提高地球物理学科野外实践教学效果的探索与实践

2012-01-29熊章强朱德兵严家斌张大洲

中国地质教育 2012年4期

熊章强，朱德兵，严家斌，张大洲

1.中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南长沙 410083

2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083

地球物理学分为偏重理科的固体地球物理学和偏重工科的应用地球物理学。应用地球物理学是综合运用数学、物理学、计算机技术和数字信息分析处理技术研究地球重力场、磁场、电磁场和地震波场变化规律，分析和解释地下三维空间的地学信息，服务于资源勘探、工程勘查及环境监测、自然灾害防治等领域。对工科地球物理，课堂上基础理论的教学无疑非常重要，但课堂外的实践教学环节也是同等重要，两者缺一不可。地球物理解决的是地质问题，地球物理学科一个重要的特色是实践教学大多在野外进行，实验室搬到了大自然之中，野外环境是地球物理解决各种地质问题的天然实验室。因此，对地球物理学科野外实践教学进行研究和探索，提高野外实践教学的效果，使学生在理论知识与实际应用两方面协调发展，必将提高学生的科学思维能力以及分析问题与解决问题的能力，培养出集知识、能力和素质于一体的高素质人才。

中南大学地球探测与信息技术为国家重点学科，一直强调实践教学与理论教学并重，在克服各种条件限制和实习经费制约的基础上，探索出了一些行之有效的方法，为国家输送了一批批地球物理应用型高级人才。

一、激发兴趣，培养探索热情

爱因斯坦曾经说过：兴趣是最好的老师。无论做什么事情兴趣都是非常重要的，它是一个人一生中入门的向导，是直接推动学生主动学习的一种内部动力，是学生热爱学习、产生强烈求知欲的基础。兴趣不仅能引发学生的好奇心，激发学生的求知欲，而且可以丰富想象力，促使他们主动地去追求知识，探索科学奥秘。

为了提高学生的学习兴趣，我们在教学计划中安排了两个认识实习，即地质认识实习和物探专业认识实习。两个实习时间均为两周，地质认识实习安排在大一学习了“普通地质学”课程后，物探认识实习则安排在大二第二学期结束后大三学习物探专业课之前的暑假期间。普通地质认识实习为学生们认识大自然、激发学习兴趣、培养地学思维提供了绝好的机会。为了在激发学生的学习兴趣同时考虑实习经费的限制，实习基地的选择颇为讲究，驰名中外的张家界世界地质公园与素有“世界锑都”美称的湖南冷水江锡矿山，以及中南大学校园后面的岳麓山都是地质认识的实习基地。张家界有着名甲中外、得天独厚的奇峰异石地貌景观，透过它褐红色的石英砂岩、起伏绵延的红白纹理以及古生物栖息过的大小石洞，一双双好奇的眼睛在实习带队老师的讲解中读懂了3.8 亿年前的中泥盆世：那个时期的张家界还处于近海地带，面前是一片浩瀚的大海，仅有一些低级生物独霸着海洋，在那颗古老太阳的照耀下，经过大自然的风雨切割，耐心地艰难地进化成现在的地貌奇观。而呈现出来的不同颜色的岩石节理，以及石壁上疏密不一的大小石洞，真实地记录着张家界千百万年的地质变迁。而冷水江锡矿山的地质实习，则让学生对矿物的形成环境、形成条件有了一个比较全面具体的了解。这样的地质认识实习自然能激起学生强烈的好奇心和求知欲，为把他们带进地球科学殿堂有了一个良好的开端。物探认识实习是在普通地质学、构造地质学以及工程数学、计算机理论、场论等物探基础课学完以后，物探专业课尚未开课之前进行物探方法与仪器的认识实习，目的是使学生全面了解物探方法与仪器设备，提高专业认识和专业兴趣，为进一步学习物探专业课程做准备。实习场地为已建设好的专门的物探实习基地，地下的地质情况都是已知的，学生在老师的指导下操作物探仪器采集原始数据，老师再将数据处理结果给学生演示，哪个异常代表哪种地质体或地质现象，学生可以直观地了解各种物探方法所能解决的地质问题，激发了学生想要深入了解和探求科学奥秘的兴趣与欲望。

二、启发式教学，培养科学思维能力

启发式教学是室内理论教学经常采用的方法，实际上，在野外实践中使用启发式教学效果会更加明显。对真正有思想、求知欲强的学生来说，那种像讲解员式的、灌输式的教学方法他们是不会欢迎的，老师针对具体的问题引导学生自己动脑筋去思考、去分析而得出正确结论的启发式教学，是培养学生科学思维能力的最佳方式。

野外物探实践教学（包括教学实习、生产实习与毕业实习等）是课堂理论教学的拓展和延伸，在野外教学中，通过采用物探方法（一种或多种方法）对要解决的各种地质问题（地质调查、工程地质勘查或寻找金属、非金属矿产等）进行数据的采集、处理和地质解释，进一步巩固和深化课堂理论。老师采用启发式教学可以最大限度地调动起学生对用物探方法解决地质问题的积极性，更好地发挥学生在教学中的主体作用，加大学生在野外实习中的参与度。由于地球物理是一门探索性很强的学科，又是以野外作业为主并需要有扎实的地质基础和数理基础的边缘科学。因此采用启发式教学是培养科学思维能力的重要因素，也是地球科学教育必不可少的教学法之一。

野外实践教学一个重要的目的就是培养学生发现问题、分析问题及解决问题的能力。在野外教学中运用启发式教学方法，在教师的引导下，学生通过亲自对地质现象的观察与分析，联系课堂理论，正确找出利用物探方法解决地质问题的答案，既强化了学生在教学实习中的参与意识，又培养了学生独立分析问题和解决问题的实践能力。例如，在高速公路修建及水库大坝修筑过程中，一般都要对路基和坝基的基岩界面深度进行勘查，以方便进行道路和坝体的设计和施工。要解决这个问题，除了钻探技术以外，地球物理勘探方法是获得基岩界面深度值的最有效手段。但必须对地球物理勘探理论有全面和深入的理解，分清不同介质体地球物理性质之间的差异，这样才能针对性地解决实际地质问题。实际上，基岩分界面上下的岩层，由于沉积时代、岩性、结构等各方面的差异较大，因此上下岩层之间在地震波波速、波阻抗、电阻率等诸多物性特征方面都不会相同。只有既熟练掌握地球物理勘探各种方法理论，又了解地质问题的实质，才能找到两者的切入点和结合点，才能确定基岩界面深度探测的有效方法。针对这样的情况，老师采用“引而不发”的启发式教学肯定是最佳方式，可以收到最佳的教学效果。首先，老师可以向学生提出第一个问题，即基岩界面上下有何差异？地球物理勘探是以岩矿石的物性差异为前提的，学生非常容易想到：有物性差异；接着，老师可以提出第二个问题，是哪种物性差异？同一种介质可以表现为不同的地球物理特性，学生又可以非常容易想到：存在地震波速、波阻抗和电阻率等物性差异。再接着，老师还可以提出第三个问题，采用什么物探方法来确定基岩界面的深度？不同的物性差异可以采用不同的物探方法，学生又可以非常容易想到：利用上下岩层间地震波阻抗的差异可以采用地震反射波法，利用岩层之间地震波速度差异可采用折射波法，利用岩层之间的视电阻率差异可采用直流电测深法或高密度电阻率法等等。老师顺着这个思路，就可以和他们一起设计具体的物探施工方法了。运用这种“引而不发”的启发式教学方式，学生通过自己的亲身观察、分析，找出问题的答案，既为学生提供一个观察、分析问题的思维空间，又提高了学生发现、分析和解决问题的能力。

三、产学研相结合，增强工程实践能力

产学研相结合是培养工程应用型人才的基本途径。高校以产业部门为依托，充分利用企业的资金、设备、技术和生产经营优势，促进理论教学与生产实际的紧密结合，是实现产学研合作教育的有效形式。目前，科技和市场经济高速发展对人才的需求，打破了高校毕业生传统的分配机制，建立起了双向选择的人才竞争机制。物探专业毕业生如何面对人才市场的竞争，这是人才培养中十分重要的问题。

近年来，中南大学物探专业的本科毕业生无论是物探理论水平，还是动手能力和实际工作能力都较过去有较大幅度的提高，这与产学研相结合工作有很大关系。我们物探专业共9 名教授，最近10 年来先后办了4 个学科性公司，学科性公司主要是进行横向科研和承接一些生产性质的项目，许多学生在平时就跟着老师在学科性公司做一些科研的辅助性工作，利用假期（尤其是暑假）跟着老师出野外参加科研和生产活动，顶骄阳、冒酷暑、攀陡崖、穿密林，在非常艰苦的环境下锻炼了意志和品质，丰富了他们的人生阅历，更重要的是学到了本专业的实践知识，巩固了课堂上所学的理论知识，他们的动手能力、分析问题和解决问题的工程实践能力得到了很大提高。

产学研结合的另一个重要途径是充分利用学生的毕业实习。毕业实习是大学四年的最后一门课，也是学生学习实践知识、提高动手能力的关键环节，实习内容有的是科研性质的，有的是生产性质的。如果教师有科研项目，就可将学生的毕业论文内容与此结合；如果是生产性质的，学生或直接进入生产单位实习，或由老师带领直接解决生产中的实际问题。如2011 年9 月，笔者就带领几个毕业生完成了沪昆高速公路江西宜春至萍乡段K940+750 处发生地质塌陷抢险的物探勘查工作。本次工作目的是：快速准确地查明塌陷原因，了解塌陷部位的地质情况，确保道路行车安全。笔者带领学生和工勘单位一起分析原因，综合各方面因素，选用高密度电法结合钻探进行综合探测，准确查明了发生地质塌陷的原因，并由施工单位对塌陷路基作了快速处理，确保了道路的安全畅通。最后，几位同学结合现场物探采集成果顺利完成了毕业论文。由于本次工作的典型性，还撰写了一篇学术论文发表在了《公路》期刊杂志上。在这次毕业实习过程中，学生得到了实实在在的锻炼，大大增强了他们的工程实践能力，也收获了成就感。