“应用重力学”课程教学与改革

郭良辉，孟小红，石 磊，李淑玲

中国地质大学（北京） 地球物理与信息技术学院，北京 100083

“应用重力学”课程教学与改革

郭良辉，孟小红，石 磊，李淑玲

中国地质大学（北京） 地球物理与信息技术学院，北京 100083

“应用重力学”课程是中国地质大学（北京）为地球物理学专业本科生开设的专业骨干课。为了提高课程教学质量，推进教学改革，该课程2007年被我校列入校级精品课程建设项目。本课程经过两年的建设与教学改革，取得了阶段性成果，深受学生喜爱，在教学评价中连续多年被学生评为“优秀”。本文从课程的教学目的、教学内容、教学方式和课件资源建设等方面介绍了本课程的教学与改革。

应用重力学；教学内容；教学方式；课件；改革

“应用重力学”课程是中国地质大学（北京）为地球物理学专业本科生开设的专业骨干课，其前身是原“重力勘探”课程。为了适应当今地球科学发展、国民经济建设需求和培养高质量本科生需要，课程教学组在多年教学基础上，以建设优质课程为目标，以“特色+精品”的办学理念为指导，对“应用重力学”课程体系、教学内容及教学方法与手段、实验体系等进行了比较系统的改革，明确了教学目的，重新修订了教学大纲，优化了教学内容，将重力学领域的新理论、新方法、新技术及前沿知识及时补充到教学中来，保持课程的系统性与前沿性，丰富教学手段，加强理论与科研、生产实际相结合，融知识传授、能力培养、素质教育于一体，使学生学有所长。

一、教学目的明确

课程教学组在1999年教学大纲的基础上进行了多次修订，明确了教学目的。“应用重力学”课程讲授地球重力场的基础理论及重力测量的方法技术和应用，目的是使学生系统地了解重力学的基本知识，掌握地球重力场的基础理论、重力测量的基本方法、最新技术和通过重力测量研究地球形状、地球内部结构构造和寻找矿产资源的原理与方法，为进一步从事地球物理基础研究和应用研究打下基础。

二、教学内容更新优化

新教学大纲保留了传统专业课的系统性，又突出了重力学研究的前沿特色，较好地适应了当前地球物理专业人才培养需求与培养目标。课程按48学时设置，其中理论教学40学时、实验教学8学时，突出了理论教学与实践教学相结合的特色。教学内容主要涉及重力场与重力勘探理论核心问题，注重对基本概念、基本理论和基本应用的详细讲解。理论教学具体要求与学时安排见表1，实验教学具体要求与学时安排见表2。

野外教学实习是“应用重力学”课程的一个不可缺少的重要教学环节，可以巩固和加深对课堂理论教学内容的认识和理解，进行重力勘探方法和技术的基本训练，培养学生实际操作和资料处理、解释能力以及综合分析问题、解决问题的能力。野外重力勘探教学实习在我校的河北省秦皇岛市北戴河实习基地进行，为期12天。实习分两个阶段进行，第一阶段为野外部分，在秦皇岛市北郊地球物理实习工区进行重力仪实际操作和野外数据采集实习，第二阶段为资料处理、解释和编写报告阶段，利用在实习工区测得的实际重力资料进行资料处理、解释和编写报告。

三、多种教学方式组合

课程教学采用多媒体教学和板书教学相结合的方式。多媒体技术是一项文、图、声、像结合的现代信息传递技术。将多媒体技术运用于教学过程中已成为当前改进教学方法、提高教学效率、保证教学质量的重要手段。课程教学组通过多媒体教学节省大量的板书时间，使抽象的概念和理论生动形象起来，同时精选课堂教学内容，突出重点和难点，补充介绍前沿内容和学术研究成果。多媒体生动形象、妙趣横生、图文并茂的教学环境改变传统教学比较单一、枯燥的特性，促使学生的视听与思考互动，活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣，培养学生的思维能力。课堂上教学组有效控制多媒体教学速度, 给学生留有一定的记笔记和适当思考的时间，防止学生感知不充分、理解不透彻，以提问的方式加强与学生的交流，防止学生因视觉疲劳思想“开小差”[1]。课程教学组在讲授理论公式推导时，以板书为主，辅以多媒体教学，在板书的过程中，学生边听、边看、边记，和教师一起进行思考、推导[2]，再辅以多媒体的图例或动画形象描述公式的内涵，如图像展示球体理论重力异常特征及分布规律，动画演示球体理论重力异常随几何和物性参数变化特征和规律，充分发挥各自的优势，结合使用共同提高教学质量。

表1 “应用重力学”课程理论教学具体要求与学时安排

表2 “应用重力学”课程实验教学具体要求与学时安排

课程教学组从提高学生学习兴趣、培养创新精神与实践能力出发，采用启发式、互动式、研究式等多种教学方法相结合，为学生营造主动学习的氛围，引导学生积极思考，乐于实践，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的创新精神与能力[3]。启发式教学注重引导学生发现问题，思考问题，帮助学生及时解决知识中的疑难点，培养学生分析问题和解决问题的能力。互动式教学注重教师与学生、学生与学生间的交流与讨论，有助于加深学生对所学知识的理解与掌握，有助于学习兴趣与学习能力的培养。研究式教学注重学生的科研兴趣和能力的培养，将学科中的某些前沿和存在的基本问题及时介绍给学生，保持教学内容新颖性和实践性。课程教学组在教学活动中灵活运用这三种现代教学方法，在启发、互动与研究的教学情境里培养学生的创新思维与能力。比如在讲授“反问题解的多解性”时，课程教学组通过介绍Skeels的深度不同、起伏不同的密度分界面能产生相同的重力异常例子[4]，引导学生发现反演的多解性问题，思考该问题；通过师生之间的互动讨论，加强学生对引起反演多解性的原因的理解和掌握；通过例举中文、英文学术期刊文献上的实际重力勘探例子及前沿研究例子，以科研学术报告的形式讲解反演多解性问题和影响、科学降低反演多解性的措施及目前仍存在的难题，一方面做到科研与教学相结合，拓宽学生知识面，另一方面开阔学生思维和科研创新意识，培养学生树立执著追求、勇于探索和严谨认真的科学精神；通过上机实验教学、提供课后阅览的相关文献、引导学生参与科研项目等方式，培养学生的科研能力和创新思维。

四、课件资源丰富

课程教学配套了由曾华霖教授编写的最新教材《重力场与重力勘探》[5]，该教材是我院院长刘光鼎院士主持编写的地理物理工程系列教材之一，2006年被评为“北京市高等教育精品教材”。新教材围绕重力位场的基础知识、基本理论及其在重力勘探中的作用这一主线，加强了理论的系统性，而且充分考虑近年来重力勘探技术的进步和发展，将重力领域的新理论、新方法、新技术及前沿知识扩充到教材中，突出了重力勘探的重大发展与变化，如增加航空重力测量工作、海洋重力测量、卫星重力测量、重力归一化总梯度等教学内容。新教材的编写与出版，使本课程教学内容更加丰富与系统，突出了重力学的最新进展。课程教学还配套了由课程教学组编写的“应用重力学”实验指导书和“应用重力学”野外实习指导书。这些指导书在实践教学中不断修改完善，已在学校内部印刷多次并供学生使用。

教学课件制作是多媒体教学中的关键环节，其质量的好坏直接影响了教学的效果。“应用重力学”课程内容丰富，知识量大，其课件制作既包含了大量的文字叙述和数学公式，也包含了大量的图件，并以重力异常的图件最为突出。重力异常图可分为剖面图、平面等值线图、平剖图和立体曲面图等种类。重力资料整理、处理和解释这些部分的教学内容涉及了大量的各类重力异常图，而这些内容又是整个课程的重点和难点，因此，重力异常图件的质量好坏将影响到课件的整体质量和教学效果。课程教学组利用Powerpoint软件精心制作了多媒体课件，利用Grapher、Surfer、Matlab[6-7]等软件精心制作出标准规范的重力异常图件，利用CorelDraw、Photoshop等软件绘制了其他图件素材，利用Flash MX软件制作了规则形体重力异常正演演示用的动画。课程教学组还亲自录制了重力仪操作实验视频，学生通过观看视频结合教师的讲授和实验指导书可快速认识重力仪，熟悉其操作步骤，正确规范地操作重力仪。实践证明课件中生动、形象、清晰、美观的文图给学生较深刻的印象，提高教学效果。

当今重力勘探的资料整理处理解释主要由人类利用所开发研制的计算机程序或软件自动或人机交互的进行。MATLAB是国际公认的最为优秀的科技应用软件，语言简单灵活，科学计算高效，数据可视化方便，具备众多应用工具箱。课程教学组利用MATLAB语言[6]编写了指导学生上机实验使用的重力资料整理处理解释工具箱GravLab，配备的程序有：观测数据整理、基点网平差[8]、布格重力异常计算、规则形体重力异常正演、频率域异常处理与转换、DEXP法反演[9]等。在上机实验教学中，首先向学生简要介绍MATLAB语言编程基础知识，使学生快速入门，之后对GravLab工具箱的程序进行讲解分析，学生通过学习和分析这些程序快速掌握MATLAB编程技巧，学会独立编程，完成实验内容。课程教学组在GravLab工具箱的基础上利用MATLAB GUI工具[7]开发了指导学生学习使用的重力资料整理处理解释软件GravSoft。在课程教学中，向学生简要说明该软件的操作指南，并提供一些实测重力资料，学生课后学习操作软件，对实测资料进行整理处理解释训练。在野外教学实习中，学生利用GravLab工具箱或GravSoft软件对重力观测资料进行整理处理解释。学生通过实验课和实习课的实践训练，既加深理解各种方法的原理和作用，又掌握重力资料整理、处理和解释的基本技能，提高了工作效率。

课程教学组还开发了“应用重力学”课程网站，将课程相关的多媒体课件、实验指导书、实习指导书、课后作业、GravLab工具箱及课程相关的中英文学术文献等电子文件汇集发布在网站上。学生课后浏览网站下载相关资料，及时复习课堂内容，巩固和加深理解掌握课堂知识，同时提高学生课外学习兴趣，拓宽专业视野，一定程度上培养学生的科学思维。

“应用重力学”课程经过两年的建设与改革，取得了阶段性成果，深受学生喜爱，在教学评价中连续多年被学生评为“优秀”。

课程建设与改革是一项长期的、系统性的教育教学改革工程，课程教学组将不断积累改革经验、逐步完善改革成果，为继续深化课程建设与改革，提高教学质量提供持续原动力。

[1] 郑子成，李廷轩，吴德勇.浅析多媒体教学在地学基础课程中的应用[J].中国林业教育，2008，(5)：64-66.

[2] 冯晅，刘财，张祥顺.《勘探地震学》形象化教学方法的探讨[J].高教论坛，2009，(4)：88-89.

[3] 李淑玲，姚长利，孟小红.“应用地磁学”课程建设与改革[J].中国地质教育，2009，(1)：110-113.

[4] Skeels D C.Ambiguity in geophysical interpretation[J].Geophysics，1947，712(1)：43-56.

[5] 曾华霖.重力场与重力勘探[M].北京：地质出版社，2005.

[6] 张志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[7] 陈垚光，毛涛涛，王正林，等.精通MATLAB GUI设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

[8] 郭良辉，孟小红，石磊.基于Matlab的重力基点网平差实验教学法[J].科技信息，2008，(18)：24.

[9] Fedi M.DEXP：A fast method to determine the depth and the structural index of potential field sources[J].Geophysics，2007，72(1)：1-11.

Teaching and Reform of Gravity Exploration

GUO Liang-hui, MENG Xiao-hong, SHI Lei, LI Shu-ling
China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Gravity Exploration is a main course for undergraduate students majoring in geophysics at CUGB.In order to improve teaching quality and boost teaching reform, the curriculum was listed in the high-quality curriculum project of CUGB in 2007.After two years of construction and reform, the curriculum has obtained preconcerted achievements and became popular.It was evaluated as an excellent course by undergraduate students year by year.This paper introduces the teaching and reform of the curriculum from the aspects of teaching objective, teaching content, teaching method and the courseware resource.

gravity exploration; teaching content; teaching method; courseware; reform

G642

A

1006-9372 （2010）01-0036-04

2009-10-10；

2010-01-14。

中国地质大学（北京）精品课程建设项目和地球物理与信息技术学院教学改革与教学研究专项经费资助。

郭良辉，男，讲师，主要从事重磁勘探教学和研究工作。