生的學習動力，提升學生的主體地位，急需解決。

一般課程采用“平時成績+期末考試”的簡單評價體系，且為了實現考試答案標準化，題型較為單調，而平時成績僅考核出勤及作業的質量，難以全面衡量真實學習效果。

二? 教學改革理念

遵循以“三全育人”為目標，以“立德樹人”為根本任務，堅守以學生為中心的理念，堅持以本為本的原則，教學團隊提出“一引領，三結合，主體性，一體化”的教學改革理念，即：“傳承黃大年精神，弘揚科學家精神”的價值引領，“以理強工、以工促理、理工結合”的專業特色課程內容體系，虛擬仿真技術支撐的“虛實結合”教學環境，“科研反哺教學，科研教學有效結合”的前沿性教學內容，“提升學生主體性，學習主動化”的教學氛圍，“理論-實訓實驗-實踐一體化”的系統教學思維。在課程思政育人引領下，形成全過程、立體、多樣化的系統教學模式，塑造具有高階性、創新性、挑戰度的新型課堂，為國家培養地球物理學領域有理想的復合型、高素質、創新性專門人才。

三? 課程資源建設

針對不同內容環節，挖掘、提煉思政元素，根據課程“理工結合”特性、地學專業行業特點，圍繞“黃大年精神”，利用豐厚的吉林大學“三源色”精神底蘊，建立課程思政元素庫，形成了“理論課堂-實訓實驗-實踐實習”的課程思政一體化。

依托國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺，基于地震波動力學原理建立地震波動理論虛擬仿真實驗，基于地震數據野外采集工作原理建立地震勘探野外采集實驗，將乏味的理論講解轉化為學生主動探索、即時實操學習。

積極開展常規數據處理方法的案例庫（如預測反濾波、偏移等）、基于科研項目的資料庫（如中值類濾波等）和基于大創活動的學生成果庫（如壓縮感知去噪、層位追蹤解釋等）等資料庫建設，有效提升學生學習主動性。同時數據處理算法編程部分，除理論授課外，采用課題組參與建設的國際知名開源地球物理軟件——Madagascar，為學生提供開源、模塊化數據處理實驗實訓平臺。

課程內容主要分為原理部分與數據處理兩大部分，涉及采集、處理、解釋三大環節，基于數學、物理、地學等多學科交叉融合，概念定理多、公式方程復雜，理解難度大。基于知識遷移理論，采用類比化教學法，總結不同的類比方式，建立勘探地震學教學內容類比知識點庫，改善學生學習效果。

四? 勘探地震學課程教學改革探索

（一）? 教學改革思路

針對傳統教學的局限性，課程從教學目標角度，提升課程思政育人；從教學內容角度，以虛擬仿真實驗為支撐，虛實結合，以Madagascar平臺為支撐，進行開源編程訓練，達成理論-實訓實驗-實踐一體化；從教學方法角度，改善“教-學”模式，實施科學問題引導、類比化授課；從考核評價角度，突破傳統，進行全程化形成性考核。實現“四維”（教學目標、教學內容、教學方法和教學評價）、“六化”（課程思政共情化、抽象理論可視化、采集過程動態化、處理流程開源模塊化、科學問題導向化和知識內容類比化）、“全程性評價”的全過程、立體、多樣化、系統的教學模式改革。

（二）? 創新改革措施與實踐

1? 課程思政共情化

通過分析新時代大學生的思想、性格特點，改變傳統思政教育“背書”“講道理”的生硬模式，開展了“如鹽入水”“潤物細無聲”的課程思政教學，營造一個具有堅韌的價值觀、積極的人生觀、正確的世界觀的課堂氛圍。特別從身邊人、身邊事出發，結合專業需求、知識背景，使學生共情，主動樹立個人志向與報國理想。著名的地球物理學家黃大年老師，生前就工作在吉林大學地球物理學專業教研室，他秉持科技報國理想，為我國教育科研事業作出了突出貢獻。將課程中涉及的油氣資源勘探、深部勘探等方面內容，結合黃老師相關科研項目，實施案例教學，即達成了科研反哺教學，教學與科研結合；又實現了課程思政育人，傳承黃大年精神、弘揚科學家精神。課內外充分利用線下黃大年紀念室，線上黃大年紀念館數字展館、黃大年茶思屋以及虛擬仿真實驗中心、虛擬仿真實驗網絡平臺等，進行“沉浸式”課程思政，使學生親身感受黃大年精神，身臨其境體驗虛擬仿真先進方法技術，融合吉林大學“紅白黃”三源色精神，培養學生的職業理想、家國情懷。

根據地球物理學專業特色，挖掘“理工結合”的課程思政元素。理學，結合地震學研究地球內部構造、動力學波動方程推導等內容，注重科學思維方法的訓練，引導學生探索未知、追求真理；工學，結合反射波法勘探資源、折射波法解決工程問題、地震數據解釋工作等內容，注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生立志破解地球物理學領域的“卡脖子”問題。作為石油技術類課程，課程內容科技含量高，涉及學科知識多，服務的社會面寬，讓學生感覺到學習本專業和課程的榮譽感和自豪感。

2? 抽象理論可視化、采集過程動態化、處理流程開源模塊化

抽象理論可視化。原理部分傳統授課，主要針對地震波的傳播規律，探討地震波的動力學、運動學特征。方程的推導、波場的表征，是純理論的數學內涵、物理機制的推演和分析，對大地濾波作用下地震波傳播過程，只有定性描述，缺乏形象直觀的認識。以往的多媒體資料，也只對應某一種介質、某一種地質模型，學生只是被動“接受”。隨著互聯網技術、計算機技術的發展，虛擬仿真技術逐漸滲透到教育領域。虛擬仿真教學是在計算機上搭建虛擬實驗環境，實現真實實驗過程的重現。為了讓學生更直觀地理解地震波動現象與地震勘探技術，揭示復雜波動理論的物理含義，在考慮背斜、斷層等典型地下地質構造以及非彈性各向異性等巖石物性特征的基礎上，利用虛擬仿真技術模擬地震波在復雜地下介質中的傳播過程，打開理解波動理論物理定理定律的“黑匣子”，讓學生觀察體會、解釋分析模擬的地震合成記錄、波場快照，獲得對波動理論的形象化認識。通過交互操作，使學生主動、可視化地探究不同地質模型、不同介質參數條件下各種波場的動力學、運動學規律，增加了課程內容的高階性，提高學生的學習興趣，增強學習效果。

采集過程動態化。野外數據采集部分傳統授課，主要是從理論上講授觀測系統，對野外儀器設備（震源、檢波器等）、野外工作方法進行介紹和展示。且課堂學習在本學年第一學期9月，由于場地、時間、整體地球物理系實踐教學安排等客觀因素的限制，教學性實習實操需要在第二學期結束的暑期7月才能進行，數據采集即時實操難以達成；同時野外采集的生產性實習具有高風險、高成本、工期長和不可逆等特點，對于高校教學，在野外進行真正的陸地地震勘探和海洋地震勘探數據采集實習的可行性較低。課程內容設計了野外采集虛擬仿真實驗，基于虛擬仿真技術建立了陸地地震勘探和海洋地震勘探野外數據采集過程，從陸地炸藥埋置與激發到數據采集；從海洋空氣槍激發到拖纜的釋放與數據采集；從震源及檢波器的工作原理到觀測系統的設計，提供了完整的設計、交互操作訓練，實現了采集過程動態化。即時地建立了從理論到實訓實操的聯系，修復了從理論到現場實踐的“掉線”現象，增加了課程內容的創新性。

處理流程開源、模塊化。勘探地震學數據處理，主要是對地震野外采集的原始數據，進行各環節相應的數字處理，提高信噪比、分辨率和保真度，并對地下構造和地質體成像，便于進行地質解釋。傳統授課，只是對各種處理方法原理的推導和處理效果展示。即使進行編程實現，一般也是采用C語言或者MATLAB。一方面由于數據處理過程較為復雜，本科大三學生，編程掌握程度有限，實現難度較大；另一方面，地震數據處理環節較多、環環相扣，若逐步逐項編程實現，需消耗大量時間，其可行性和完成度都不理想。以往一般是只選擇處理流程中的某一個問題，布置編程作業，不利于學生對整個數據處理流程的系統性完整認識。課程采用國際知名開源地球物理軟件——Madagascar為數據處理編程訓練平臺，其先驗性強、模型種類多、數據充足，更重要的是代碼開源、處理模塊豐富。處理流程的開源、模塊化，提升了數據處理部分學習的探究性，學生積極性高，授課方式也從教師主導過渡到教師協助。達成了對速度分析、校正、疊加、濾波、反濾波和偏移等各個環節的系統性、完整性數據處理編程訓練，優化了課程內容的挑戰度，同時提高了處理全流程實現的可行性。

3? 科學問題導向化、知識內容類比化

科學問題導向化。SCIENCE雜志創刊125周年之際，公布了125個最具挑戰性的科學問題。在這一背景的驅動下，基于本課程的章節內容，總結提煉出“勘探地震學”的科學問題（如地震波傳播過程中能量如何變化？地震波的傳播路徑如何確定等），圍繞相應的科學問題，結合PBL教學方法，指導學生對相應知識點搜集資料、開展調研，進行研討式學習。引導學生界定問題、分析問題、解決問題，教師只起到參與討論、協助思考、引導制定方案的作用。在科學問題為導向的學習背景下，經過探究性、主動式學習，充分使學生深度認識勘探地震學的科學內涵，調動學生的積極性與求知欲，改變教師“灌輸式”“填鴨式”的教學模式。

知識內容類比化。勘探地震學是一門基礎理論與應用技術相結合的專業課程。知識結構的復雜性以及較強的專業性，增加了學習的理解難度，降低學習興趣。類比教學法是建立兩類具有相似屬性事物之間聯系的推理方法。運用類比法，有效幫助學生改變心理模式和思維模式，提高對專業內涵的理解，培養學生的知識遷移能力，提高學習興趣。對不同的知識點，采用不同的類比方式：舊知識類比，例如將地震波的傳播中的反射、透射、折射與光學傳播中的反射、折射、全反射類比；自然現象類比，例如將地震波傳播的動力學、運動學特征與水波、聲波傳播規律類比；生活、科普常識類比，例如將波導效應與光纖寬帶類比，將地震數據的預測濾波問題與天氣預報類比；不同學科類比，例如將地震成像與醫學CT技術類比。通過類比教學，幫助學生貫通知識間的聯系，形成系統的知識體系，逐步構建良好的認知結構。降低了理論的抽象性，提升了學習的趣味性；降低了理解難度，提升了學習效率；減少了被動性接受，增加了主動性思考。

4? 形成性考核，課程評定全程化

課程評定方式的設定以提升學生能力為中心，以形成性考核評價體系為手段，打破傳統固有模式，注重考核學生多方面、多環節的全過程課程學習內容掌握程度。一方面對期末考試試卷題型進行擴充和調整，增加綜合分析等高階性題型的比重，更好考察學生對知識和能力目標的達成情況；另一方面引入分組討論等七大形成性評價板塊，使學生更加注重日常能力的提高和知識的遞進。最終成績=學生分組討論×5%+文獻閱讀及報告×5%+研究型任務×10%+虛擬仿真實驗×10%+施工方案設計×5%+處理流程設計×10%+信息解譯任務×5%+期末閉卷考試成績×50%。增加了課程環節的豐富度，培養學生學習的計劃性與主動性。

五? 結束語

教育的宗旨是要培養高質量專門人才，培養高質量專門人才需要一流的高等教育，一流的高等教育的核心需要一流的、持續發展的課堂教學做支撐。在一流課程建設的背景下，吉林大學勘探地震學教學團隊，基于科學的教學理念、優質的教學平臺、先進的技術手段，經過多年持續不斷的完善，打造了豐富的線下、線上、課內及課外課程資源。以課程思政育人為綱，以“兩性一度”為目標，以虛擬仿真技術為支撐，以學生為中心，根據新時代大學生的思維特性，進行了全過程、立體、多樣化和系統的教學模式改革，打造“金課”課堂。今后仍要不斷研究、探索、實踐，開拓創新，進一步發展數字教育，當好學生成長的引路人[6-10]，培養能擔當中華民族偉大復興重任的一代新人。

參考文獻：

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