新工科建设视域下地球物理实践教学改革新探

贺艳晓，袁三一，唐跟阳，董春晖，王尚旭

（中国石油大学〔北京〕 地球物理学院，北京 102249）

为主动应对新一轮信息技术与产业转型变革，国家实施了创新驱动发展战略。教育部于2017年2月发布《教育部高等教育司关于建设新工科教育与实践的通知》，新工科建设正在从思想行动走向实践行动，已形成了“复旦共识”“天大行动”等［1-3］。在国家各行业深入开展创新驱动发展的大背景下，新工科建设是一次堪比全周期、全方位的高等工程教育体制改革与人才培养格局的尝试，是对高校人才培养新理念的探索与实践，也是适应新技术、新产业、新动态、新经济发展的必然选择［4-8］。

在当前新形势下，如何培养大批适应新时代和社会发展要求的高素质工程技术专业人才，对于我国经济社会良性发展和科技进步极为重要，也是高等工程教育研究的一个基本内容［9］。我国现有工程技术人员数量常年位居全球第一位，已成为名副其实的工程人才培育大国。但我国工程技术人才在总人口中占比显著低于发达国家水平，且高端人才十分稀缺，因而，导致现有的高等教育质量与我国“新型工业化道路”建设要求仍存在较大差距［10-11］。在新工科建设背景下，不仅需要地球物理专业学生具备扎实的理论知识体系，也要坚持以优化实践课程体系教学为目标。近年来，北京某石油高校以本科生生产实践教育为突破口，不断落实相应举措，充分利用并发挥自身专业优势，形成了自己的实践教学特色模式，推动了该校地球物理专业改造升级，践行了教育强国的基本要求，并取得了初步成效。

一、地球物理专业工程实践教学模式构建

（一）工程实践教学的现实意义

随着普通高校综合改革的深入开展，我校对于创新型卓越工程科技人才培养也提出了更高要求，明确了培养一流地球物理勘探工程技术人才的目标。野外工程实践是地球物理专业人才培养过程中一个重要的教学环节，对培养和锻炼学生的实践能力、团队协作能力及个人综合素质具有十分关键的作用。我国高校一般将工程实践环节放在本科生大三、大四年级阶段，基于“认识—实践—再认识—再实践”的知识掌握理念，开展地球物理专业工程实践教学对于巩固其专业知识、培育其应用技能、提高其分析问题和解决问题能力、塑造其科学素养和独立探索精神具有十分重要的现实意义，其重要性主要体现在以下几个方面。

1.开展工程实践教育是培养地球物理专业人才的必然要求。地球物理勘探理论知识与实践技能并重，参加工程实践教育的目的在于强化实践技能培训，平衡专业理论知识学习与实践能力培养之间的关系，是提升地球物理勘探类学生核心素养的重要要求，更是培养高素质专业人才的必然环节。石油与矿产工业作为我国工业体系中十分重要的一部分，需要更多专业型人才担当起建设国家和社会的重任［12］。培育具有专业素养和工程实践能力的人才是做好地球物理专业工程教育、优化行业人才队伍的重要举措。

2.开展工程实践教学是锻炼和提高学生实训与动手能力、巩固其专业知识、提升其工程素质的重要方式。开展生产实践教育，促使学生独立思考，为学生灵活运用专业知识分析和解决生产问题打下了坚实的基础，实现了理论知识的内化和吸收，也可进一步提升地球物理勘探专业学生的工程实践意识，缓解了其工程素质普遍不高的问题［13-15］。

3.开展实践教育有助于增强学生的专业认同感，加深其对地球物理专业在国民经济中所处地位的认识，并帮助其逐步完成从学校到社会的过渡。参与地球物理勘探生产实践活动，有助于学生明确所要从事工作的性质，增加更多实践知识，并通过实践促进创新，了解和学习更多跨学科知识。

（二）工程实践教学目标

我校地球物理勘探专业工程实践教学的地点位于河北省涿州市长沟镇的东方地球物理公司长沟培训基地，占地面积约320亩。在实践基地内通过指导教师与生产单位专家现场讲解工区内地质条件概况、施工设计方案与要求，学生开展野外数据采集及室内资料分析与处理、撰写实习报告、总结答辩等，为大四年级学生提供了一次全面的专业知识联系实践的机会，也是一次综合性的实践教学活动。实践教学课程要求学生通过为期两周的地球物理勘探野外实习，达到了工程实践教学目标，使学生培养并建立了严肃认真的学习态度和理论联系实际的科研方法，为后续相关专业课程的学习及对资源勘探和工程勘察等方法的掌握奠定了扎实的基础。

1.巩固地球物理勘探方法的基础知识，掌握地球物理野外实际工作流程及其相关的技术要求，增强学生的实践动手能力。

2.利用所学知识，分析地球物理勘探过程的影响因素，熟练应用专业仪器，获取可靠有效的地球物理野外实际数据，培养学生发现并分析解决实际遇到的工程问题的能力。

3.结合相关的数据处理及解释软件，能够展示地球物理勘探数据；能对采集到的地球物理勘探数据进行处理与分析，并得到有效合理的地质解释结论；能用图纸和设计报告等形式，呈现设计成果；训练并增强学生的数据处理及综合分析等能力。

4.利用所学的专业知识，能够独立撰写实习报告，并能够进行汇报答辩，有助于加强学生的独立思考、文字表达及口头表达等能力。

（三）工程实践教学内容设计

我校地球物理专业野外实践教学分为两个阶段：第一阶段为野外实践部分，包括测量实践和重磁电地震等仪器设备的野外操作；第二阶段为数据资料处理、解释和撰写实践报告阶段，也就是对所采集到的实际资料进行处理、解释和编写报告。在完成地球物理勘探专业相关理论课程学习的基础上，其实践教学内容主要包括以下几方面。

1.重力勘探方法实践。通过实践活动巩固课堂所学的重力勘探相关理论知识，学会使用贝尔雷斯重力仪测量矩形方框区域内测线上的重力数据，如图1所示，并在室内进行重力数据的各项校正及结合其他数据进行平差运算，并对测量数据进行合理解释。同时，学生还需了解和掌握利用金属弹簧重力仪进行重力法野外勘探的六个重要环节：前期工作设计、设备操作、资料采集、资料整理、地质解释与撰写总结报告。

图1 贝尔雷斯重力仪组成部件

2.磁法勘探实践。学生参与磁法勘探实践以培养其动手能力及团队协作能力，巩固其磁法勘探知识并掌握磁法勘探基本原理，更重要的是了解磁法勘探仪器，学习并实际操作质子旋进磁力仪进行测量，并对磁法勘探得到的野外数据进行处理和解释。

3.电法勘探实践。开展高密度电阻率法勘探实践教学，以巩固和掌握电法勘探方法的基本原理，掌握不同层状介质所对应视电阻率曲线变化特征；掌握高密度电阻率法的原理、野外布线方法、仪器的操作过程等，与普通电阻率法对比，了解它的优势；掌握测量数据的室内处理方法，能够绘制地下视电阻率剖面图。

4.地震方法勘探实践。地震勘探实践主要包括：（1）了解并实践野外地震勘探所涉及的各种工作环节，初步掌握地震数据野外采集技术、2D与3D观测系统参数设计及地震激发与采集设备操作方法，如图2所示；（2）基本掌握地震观测数据评价方法，特别需要分析各种地震波的特征，重点评判共炮点反射记录质量及观测系统参数的正确性，如图3所示；（3）完成数据处理和室内地震资料构造解释等工作：直达波切除、反射波数据构造解释、折射波地震资料处理方法等。

图2 三维观测系统布置及人工重锤激发震源

图3 地震数据波形图

5.地质雷达勘探实践。采用三种不同频率的地质雷达对实习地区的地下浅层结构进行初步调查，学生通过实践活动了解地质雷达仪器的使用原理，学习了地质雷达的使用方法，如图4所示。同时，还要了解地质雷达的分类及各种参数，学会辨认不同频率的探地雷达测量得到的地质剖面，学会简单处理探地雷达探测所得的雷达剖面，能够通过探地雷达所得的雷达剖面来判定地下结构与电性差异体。

图4 三种不同频率zond-12e型地质雷达

6.大地测量方法实践。开展大地测量能够为野外地形测图和大型工程测量提供基本的平面与高程控制结果，在矿物资源勘探开发与工程勘察的前期工作中也起着至关重要的作用。学生需学习并掌握测量仪器使用方法等，掌握数字化测图室外数据采集与室内绘图方法。此外，还需完成地震资料采集实习中检波点的测量，为地震勘探提供大地位置信息，包括对野外观测成果的整理、检查计算和绘图，并通过野外测量实践训练，提高学生的团队协作与动手操作能力。

二、现阶段地球物理专业工程实践中存在的问题分析

国际上知名地球物理院校均十分地重视生产实践教学环节，经调研发现其都具有以下共同特征：（1）生产实践教学的学习目标与学习内容都非常明确，一般会有相关项目支撑；（2）工程实践的周期一般不少于3～4个月，以充分展现工程实践教育在工科教育中的重要作用；（3）高校多与世界知名企业建立了长期紧密的合作培养人才机制。与之相比，我校虽在专业理论知识与教师授课水平等方面具有较强的基础，但在地球物理勘探生产实践环节存在显著的不足之处。

（一）工程实践经费与安全难以保障，实践教学时间不足

在我校地球物理勘探专业学生参与的工程实践中，由于行业特点，在实践教学中会产生较多的费用支出，严重增加了教学成本。尽管国家在不断增加教育投入资金，但近几年高校在学生实践教学方面经费投入仍然非常有限，仅靠高校自身经费支持越发困难，致使实践时间不充足，限制了实践教育在工程技术培养中的重要功效。

（二）生产实践流于形式且内容较单一

我校地球物理勘探专业的校外生产实践教学采用集中实践的方式，通过现场观摩、理论知识讲解与实践操作相结合的方式，以分组制的形式，让学生对地球物理勘探的流程有一定的了解，对测量仪器工作原理有一定的了解。然而，持续增加的学生数量与企业接纳实践的有限能力及学校投入的师资力量会存在冲突，地球物理勘探生产实践因其高要求的技术性、实操性和安全性很难全面得到落实，实践操作不充足，实践计划不合理，实践效果不理想，实践工作与成果大多停留于感性认识，学生的创新能力、综合能力难以得到有效培养与提高。

（三）高水平的实践指导教师匮乏

教师是高素质人才培养的第一责任人，随着新工科建设要求的提出与不断推进，高校工程实践作为专业型人才培养中的一个重要环节，作用日渐突出。然而，有较强专业能力与实践资历的教师往往也承担了较重的科学研究、技术服务与教学工作，对参与野外实践教学的积极性不高。参与实践教育的指导教师以青年教师为主，他们往往刚从学校毕业就走到了高校教师工作岗位，尽管理论知识扎实，但往往欠缺工程实践经验，对实践指导更多地局限在理论范畴，加之企业单位人员多认为学生为短时间认知实践而不能全身心投入并认真指导，难以有效满足学生实践技能的学习要求。

（四）实践过程监管与评价机制不健全

生产实习作为实践教学的重要环节，在如何有效开展实践过程监管与学生成效评价机制方面尚存在诸多问题。由于参与生产实践学生人数较多，且指导教师与可供使用的仪器数量有限，实践过程虽采取分组分项措施，实习指导教师与技术人员仍难以兼顾所有学生，实践过程也无法及时被教师所掌握，从而导致实践内容不达标、实践落实不充分。当前的工程实践教学缺乏结合专业特色的明确的评价标准，指导教师没有结合在工程实践中的角色对参与实践的学生进行合理的考核评价。

三、新工科视域下地球物理专业工程实践教学模式改革探索

为实现新工科建设背景下地球物理专业人才培养目标，通过对国内外工程实践教育对比分析及初步实践，针对实践教学模式中存在的以上重点问题进行改革探索，以真正提升学生的综合实践能力。

（一）构建虚实结合的生产实践教学新模式

开展工程实践教育的目的在于将学生课堂所学的专业知识转化为面对实际工程问题时分析与解决问题的能力。通过虚拟仿真与现场实践教育结合，合理分配虚实教学内容，强化创新能力的培养，并合理地融入课程思政，提升学生的科学素养，达到丰富实践形式和优化实习内容的目的。在新冠肺炎疫情防控常态化背景下，要充分利用并开展虚实结合的实践教学模式，学生既能熟悉地球物理勘探方法实施过程，又能掌握仪器设备的工作原理及工作环境，还能保证实习内容的完整性，且能在一定程度上激发学生的学习兴趣。

（二）完善现场指导教师队伍建设

为保障工程实践教学质量与教学管理及学生创新能力培养工作的有效运行，在加强实践基地与平台建设的基础上，应建立学校教师与企业指导教师的双实践指导教师制，将企业专家指导吸纳为培养高水平专门人才的重要主体，校内指导教师应具有较强的专业理论基础与较丰富的工程实践经验，校外指导人员多数应是企业的高级专业技术人员。同时，充分依据我校石油特色的办学宗旨来设置地球物理专业工程实践的目标，并据此构建实践教学质量标准与相应的评价体系。

（三）建立分散与集中相结合的实践教育机制

应该借鉴和学习国外先进的实践教育模型，建立富有中国特色的生产实践育人机制。改革探索现有的生产实践模式，建立分散与集中实践相结合的教育方式。地球物理学院地球物理专业在双一流建设及其他教育教学改革项目的支持下，充分发挥现有的本科生合作导师制度，可以形成基于导师负责制下的分散工程实践教育模式，进而实现3～5名学生组成一个小组到导师联系好的生产基地完成实践教育。基于此，不仅可将教师的培养资源转化为教学资源，而且能够依据合作项目而制定更加明确和完善的工程实践内容，从而达到教学目标。

（四）加强过程监督与终端考核机制建设

生产实践教学模式改革的目的在于全方位提升实践教育成效，然而高校目前在工程实践教育的过程控制与结果考核体系方面存在诸多问题，考核标准应根据具体生产实践内容而制定，应依据学生对专业理论知识的掌握程度、发现与分析解决问题能力、实践与创新能力、实践总结报告等多方面综合考量，以此建立多元化的科学考核机制。为了更充分地了解学生实习过程的中间状态及成效，需强化过程监督机制来记录实践的进度情况，定期开展交流总结活动，并以此作为实践教育的重要考核内容。

结语

在新工科建设视域下，创新型卓越工程科技人才培养离不开高质量的实践教学。传统的由高校教师作为主体的集中式生产实践教学模式在新工科建设要求下显露出越来越多的问题。生产实践教学目标和内容优化、高水平指导教师队伍建设、实践教学质量提高等工作均是一个长期积累过程，需要不断探索与积极调整。针对地球物理勘探专业生产实践教学中面临的主要问题，未来还需从更深层次去探索实践教育的改革与发展，建议在实践教学模式、实践内容与形式、实践教师团队、监控与评价制度等方面不断完善创新，为提升生产实践教学质量和学生综合素质提供有力保障。