基于相似性原理的电法探测物理模拟实验教学

张新兵，于 鹏，吴健生

同济大学 海洋与地球科学学院，上海 200092

基于相似性原理的电法探测物理模拟实验教学

张新兵，于 鹏，吴健生

同济大学 海洋与地球科学学院，上海 200092

摘 要：地球物理电法探测是实践性很强的课程，实验教学是其重要内容之一。本文主要讨论电法探测实验教学建设的重要性、基于相似性原理物理模拟的主要内容和经验，并探析了其在培养学生综合能力、创新能力等方面发挥的作用。

关键词：相似性原理；电法探测；物理模拟；实验教学

实验教学是理工科专业教学中非常重要的内容，其主要目的是为了加深学生对书本知识的理解，将理论知识转化为感性认识和实践能力。地球物理专业是实践性很强的专业，课堂教学以书本为主，注重基本理论和基础知识的传授，对这些基本理论和概念进行讲解时，用到大量的数学物理知识，并且有非常多的复杂公式推导、方程求解以及物理参数的物理含义的理解等问题，学生对这些问题会觉得比较枯燥。如何提高学生学习地球物理课程的兴趣，使学生能轻松地掌握专业知识，是我们在教学中遇到的突出问题。为了较好地解决这一问题，在搞好课堂理论教学的同时，我们对实验教学环节进行了有益的改革探索，取得了可喜的成效。

近年来随着学校对实验教学仪器的支持，地球物理仪器设备逐步完善，在此基础上，笔者申请了同济大学第6期实验教学改革项目“地球物理电法物理模拟实验教学建设”并得到资助，通过该项目的建设展开实验教学，提高了课程教学效果，并在培养学生综合能力、创新能力上取得了成效。

一、基于相似性原理的电法探测物理模拟实验建设

1.电法探测物理模拟实验的相似性原理

电法探测研究的对象是被探测的地下目标地质体，而在实验室内不能对研究对象进行直接实验，这就需要先设计1个与所研究的地电现象相类似的模型，然后通过对模型的实验和观察，间接地了解被研究的现象。这种模拟实验是根据相似性原理，用模型来代替被研究的对象，将实验手段（仪器设备等）直接作用于设计的模型。

在电法探测物理模拟实验中的“相似性原理”是指所用模型和装置的几何参数及电性参数与实际条件下的参数之间应保持一定的比例关系，使得模型或者模拟实验结果与实际结果吻合较好。在该模拟实验建设中，主要考虑传导类电法，在该类电法（激电法中的面极化情况除外）中存在比较简单的相似关系，也就是模型和实际原型之间的几何参数（现状、大小、埋深等）的关系与电性参数的关系是彼此独立的，并且是各自线性的，这类模拟实验做起来相对感应类电法探测来说就容易多了。

2.基于相似性原理的电法探测物理模拟实验建设内容

本实验建设主要是建立传导类电法模拟实验中的水槽模型试验、土（砂）槽模型实验以及导电纸模型实验3个实验方法。

（1）水槽模型实验。

水槽模型实验是常用的一种模拟实验方法，主要用来解决三度体的问题。在水槽模拟实验中，通常用水做均匀介质来模拟均匀围岩。模拟引起异常的地质体时，用金属或石墨模拟各种形状的良导体，用环氧树脂、有机玻璃等模拟绝缘体，有限电阻率用石墨、金属粉加水泥等制作。这一方法的特点是：作为围岩的水是均匀的，作为地面的水面是水平的。很适合模拟在均匀各向同性的半无限介质中埋有良导体和不良导体的情况。

（2）土（砂）槽模型实验。

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土（砂）槽模型实验可以用于研究三度导电空间中场的分布、特别是要求构筑地形起伏时土槽模型实验优于水槽模型实验的情况。可以在土砂中埋设金属良导体以及不良导体的介质，通过仪器来测量，并可以考虑不同地形和电阻率对比差异下的观测实验结果。

（3）导电纸模型实验。

导电纸模型模拟实验主要是用于二度地电断面模拟实验，也是一种简便易行的方法。所模拟的主要是二度地电断面和地形，所模拟的供电场源也是二度的。导电纸上的一个点代表垂直于导电纸的无限长的一条线；导电纸上的一条线代表垂直导电线的无限长的一个面；导电纸上的一块有限面积代表垂直导电纸走向无限长的一个柱体；导电纸上的一个点电极，实质上是一无限长的线电极。模拟不导电矿体时，可在矿体位置处将导电纸截面挖空即可；模拟理想良导矿体时，用锡箔纸或铜片贴压在预定位置；模拟有限电阻率矿体时，可用导电纸叠层的办法。

水槽和土（砂）槽的模拟实验中，先对纯水和土进行观测，然后在水和土中放入不同的模拟异常体进行观测，对比两种情况下的差异，让学生对异常的概念有直观的认识。通过这三组模拟实验，学生在课堂学习的基础上，增强了感性认识，加深了对理论知识的理解，初步熟悉了电法探测的野外工作，积累了实践经验，为日后应用打下了良好的基础。

二、模拟实验教学实施

1.验证性实验与开放性实验结合

目前我们电法探测实验教学主要有两大类的实验：验证性实验和开放性实验。在实验教学中坚持这两种教学方式结合，验证性实验是基础，主要是验证课堂讲授的理论知识，同时锻炼学生的实践技能，如课堂讲授的对称四极测深知识，在实验教学中我们用水槽、土（砂）槽模拟来埋设放置不同深度的异常体，让学生来进行实验观测验证课堂知识。而开放性实验则是有学生主导的实验，由学生自己设计实验内容，包括实验目的、实验原理、实验所需的仪器设备与耗材、实验步骤等，如电磁场理论中讲到场的分布时我们通过适当的引导，有学生设计了用导电纸实验来模拟直流电场的分布，取得了很好的效果。当然开放性实验中为了确保仪器的合理安全使用，实验的设计和实施必须有教师的指导和评价。

2.组织与实施

实验教学的过程涉及方方面面的工作，有理论课教师教学与实验课教师的衔接，有学生自己的准备工作，还有实验仪器与场地准备。

从学生的角度来看，要求他们在知识和技能上有较充分的准备，对专业理论知识有深入掌握，能理解实验原理和实验步骤，熟悉实验仪器设备的性能和具体安全操作流程，在实验开始前对于这些知识要有全面的准备。实验中出现的各种实验现象和结果要有详细的记录和综合分析，并写出综合实习报告。

实验仪器设备与场地准备方面由实验室来操作，包括需要的实验仪器与耗材、水、电、场所、物理模拟的模型。目前笔者所在学院正在建设实验室，地球物理教学仪器设备也在国家“985”项目的支持下逐步完善起来，已经拥有直流电法、激发电法、感应类电法的相关仪器设备，完全能支持基于相似性原理的电法探测物理模拟实验的展开。

三、模拟实验教学的成效

该项目通过1年多的建设，在培养学生综合能力、创新能力等方面取得了明显的效果。

1.学生能力培养方面

实验教学本身的出发点就是培养学生的能力，通过对实际问题的思考和实际操作，培养学生分析问题和解决问题的能力，特别是突破理论知识的框架去处理实际工作中遇到各种问题的应变能力和创造能力。

理论教学中注重知识的传授，而实验主要是训练学生综合运用所学理论知识，观测地球物理现象并分析引起这种现象的原因和观测的结果，从而加深对理论知识的理解和掌握。我们电法探测物理模拟实验建设中的验证性实验均有详细的实验指导，提供了实验原理、实验目的、实验方法和实验步骤，这类实验主要是锻炼学生实际动手和操作能力。而开放性的实验要求学生自己去设计实验内容、实验原理、实验步骤等，是一种知识的综合运用，能很好地锻炼学生的综合分析问题、解决问题和创新的能力。

项目建设过程中，有3位同学申请了学院和学校的大学生创新项目，这些创新项目都是在该物理模拟实验的平台下来完成的，他们项目过程完全按照开放性模拟实验的模式来进行，目前这些学生的创新项目都已经结题，得到了很好的评价，学生在知识的综合运用能力、综合分析和解决问题的能力、创新能力等方面都有很大的提高。其中1位同学2011年年底又获得了学校创新项目新的资助，将继续在该平台上开展创新项目的研究。

2.模拟实验教学的课堂效果

目前我们已经完成电法探测物理模拟实验建设的水槽模型、土（砂）模型和导电纸模型的实验设计，包括实验原理、实验步骤以及数据记录表格等。这些实验都在涉及的几门课程中为学生提供了实验教学，如“位场与电磁波理论”、“电磁学与探测方法”、“地球物理概论”以及“环境与工程地球物理”等课程，取得了很好的教学效果。如“位场与电磁波理论”，我们通过引导学生进行导电纸模型的开放性实验来模拟电场的分布，对于“电磁学与探测方法”的直流电测深的很多内容，通过水槽模型和土（砂）槽模型等的验证性实验来加深学生对课堂理论知识的理解。尤其是“地球物理学概论”，该课程学校已经立项进行课程改革，根据学校 “卓越课程行动计划”要求，我们探索推行启发式、探究式、讨论式、案例式、参与式、小班制等教学传授方式，由于学生没有地球物理的专业基础，因此在探究式的教学板块中，由教师适当指导，学生自行设计探究式的开放性实验，通过这些实验，大大增强了他们对专业课程的兴趣。

另外该实验平台在2011年暑假高中学生的夏令营中也发挥了作用，期间创新项目组的同学给高中学生演示了部分实验，激发了他们的兴趣，从该类模拟实验中他们大致了解了怎样用物理观测手段去观测地球、研究地球，取得了良好的效果。

基于相似性原理的电法探测物理模拟实验教学建设虽然取得了初步成果，但仍存在一些问题，首先是师资问题，实验教学过程组织有一定的难度，需要有较多的师资，也需要教师投入更多的精力。其次是实验场地问题，难以适应教学要求。

参考文献：

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[2] 张平松，刘盛东.地球物理勘探课程设计性综合性实验实施与思考[J].中国地质教育，2005，(4)：97-99.

[3] 方根显，李曼.勘查技术与工程专业实践教学体系的设计与实施[J].中国地质教育，2010，(1)：40-42.

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1006-9372 （2012）02-0064-03

收稿日期：2012-03-19。

基金项目：同济大学实验教学改革专项基金项目“地球物理电法物理模拟实验教学建设”。

作者简介：张新兵，男，讲师，主要从事地球物理数据处理与综合解释研究工作。

Experimental Teaching Exploration of Physical Simulation in Electricity Prospecting Based on Similarity Principle

ZHANG Xin-bing, YU Peng, WU Jian-sheng
Tongji University, shanghai 200092, China

Abstract:Electricity Prospecting is a practical class, and experimental teaching is the important content. The paper discuss the importance, the main content and experience of experimental teaching of physical simulation in electricity prospecting based on similarity principle. We also probe its effect in training students’ integration capability and innovation ability.

Key words:similarity principle; electricity prospecting; physical simulation; experimental teaching