“地震勘探原理”课可视化教学方法探索与方案设计

[摘 要] 针对“地震勘探原理”课物理学概念抽象、数理结合紧密等特点，结合中国地质大学（北京）海洋学院教学实际提出了“地震勘探原理”课数字化、可视化教学方法的改进方案，将课程的可视化内容划分为演示性、课堂师生互动性及课后作业模拟仿真三个层级，给出了各层级的具体教学实施办法及课堂教学的具体组织与实施方案，并以合成地震记录为例说明了“地震勘探原理”课可视化教学的实施方法与过程。通过教改的实施可促使学生自己动手参与地震勘探原理的学习，增强抽象原理概念的可视化程度，培养学生应用计算机解决问题的能力，使学生从根本上掌握地震勘探方法，为解决实际问题奠定基础，切实提高课程的教学质量。

[关键词] 可视化教学方法;模拟仿真;地震勘探原理

[基金项目] 2020.1—2022.11中央高校基本科研业务费专项基金项目“基于4C-OBN的起伏海底地震弹性波逆时偏移”（2652019002）;2021.1—2023.12国家自然基金项目“起伏海底稀疏地震数据的矢量重构及成像算法研究”（42004091）

[作者简介] 刘晓博（1990—），女，山东莒县人，博士，中国地质大学（北京）海洋学院讲师，主要从事地球物理学科理论与教学研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）33-0101-04    [收稿日期] 2021-03-06

一、引言

“地震勘探原理”是地球物理学各专业的必修课之一，是以地震波传播理论为基础，记录人工激发地震波在岩石中的传播，通过记录的地震信号解释探查地下岩石构造和岩性参数，为寻找矿藏和油气服务的一种地球物理勘探方法[1，2]。该方法具有精度高、分辨率高、探测深度大等优势，已成为油气勘探、矿产普查和解决工程地质问题不可缺少的重要技术手段[1，2]。

地震勘探原理是集数学和物理知识于一体的学科，要求学生不仅有好的数学基础，还有较好的物理学理解能力及较强的图像想象力[2-5]。课程本身有大量的数学语言表述、较强的逻辑性推演和准确的物理含义，这些特点都增加了学生学习“地震勘探原理”这门课的难度，学生往往感到学习和理解较为困难，需要更形象化地展现来帮助学生理解和学好地震勘探原理的物理学属性[3-5]。课程同时涉及大量图像数字信号处理问题，这就要求学生掌握一些实际应用问题的可视化与数字化处理方法[5]，这也正是该课程所必须解决的实际教学问题之一，要特别注重对学生解决问题能力的培养，探索适合地震勘探原理的教学方法，实现“地震勘探原理”课与现代可视化数字教学手段的有效结合。

MATLAB语言结构简明，具有强大的计算与绘图功能，是近年来在国内外大学和研究机构中应用广泛的一种数值计算与图形处理软件[6]。它的特点是数值计算高效且图形功能完备，特别适合非专业的计算机编程人员完成日常数值计算、科学试验、图像生成等通用性任务的使用[6]。地震勘探原理的许多问题可以通过数值模拟计算将其图示化，使学生对课程有更为直观的认识，并且更好地理解其中的物理问题，提高学生的学习兴趣，鼓励学生参与实现问题的可视化，培养学生利用计算机解决地震勘探问题的能力，提高课程教学质量，为地球物理勘探培养高质量的人才。

二、“地震勘探原理”课的传统教学方式与现状

《地震勘探原理》自1950年翁文波院士在上海交通大学举办的地球物理探矿培训班（北京石油地质学校）讲授开始[2]，经过几代人几十年的努力，不论是在教学内容还是在教学方法上都取得了较大的进步，获得了较多的教学成果[2]。在20世纪五六十年代，受教学条件的限制，“地震勘探原理”课的教学沿用了传统的教学模式，即教师“一本教材，一只粉笔，一张嘴”;学生“一个本子，一只钢笔，两只耳朵”。这一时期主流教学模式是[2，3，5]：（1）讲解基本概念和地震勘探的主要原理与方法;（2）进行一定数学推演和具体图例展示相结合的教学方法。这一传统教学模式具有鲜明的优势：教师讲得细、重点突出，学生有思考时间、利于当堂消化学习内容。但也有其不可回避的缺点：形式单调且不利于最新研究成果的展示，不利于学生视野的开阔与挖掘。

从20世纪90年代开始，随着计算机技术的发展与普及，出现了PPT课件，教师逐步脱离了教案与粉笔。在近十几年，PPT课件授课已成为我国高校的主流[2，3]，也成为了“地震勘探原理”的主要授课形式;学生逐步变为课上听课、课下拷PPT，且很少记笔记。这种教学模式的优点是课堂容量大、图文并茂，能充分展示与补充最新的研究成果;缺点是学生无思考时间，内容难以当堂消化，教学效果有时不太理想。

在教学探索的过程中人们对PPT课件和传统板书教学模式进行了反思与总结，分析了两种教学方式的优劣，逐步提出了两种教学方法的融合模式。在坚持“地震勘探原理”课PPT课件模式的同时，倡导教师兼用板书教学，对重要公式的推演以板书形式组织教学，给学生留下了充足的思考空间，要求学生记笔记，坚持手脑并用;对难以理解及最新研究成果等内容通过PPT课件或动画等方式展现，加大课堂容量、丰富授課信息。这种模式汲取了PPT课件和传统板书模式的各自优势，教学效果得到了教师和学生的普遍认同，并被多数高校所采纳。

尽管“地震勘探原理”课的教学已进行了大量的教改与探索[2，3，5]，实现了多媒体教学与板书相结合，但目前仍停留在大量图像与文字的展示、数学推演上，至于图件是怎样生成的则少有涉及，学生不知道如何用数学方法实现勘探问题，这不利于学生的理解和解决问题能力的培养，仍属灌输型教学模式，同时未将现代计算技术应用于“地震勘探原理”的教学，尚无运行代码直接将问题可视化的课堂教学实验演示，学生没有参与代码编写并运行尝试的体验，但这又恰好是地震勘探原理需要教给学生的，是学生解决实际应用问题的必备本领，因此开展“地震勘探原理”可视化教改实验非常必要，既是提高地震勘探教学质量与水平的有效途径，又是培养高素质勘探人的迫切需求。