“地磁学”课程实践教

杜劲松+李媛媛+陈超+唐启家

摘要：新时期的“地磁学”课程对实践教学环节提出了更高的要求。本文首先指出了新时期“地磁学”课程的学科特征与培养要求，然后介绍了我校固体地球物理专业大学本科专业主干课“地磁学”的实践教学历史与发展趋势，最后提出并且讨论了“地磁学”课程五个层次的实践教学方案。“地磁学”课程涵盖面较广，实践教学需要不断探索，逐步发展与完善。

关键词：固体地球物理学；“地磁学”；实践教学；大学本科；专业主干课

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）08-0112-0

一、引言

地磁学是固体地球物理学的一个分支，是研究地球磁场的时间变化、空间结构、起源及其规律与应用的学科。该学科诞生于中国古代司南、指南针的发明和测向的应用，具有鲜明的实用性色彩[1]；在国家与社会发展广泛需求的强力驱动之下，现代地磁学正在以前所未有的速度快速发展。尤其是随着电子与信息技术、计算机技术的发展以及空间与海洋探测能力的提高，地磁学越来越明显地发展成为一门以仪器研发、观测与监测（高精度、高分辨率、高时—空覆盖）为主要支撑条件的“硬科学”。现代地磁学的教学与培养内容既要涉及具有工科属性的观测仪器与观测系统、观测方法与技术、数据分析与处理方法等方面的专业技能，也要具有理科属性的理论研究、归纳推演、揭示现象本质与规律、建模与预测等方面的科研能力，还要与空间物理学、气象学、地质学、大地测量与地球动力学等多门学科高度交叉与融合。党的十六届五中全会提出了建设创新型国家的战略思想。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》与《关于全面提高高等教育质量的若干意见》等均对高等教育创新性教学方法、大学生创新能力培养等方面提出了更高的要求。除专业理论与技能以及德、智、体、美、劳五个方面之外，还需要具备探索精神与创新思维和能力、丰富的实践经验与团队合作意识以及解决实际问题的综合能力等。综上所述，现代地磁学对该领域专业人才的培养提出了更高的标准。实践教学作为本科教学的关键环节之一，可以深入与系统化学生的理论知识与结构体系，培养理论联系实际与解决实际问题的专业素养与能力。因此，结合笔者参与实践教学的经历与经验，以及该门课程以往授课教师提出的建议，本文针对新时期的“地磁学”课程特征，就中国地质大学（武汉）固体地球物理专业大学本科生课程“地磁学”的实践教学方面，提出比较系统的方案设计。

二、中国地质大学（武汉）“地磁学”课程与实践教学背景

中国地质大学（武汉）自2004年开始设置“地磁学”课程，主要授课对象是地球物理與空间信息学院地质与地球物理实验班以及李四光学院地球物理学班的大学本科生，教学内容涵盖地磁场测量方法与技术、现代与古地磁场的空间结构及其时变特征、地磁场的场源与物理规律、古地磁学、岩石磁学、环境磁学与生物磁学等，在空间物理以及海洋与地球内部等科学研究、日常生活、军事与国防、通信、定位与导航、资源探测、环境与气候变化监测、工程勘察、考古学、自然灾害研究等方面得到广泛地应用。因此，“地磁学”涉及面较宽，实践教学难度也较大。以往的“地磁学”实践教学，2007年、2009年至2015年均在中国地质大学秦皇岛实习基地进行（注：2008年在秭归县泗溪风景区进行了新址试验），实习内容为磁法勘探[2]，与应用地球物理专业的实习内容完全一样。虽然磁法勘探也属于地磁学的应用范畴，但是对于固体地球物理专业而言，更倾向于研究地球科学乃至拓展与延伸的行星科学问题。由于本校“地磁学”授课对象是固体地球物理专业的大学本科生，考虑到固体地球物理专业与应用地球物理专业培养目标的不同，2015年固体地球物理系提出单独进行固体地球物理专业实习，并于同年底在秦皇岛进行了重新选址与地球物理试探。2016年在新址上，固体地球物理系进行了单独的重力学、地磁学、地电学、地震学教学实习。实践证明，新址实习取得了较好的效果。但是，地磁学专业实习依然存在许多需要改进的地方，并且只进行秦皇岛教学实习，对于涵盖面较广的“地磁学”实践教学而言，显然是远远不够的。

三、中国地质大学（武汉）“地磁学”实践教学的方案设计

针对教学内容与培养目标，实践教学应该具备层次性[3]。不同层次的实践教学应该具备不同的目标与内容、形式与执行方案、教师与学生的角色与作用以及考核方式等。根据新时期“地磁学”的学科特征与发展趋势，建议我校的“地磁学”实践教学从如下五个层次开展：

1.参观与认识实习。该实习的主要内容是参观与认识仪器设备、实验室、科学观测设施等，了解地磁学相关的仪器设备、国内外重要实验室与科学观测设施，以及相关仪器设备的发展与应用，主要目标是了解专业的国内外发展历史与前沿，从而拓展学生视野、提升学生对地磁学研究的敬仰、培养学生的专业兴趣以及国家与社会发展对地磁学提出新要求的时代责任感。具体形式可以结合实际情况多样化，例如室内多媒体展示、参观校内、兄弟高校与周边科研院所的相关仪器设备与实验室，也可以组织参观国家相关科学观测设施（例如武汉地磁台以及位于武汉大地测量国家野外科学观测研究站）。但是，该层次应以室内结合多媒体讲授为主，参观为辅。教师应该发挥主体角色，尽量收集与整理相关资料，授课应该具有条理、形象生动、引人入胜。在此层次上，学生并非完全被动听课，可以讨论对地磁学的新认识，鼓励学生根据感兴趣的知识点查阅与追踪文献资料，对仪器设备或某一应用领域形成更全面与更深入的认识等。可以根据课程认识小报告，对学生是否达到教学目标进行评估。

2.仪器操作实习。随着科学技术的快速发展，地磁学的相关仪器设备越来越趋于自动化、网络化、操作简单化。因此，很多学生与社会人员均认为仪器操作很简单，不需要学习或粗略阅读操作说明书即可。事实上，学生不仅需要理解仪器的工作原理与操作方法及步骤，还需要了解仪器的测试、保养与维护、运输方法、常规故障与应对措施等。更为重要的是，学生需要养成科学、规范的仪器操作素养，以及结合工作原理与相关理论知识掌握如何在野外获取高质量的观测数据。该阶段的实习形式为教师操作示范与注意事项说明、学生轮流操作，前提是事先在室内课堂上进行了仪器工作原理、系统结构等详细讲解。具体考核形式可以为是否正确与规范地操作仪器以及相关注意事项等方面的问答考核。

3.资料整理、处理与解释实习。该层次的实践教学目的主要在于三个方面：（1）让学生对野外观测资料形成一定的认识，促使学生掌握资料整理步骤以及数据处理与解释的方法与技术，使得学生能够结合研究目标与实际条件合理地挑选并且正确地应用数据处理与解释的方法与技术，而且能够得到可靠的结果及其误差评价。（2）很多相关的观测数据与模型数据均可以在网络上进行下载，培养学生对数据重要性的认识以及获取数据的能力。（3）该层次要求学生撰写课程报告，因此也需要培养学生如何规范与美观地绘图与制表、如何思路清晰与格式规范地撰写报告、如何科学地引用参考文献等。

具体的资料来源可以是某个已经研究成熟的生产或科研项目或网络上下载的实测数据，也可以是通过正演合成的数据。考核形式主要依赖于课程报告，评价标准包括专业知识的掌握、报告的格式与规范性等。在该层次，学生是主角，教师只需布置任务与目标、分发数据以及评阅报告。

4.基于校内试验场的综合性实习。前三种层次的实践教学属于课程阶段性实习，而本层次实习具有综合性以及模拟野外工作的两个特征。我校于2015年埋设了低阻高磁的金属油罐，其埋深、地面位置、几何形态与尺寸及其磁性参数均为已知，可以作为试验场地。在此环节中，教师只需介绍任务与目的，仅发挥引导与监督作用；在了解任务与目的之后，学生自行分组，每组独立进行方法设计（例如：总场测量、总场差分梯度测量、三分量测量及其差分梯度测量等）、施工设计（例如：测线或测网方位、观测高度、点距与线距、校正点与日变站的选取与观测以及测地工作与点位标记等）、任务分工、仪器检查、资料采集与整理、数据处理与解释等全流程的系列工作，并且每个人单独完成工作报告、以小组为单位进行幻灯片展示与口头报告。该层次实习一方面在于培养与检验学生所学的课堂知识，另一方面在于培养学生的分工协作与统筹管理能力、学生之间的交流与沟通、幻灯片展示与口头报告的语言表达能力。该层面的综合性实习还可以为大学三年级时的野外专业实习做铺垫与准备。

5.野外专业实习。野外专业实习相比于室内与校内的实践教学，野外专业实习的主要特征在于“野外”，即探测的目标地质体未知、自然条件与社会关系复杂、野外工作突发情况较多、工作难度增大。在野外进行专业实习，除深化理论知识、培养专业技能与利用所学知识解决实际问题的能力之外，还具有以下八个方面的优势：（1）可以调动学生积极性与探索未知问题的激情，容易培养学生的成就感，还可以培养学生与学生之间、学生与老师之间的友谊，可谓“快乐实习”。（2）可以培养学生的组织与协调及管理能力，养成团队合作意识。（3）促使学生形成野外工作的人身与仪器安全意识、环保意识、与工区的社会及人际关系协调意识、公共设施与农田庄稼的保护意识。（4）养成每天查阅天气与空间活动性、野外实时记录、收集当天数据并且检查数据质量的良好习惯。（5）可以培养学生解决各种突发情况的能力。（6）使得学生学会如何在工作经费、效率与质量之间取得平衡。（7）使得学生积累野外工作专业技巧与质量保障措施等宝贵经验。（8）培养学生在项目设计前收集资料、了解工区的地球物理场与地质背景以及岩石物性、地形地貌、人文、交通與气候等的意识。在野外专业实习中，教师应该发挥引导、监督、指正与考核作用。在指正错误与传授经验与技巧时，引导学生独立思考其原因。学生在野外专业实习中应该发挥主体角色，应该全程参与野外工作，包括预算及经费管理与使用以及在任务明确之后的收集资料、踏勘、方法选择、测点与测线或测网布设、测地与磁测的基点或基点网与日变站布设、岩石物性采样路线与点位的选取、仪器设备的清点与测试以及出工准备、任务安排并且责任到人、野外出工与收工的交通安排、野外正式施工及人员联络、野外资料及时收集与实时检查、资料整理、数据处理与解释、报告编写与汇报等。工作任务是某一区域地质问题（如断裂、岩体、盆地与盆山边界等）、地磁场空间分布及其时间变化规律的调查等。在具体的实施中，为了最大限度地发挥野外实习的作用，可以采用以下五个措施：（1）打乱原班级建制。（2）按人数分大组，设立大组长与几个副组长，按组轮流进行野外实习。（3）每个大组按照任务分工设立小组长，任务与安全责任到人。（4）尽量保证每个人均有明确的任务，针对人数工作方法也可以灵活多变。（5）鼓励学生思考，在任务结束后，应该组织学生讨论、总结成功和失败的经验，并且进行分组报告。考核应该根据专业实习综合表现而不单纯拘泥于书面报告。

四、结论

地磁学从诞生至今一直具有较强的实用性，兼备工科与理科性质，在社会发展强烈需求以及国家大力推进创新性人才培养的背景之下，新时期的“地磁学”课程更应该加强实践教学环节。实践教学应该具有层次性，每个层次在培养目标方面应该具有侧重点，教师与学生的角色也应不同，考核方式也应该趋于综合性评价；实践教学的形式可以多样化与灵活化，但是目标必须紧密围绕学生专业知识、技能与综合素质及能力的培养；地磁学涵盖面较广，实践教学不可能面面俱到，但是在尽量拓宽实践内容的同时，需要结合学校与学院的特色与条件，做好某种或某几种实践教学，相信学生在学习方法、野外工作思路、利用所学知识解决实际问题的能力与综合素质方面是可以融会贯通的。

参考文献：

[1]徐文耀.地磁学发展史的启示[J].自然杂志，2006，28（6）：349-352.

[2]王传雷.地球物理学北戴河实践教学指导书[M].武汉：中国地质大学出版社，2013.

[3]李培根，许晓东，陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究，2012，（3）：1-6.3