“地震勘探原理”教学优化设计与教学方法探索

宋先海

中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

教学方法

“地震勘探原理”教学优化设计与教学方法探索

宋先海

中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

“地震勘探原理”是中国地质大学（武汉）重要的地球物理专业必修课。本文针对该课程学时少、内容多、理论复杂、难度大和需要的知识面宽等特点，对该课程的教学内容和课程体系进行了合理地优化设计，并探索多种有效的教学方法密切配合，显著提高了教学质量。

地震勘探原理；教学内容；教学方法；教学质量

因地震勘探具有高精度、高分辨率和探测深度大的优点，所以与重力勘探、磁法勘探、电法勘探和测井勘探相比，地震勘探是最重要的一种地球物理勘探方法［1-2］。利用工程地震勘探方法，可以进行工程勘察（如大型建筑物、水坝、高速公路、铁路、海港等基岩测定和稳定性评价）；隧道勘测，桩基检测；空洞、断层、裂隙探测等；可以确定沉积矿藏储积带（如煤、岩盐、金属矿等）；可以寻找地下水资源、地热资源。利用石油地震勘探方法，可以寻找石油和天然气等能源，可为进一步开采石油、天然气提供井位，并进行油气远景评价［3-4］。中国地质大学（武汉）对地震勘探方法一直非常重视，尤其是近年来，由于油气资源、煤和矿产资源短缺，国家大型建设对工程勘察需求量的增加，需要更多优秀的地震勘探专门人才，为此，我校将地震勘探方法分为“地震勘探原理”（40学时）、“地震资料采集与处理”（56学时）和“地震勘探资料解释”（32学时）三门课。

地震勘探方法不仅涉及弹性力学、物理学、信号分析和地质学，而且也需要扎实的高等数学、复变函数、线性代数等多个交叉学科的知识，其工作方法包括野外资料采集、数据处理和数据解释三大环节。学生对“地震勘探原理”课程学习的好坏将直接影响其后续地震资料采集与处理和地震勘探资料解释的学习。为此，针对地震勘探原理学时少、内容多、理论复杂、难度大和需要的知识面宽等特点，迫切需要对地震勘探原理的教学内容、教学要求和学时分布进行合理地优化设计，并采用有效的教学方法密切配合提高教学质量，为社会提供地震勘探基础理论扎实、实际动手能力、分析问题和解决问题强的综合型人才。

一、课程教学内容优化设计

地震勘探是工程地震勘探和石油地震勘探的总称，其研究对象是地下的岩层介质。地震勘探就是利用人工震源通过炸药或锤击激发产生地震波（弹性波），在地面或井中不同位置用检波器和地震仪接收由弹性波引起的大地震动，由于地震波在地下不同介质中传播时，其传播路径、振动强度和波形特征等都将随所通过介质的弹性性质和几何形态的不同而变化，进而根据地震波传播理论对接收到的地震波信息进行分析处理，便可达到对地下介质结构和岩石性质进行推断解释的目的。人工地震勘探原理也完全适用于天然地震研究，只是震源形式不同而已。

针对地震勘探专业学生的专业需求、培养目标以及该课程的基本理论体系，安排一门称之为“地震勘探原理”的大学本科课程，教学学时40学时。由于学时少、内容多、范围宽、要求高，如何在有限的学时内尽快使学生掌握地震勘探基本理论与基本应用能力是该课程教学的一大难点，为此，必须合理设计和安排教学内容。

“地震勘探原理”课程的主要教学内容包括反射波法、折射波法和地震面波法。地震勘探按大类分主要有:纵波勘探、面波勘探、横波勘探、纵横波联合勘探（多波勘探）。由于纵波和面波相对横波容易激发和接收，且能量强，应用范围广，因此地震勘探原理课程的教学内容主要包括反射波法、折射波法、透射波法（井间地震层析成像和垂直地震剖面法）和地震面波法。教学内容既要包括这些地震勘探方法的基本理论，又要紧密结合油气、矿产资源勘探和工程勘探应用实际问题。为此，既要理清知识结构，删减过时的勘探方法与技术，又要补充当前最新的研究进展和重要应用实例分析。“地震勘探原理”优化后的教学内容、教学要求及学时分布如表1所示，表中不仅清楚地给出了精简的教学内容，并规定了“了解”、“理解”、“掌握”等不同层次的教学要求，这样在教学过程中既能抓住教学重点，提高教学效果，又能有的放矢，提高培养学生的实际应用能力。“了解”、“理解”、“掌握”的教学标准具体为:“了解”是指从具体事例中知道或举例说明对象（如地震概念、原理、定理、公式）的有关特征，并根据对象的特征，从具体情境中辨认或者举例说明对象。“理解”是指能描述对象的特征和由来，阐述此对象与相关对象之间的区别和联系。“掌握”是指在理解的基础上，把握对象的具体含义、分析其具体特征，并能把对象熟练运用于新的情境。

二、课程教学方法探索

表1 “地震勘探原理”优化后的教学内容、教学要求及学时分布

地震勘探是最重要，也是最复杂和最难理解的一门地球物理勘探方法。因此教学内容确定后，采用什么样的教学方法，能够把枯燥难懂的原理、复杂的公式和重要的地震波传播现象讲述清楚，又能培养学生的独立学习、独立思考和实际动手应用能力，是该门课程的一大挑战。为此，本课程采用了如下的教学方法，取得了良好的教学效果。

1.努力激发学生学习地震勘探的积极性

大学生还没有走入社会，不清楚学了地震勘探将来到底能有什么用，尤其是学好了后能否找到好工作，这是他们最关心的问题。因为无论是大学本科生直接就业，还是继续攻读硕士研究生、博士研究生，或是出国进修学习，最终的目标都是为了找一份好工作，养家糊口或为社会服务。为此，在上课之初即在绪论中，笔者就告诉学生学好地震勘探有何作用和如何学好地震勘探。例如笔者通过大量毕业生的工作去向，告诉他们学好地震勘探可以在全国重要高校和科研院所、全国各大油田、全国各地震局、全国各水电设计研究院、全国各交通设计研究院、全国各铁路设计研究院、全国各勘察设计研究院、全国各矿产资源研究院、全国各煤田研究院和全国各地质调查研究院等部门工作或继续深造，通过努力工作，他们的师兄和师姐们都取得了优异的工作成绩，坚定了学生学习地震勘探的积极性和意志。同时笔者也向学生展示了大量唐山大地震、汶川大地震等天然地震灾害照片，播放了5分钟左右《世界末日》中的天然地震灾害片段，极大增强了学生们努力学习地震勘探，从事天然地震预测预报，为社会公益事业服务的兴趣和热情。最后，通过教师的自我经历，以自己学习地震勘探的亲身经历、学习方法、取得的重要研究成果和就业工作，进一步鼓舞了学生学习该课程的信心和决心。

2.执行严格的课堂不良信誉记录制度

为了培养大学生的理论和实际应用能力，要注重学生的过程监控学习，其中上课出勤率和课堂纪律是首要前提。有些老师认为学生是否来上课，与自己无关，是学生自己的事情，但笔者认为作为一位负责的老师，应该规范和监督学生的上课信誉记录，因为学生是教学过程的积极参与者。有些学生自制力稍差，如果他是否来上课你不管，他可能就放任自流，成绩直线下降，形成恶性循环；如果对他进行一定的约束和监督，使其每次上课按时出勤，上课注意听讲，他就会慢慢养成良好的上课习惯，成绩就会慢慢提高，形成良性循环。

为此笔者将迟到、早退、旷课、课堂玩手机和接听电话等一律定义为不良课堂信誉记录（Bad Class Credit， BCC），并规定良好的课堂信誉记录满分为20分，即一个学生如果不出现BCC，他将会获得20分作为其按时上课的鼓励。若出现BCC将会进行扣分惩罚，计算方法为第一次出现BCC 扣2分，第二次扣4分，第三次扣6分，第四次扣8分，直至20分扣完为止。这样也可以使大学生慢慢在学习、工作和生活中建立起努力提高个人诚信和信誉的观念。为了节省课堂时间，每个班的学习委员在上课前都将各自班级的考勤名单交给教师，然后教师再进行随机抽查。通过建立此制度，该课程学生第二次上课以后都是100%出勤，无迟到、早退、旷课和课堂玩手机等不良现象，个别有事情的同学都提前请假，保证了上课出勤率和课堂纪律。

3.黑板板书和多媒体紧密结合

传统的黑板板书有利于公式推导和关键理论剖析，能使学生的注意力始终跟着老师的逻辑思维，有利于学生对重点、难点内容的有效掌握。但是其效率低，传授知识的信息量少，浪费时间。而多媒体教学可以形象生动地展示各种图像与音效，提供的信息量大，便于学生接收更多信息，但是不利于公式的推导，不利于学生精力的集中，不利于学生对重点、难点内容的掌握［5-6］。为此，笔者在进行地震勘探重要公式推导（如佐普里兹方程，折射波时距曲线方程）和关键的重点、难点内容（如第一菲涅尔带，地震波在分界面上的转换）讲授时，经常使用黑板板书进行分析。在地震记录、地震采集仪器、地震检波器和相关图件的展示时，笔者采用了多媒体；在地震波的反射、折射、透射和地震面波的形成机理等动态演示时，笔者也都采用了多媒体教学，这样不仅形象生动，富有感染力，能够激发学生兴趣，便于学生理解，而且也节省了老师在黑板上演绎的时间，有助于提高教学效果。

4.定期安排辅导答疑和听取学生意见

每个学生的学习能力、学习方法、掌握程度和个体性格都存在差异。授课教师要了解和研究学生，包括了解学生的身心发展和群体特点，了解学生个体的思想意识、兴趣爱好、知识水平、学习态度及方法、个性特点等。为此，笔者每周都定期安排一次辅导答疑并听取学生意见，这样既可以为有问题的同学进行答疑解惑，也可以经常与学生进行思想沟通交流，了解他们的学习掌握程度并听取他们的意见，可以与他们相互学习，以便不断提高教学效果。

5.通过案例教学密切联系实际

地震勘探是一门应用性很强，理论非常复杂的地球物理勘探方法，为了使学生能更好地理解地震勘探重要理论，并提高学生的实际应用能力，从表1中可以清楚看到，笔者在每章都设有一节实例分析。例如在第一章的实例分析中，笔者通过MATLAB程序利用多媒体动态演示了在四种常用的理想地震地质模型中纵波和横波的激发、传播和产生，进而将抽象、枯燥、难懂的纵横波动力学特征形象直观地展示出来。例如，纵波是弹性介质发生体积形变所产生的波动，表现为各质点间的膨胀与压缩，是一种胀缩力形成的波，质点位移的振动方向（极化方向）与波的传播方向一致；横波是弹性介质发生切变时所产生的波动，表现为各质点间的切向滑动，是一种旋转力形成的波，质点位移的振动方向与波的传播方向垂直。这样不仅使学生形象直观地了解了四种常用的理想地震地质模型（弹性介质和粘弹性介质模型，各向同性介质和各向异性介质模型，均匀介质、层状介质和连续介质模型，单相介质和双相介质模型）概念、特点、分类方法及适用条件，而且也很好地掌握了纵横波的形成机理、动力学特征和识别纵波和横波的能力，达到了预期教学要求，受到了学生的极大欢迎。

6.课堂上与学生积极互动

教师要树立正确的学生观，在教学过程中，学生不是塑造与控制的对象，而是具有主体性、独立性和探究性的学习者［7-8］。为了在课堂上发挥学生的积极性、主动性和创造性，促进学生主体性的发挥，笔者在每节课都设有6～10个问题供学生主动积极抢答，对一些非常重要的课后大作业，笔者还专门安排时间让学生们在课堂上积极相互讨论学习，然后由教师进行点评。

三、教学效果的检查

为了检查和保证教师“教”和学生“学”的效果，培养学生实际应变能力和动手能力，笔者通过口试作业、课后大作业和期末考试三种方式来检查教学效果。在第一节“绪论”和平时课堂教学中，笔者都把这种考核方式告诉学生，从而让学生有效地把握重要的概念、定理、原理和知识点等。

1.口试作业

在课程全部结束时，我们在一个黑匣子中放入400道与地震勘探原理密切相关的重要试题，每个试题写在一张纸条上。每位待口试学生在教室外等候，学生按各班级内事先排好的顺序依次单独进入口试考场，从黑箱子中随机抽取2道试题，现场直接回答，时间为1分钟，教师根据考生的回答情况在现场直接给分。例如，口试试题有:什么是大地滤波作用？ 四种常用的理想地震地质模型是什么？ 当炸药在岩层中爆炸后，一般会形成哪三个区域？什么是瑞雷波的频散现象？简述傅里叶正反变换的在地震勘探中的物理含义是什么？影响地震纵波速度的主要地质因素有哪些？通过这种考试形式，不仅能起到巩固和检查以前所学知识的目的，而且能培养学生语言表达能力、临场发挥能力以及与老师和他人沟通能力。因为学生将来在双向选择就业时不可避免地要与招聘人员进行一对一的面试，这样可提高学生将来就业的实际表达和应变能力，因此口试作业也具有很强的实用价值。

2.课后大作业

为了检查教学效果，更好地理解地震勘探重要理论和概念，培养学生们编程和实际动手能力。通常在每一章结束后笔者都要布置一次课后大作业。例如，在第三章地震波在分界面上的传播规律教学结束后，笔者布置的大作业如下:给定四组弹性介质模型，根据斯奈尔定律和佐普里兹方程用MATLAB编程分别计算四组弹性分界面能量系数随着纵波入射角和弹性参数变化的诺特曲线图，并对诺特曲线图特征进行分析。从学生提交的MATLAB程序、运行结果和特征分析来看，绝大部分同学都掌握了斯奈尔定律和佐普里兹方程的核心内容，对临界角时折射波的产生、广角反射、反射系数和透射系数的变化有了更深入的理解，同时锻炼了学生们的编程和实际动手能力。

3.期末考试

为了能够有效地考查地震勘探重要的知识点，有效了解学生的学习效果，同时考虑到成绩的差异性，笔者设置了不同的考试题型，主要有:名词解释（20分）、选择题（20分）、简答题（34分）、公式推导题（10分）和计算题（16分）。这种题型设计不仅能有效考核不同的知识点，检查学生们的分析能力，而且成绩的区分性好。如果仅仅是设置一些简答题，不仅老师阅卷时不好把握分数，主观性强，而且学生学习的掌握程度差异也无法准确反映出来。在2014年秋季学期两个班该科目考试成绩统计为:90分以上（优秀）31人，占46.27%；80～89分（良好）24人，占35.82%；70～79分（中等）8人，占11.94%；60～69分（及格）4人，占5.97%；不及格0人，占0.00%。该成绩的分布情况表明这种教学效果是良好的。

四、结束语

地震勘探在油气勘察、煤和矿产资源勘探和工程勘察等领域都是一种重要的地球物理勘探方法，其原理也适用于天然地震预测预报，地壳和地球内部结构研究等。学生们对“地震勘探原理”课程学习的好坏，直接影响到后续的“地震资料采集与处理”和“地震资料解释”课程的学习。为此，我们针对“地震勘探原理”课时少、内容多、难度大和范围宽的特点，对其教学内容、教学要求和学时分布进行了合理地优化设计，采用了6种有效的教学方法密切配合，显著提高了教学质量和教学效果。通过口试作业、课后大作业和期末考试，检查和评价了教学效果，进一步提高和改进了教学工作，最终实现了教学互动、教学相长。平时作业和期末考试结果表明，绝大部分学生都已较好地掌握了地震勘探的基本原理和基本理论，并已具备了一定的解决实际问题的能力。当然，社会是发展进步的，地震勘探教学也要与时俱进，今后要进一步探索和不断改进，使地震勘探能更受学生欢迎，进而使学生更好地为社会服务。

［1］ 姚姚.地震波场与地震勘探［M］.北京:地质出版社，2006.

［2］ 陆基孟，王永刚.地震勘探原理（第三版）［M］.东营:中国石油大学出版社， 2011.

［3］ 张胜业，潘玉玲.应用地球物理学原理［M］.武汉:中国地质大学出版社， 2006.

［4］ 宋先海，李端有，顾汉明.瑞雷波勘探理论及其应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［5］ 谭茂金，邹长春，徐敬领，等.地质—地球物理复合专业测井教学优化设计与探索［J］.中国地质教育，2013，（4）: 79-81.

［6］ 高正夏. “钻探与掘探”课程体系与教学方法研究［J］.中国地质教育，2013，（4）: 75-77.

［7］ 冷余生，解飞厚.高等教育学（修订版）［M］.武汉:湖北人民出版社，2011.

［8］ 刘华山，程刚，刘启珍，等.高等教育心里学［M］. 武汉:湖北人民出版社，2011.

seismic exploration principle； curriculum contents； teaching methods； teaching quality

G642

A

1006-9372 （2015）02-0040-05

2015-01-11。

宋先海，男，副教授，主要从事地震勘探理论、地震资料处理和解释等方面的教学和科研工作。

投稿网址: www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱:bjb3162@cugb.edu.cn

引用格式:宋先海.“地震勘探原理”教学优化设计与教学方法探索［J］.中国地质教育，2015，24（2）:40-44.

Title: Optimized Design and Teaching Methods for Seismic Exploration Principle

Authors: SONG Xian-hai