面向煤及煤层气工程专业的《地震勘探》课程教学研究

宋先海 （中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北 武汉430074）

我国煤炭储量远远高于目前已查明的石油、天然气储量，煤炭生产在我国国民经济建设中具有举足轻重的地位。在机械化采煤生产中，由于采煤机械化对地质条件的要求远远超过普采或炮采的要求，当前提交的地质勘探资料已远远不能满足现代化矿区开采对地质条件的要求，导致长期以来煤矿建设对采区地质条件的分析研究程度不够。

因地震勘探具有高精度、高分辨率和探测深度大的优点，所以其一直是各种地球物理勘探方法（如重力勘探、磁法勘探、电法勘探和测井勘探）中的主要研究方向［1～3］。鉴于地震勘探与煤及煤层气工程专业的紧密联系，国外一些著名大学很早就针对煤及煤层气工程专业开设该课程。然而，在国内仅有中国矿业大学（北京）、中国矿业大学（徐州）、河南理工大学（原焦作工学院）等为数不多的高校为煤及煤层气工程专业的本科生开设了该课程，中国地质大学于2011年开始为煤及煤层气工程专业的本科生开设该课程，教学研究与实践尚在探索中。

1 课程特点引发的教学问题

《地震勘探》课程对数学物理基础要求较高，公式推导较多，且面向煤及煤层气工程专业的《地震勘探》，其开设的目的是为煤田综采设计、提高煤炭工作面的生产效率、避免煤矿瓦斯和突水突泥危险事故发生、保证矿井的高效安全生产等提供有力的地质保障。因而必须注重课程与煤田勘探开发的针对性，以加强地震勘探与煤及煤层气工程专业的衔接，这就要求授课教师不仅要熟悉地震勘探的内容，还要具备煤及煤层气工程的专业背景，并能将两者有机融合起来。

1.1 与煤及煤层气工程专业的衔接

在地震勘探专业课的教学实践中，学生往往不知道如何灵活应用所学的地震勘探专业知识来解决煤及煤层气工程专业中的具体问题。究其原因，是地震勘探专业课教师没有对煤及煤层气工程专业中需要衔接的知识点进行系统地归纳和梳理，没有很好地融入煤及煤层气工程专业问题，专业针对性不强，学生又没有很好地联系地震勘探专业课的知识点，结果导致学生对地震勘探知识的掌握脱离了煤及煤层气工程专业的应用背景，对知识的应用目的不明确，学习积极性不高，最终导致教学效果大打折扣。

1.2 教材及教学资源的选取

现有的地震勘探教材中尚无专门针对煤及煤层气工程应用的教材，教材的侧重点、应用部分及习题往往针对地球物理勘探专业而设计，很少涉及煤及煤层气工程专业问题。如果直接使用这些教材来对煤及煤层气工程专业的学生进行讲授，容易造成地震勘探专业课与煤及煤层气工程专业相脱节，学生难以将地震勘探知识与其专业背景联系起来。

1.3 课程对数学物理基础要求高

学生在学习《地震勘探》课程之前，需要具备弹性波理论、宏观场论、大学物理、信号分析与处理、高等数学、线性代数、数学物理方程、矢量分析、复变函数和矩阵理论等基础知识，并能灵活运用这些数学物理知识。国内大多数高校只针对地球物理专业开设该课程。然而课程中引入的一些概念，如旋度运算、弹性模量、波场延拓、偏移成像、地震子波、导波和相长干涉等，相对比较抽象，尤其对于煤层气专业的学生理解起来比较困难。坐标转换时二维和三维应力分量的变化则需要学生具有较强的空间想象能力。课程中涉及大量的公式推导，如波动方程、佐普利兹（Zoeppritz）方程、煤层槽波频散方程，需要学生具备较强的大学物理、矢量分析、线性代数、微积分和偏微分方程基础知识。课程内容联系紧密，若其中一个知识点没掌握好则影响后续的学习，导致煤及煤层气工程专业数理基础较薄弱的学生容易产生畏难心理，学习兴趣不高，且随着课程内容逐步深入，学生难以跟上课程进度，会逐渐失去学好该课程的信心。

2 具体措施

为了提高教学质量，增强与煤工系专业的融合，完善该课程建设，地球物理与空间信息学院重点围绕教师队伍、教学内容、教学方法、教学条件和教学效果5个方面开展了相关改革与实践工作。

2.1 加强教师队伍建设，努力提高教师综合素质

地震勘探专业为学院的优势学科，近年来学院加强了《地震勘探》课题组教师队伍建设。该课题组现有教师15名，其中正教授5名、副教授5名、讲师5名；13名教师具有博士学位、2名教师具有硕士学位；10名教师出国访问交流1年以上。教师队伍专业职称、学历分布、年龄层次和队伍结构更加趋于合理，教师队伍稳定、专业知识雄厚。通过出国访问交流、组织观摩国家级和省级教学名师授课，通过学习国内外国家精品课程、国家精品视频公开课、国家精品资源共享课和中国大学MOOC（Massive Open Online Course，即大规模在线开放课程）等网络资源，教师队伍的国际视野、综合素质和授课水平得到了明显提高。

2.2 优选国内外教材，充分利用网络教学资源

为了解决优秀教材及教学资源选取的难题，为煤及煤层气工程专业的学生量身定制出适合他们的教材和教学资源，要求教师不能照搬硬套、固守陈规，要积极借鉴国内外优秀的教学经验、教材和网络资源对该课程进行拓展和优化，在对国内外众多教材的内容进行优选和对比后，选定中南大学出版社出版的熊章强等编写的《地震勘探》（第2版）为主要教程。为紧密结合煤炭地质问题，辅以美国勘探地球物理学会SEG（Society of Exploration Geophysicists）出版的由 Yilmaz编写的《Seismic Data Analysis：Processing，Inversion，and Interpretation of Seismic Data》，即《地震数据分析：处理、反演和解释》，在该学术专著中，有大量与煤田勘探开发密切相关的处理和分析实例。有机整合这2部教材，使课程既具有地震勘探专业课的特色，又突出了课程在煤及煤层气问题中的应用。

除此以外，对国内外国家精品课程、国家精品视频公开课、国家精品资源共享课、中国大学MOOC和国内外重要学术论文等其他网络辅助学习手段也加以充分利用。如美国科罗拉多矿业学院（Colorado School of Mines）开设的煤田地震勘探（Seismic Coal Exploration）课程十分注重在教学中将地震勘探的专业理论与煤及煤层气工程专业知识紧密结合起来，其培养的学生不仅具有扎实的专业基础知识，又具有较强的实际动手能力、分析问题和解决问题能力。

2.3 优化教学内容，突出与煤及煤层气工程专业的融合

该课程作为一门专业应用课，具有很强的专业针对性和实践性，要求学生能用所学知识解决相应的煤及煤层气勘探开发问题。而专业针对性和实践性往往是教学中容易忽视的一点，导致地震勘探基础理论与煤及煤层气工程专业相脱节。为此，在教学内容方面，授课教师要深入理解该课程在煤及煤层气工程专业课程体系中的重要作用，明确该课程的煤系地层应用背景，围绕为煤及煤层气工程专业服务而进行教学内容的选择和优化，形成适用于煤工系专业的地震勘探知识脉络，除讲授传统的地震勘探基础理论、地震波理论时距曲线、地震资料野外采集、地震资料数字处理和地震资料解释外，还要拓展与煤层应用紧密相关的知识结构。

如学生学习了多波地震记录后，往往不知道这与其煤层勘探有何联系。授课教师要将多波地震记录与煤系地质特征紧密联系起来。当陷落柱（无炭柱）、采空区和煤矸石出现时，地震记录就会变得极为复杂，此时会出现多波地震记录。授课教师就要结合实例重点讲解在地震记录上通过地震波的运动学和动力学特征识别一次反射波、多次反射波、折射波、绕射波、直达波、面波、声波和微震等不同地震波的方法。一次反射波时距曲线近似为双曲线，其主频在30～60Hz左右，直达波时距曲线为其渐近线；直达波、折射波时距曲线为直线，主频在20～50Hz范围左右；声波其特点是视速度稳定（340m／s左右），频率高（主频在100Hz以上），振幅低，延续时间长，在地震记录上呈现强而尖锐的波至；面波其传播速度略小于横波速度，在地震记录图中面波的特点是分布范围广、频率低、周期大、能量强，其能量沿垂直方向迅速衰减，沿水平方向衰减缓慢，呈发散的扫帚状；微震（风干扰）其特点是能量低、频带宽（频率在60～250Hz），无规律。这样学生就会感觉到其学习的地震勘探专业基础课与其专业应用密切相关，也能学会如何灵活运用。

另外，有针对性地召开小范围的教学研讨会，使相关课程的教师深入了解彼此的教学内容和教学要求，对知识点进行系统的归纳梳理，打通知识脉络，建立合理的课程教学内容，并结合学生的学习效果和反馈信息及时进行调整和优化教学内容，使各门课的知识点之间紧密衔接、环环相扣、相辅相成，避免重复教学和难以衔接。

2.4 采用多样化教学方法，提高教学效果

教学方法的一般特点包括多样性和整体性［4～6］，在《地震勘探》的教学中，尤其要注重教学方法的多样性，具体包括以下5方面。

1）采用启发式和互动式教学 针对该课程对数理基础要求高、公式推导多的特点，在教学方法上可较多采用启发式和互动式教学，以提高学生的参与度。引导学生自主进行部分公式的推导，以加深理解和记忆。在授课的过程中，尽可能设置一系列问题，引导学生分析思考地震勘探公式的基本原理、物理含义以及推导过程中的技巧和容易忽略的因素，加强课堂的互动性，注重培养学生积极主动分析问题和解决问题的能力。

2）黑板板书和多媒体有机结合 在讲授的过程中，在公式推导部分可多利用板书，在黑板上推导的过程中注意与学生沟通和互动，带动学生思考，使学生紧跟上老师的思路，形成师生互动。对于公式推导，板书方式比多媒体方式更易于让学生理解和接受。然而在讲解地震子波、一个反射波记录道在煤层中形成的物理过程、大地滤波作用对纵向分辨率的影响或煤层中槽波传播的波场特征等内容时，利用多媒体进行动画展示具有传统板书无法比拟的优势，其更直观、形象、生动，更易于学生理解和接受。因而在授课中应根据课程的内容特点将黑板板书和多媒体有机结合，充分利用各自的优势，以达到最佳教学效果。

3）进行“前情提要”和课堂提问 针对课程具有连贯性强的特点，在每次课开始时可将上次课的核心内容做一个整体简要回顾，在巩固知识的同时也加强了知识点的衔接性。除此之外，还应结合课堂提问了解学生的理解程度，随时调整讲课的节奏和进度，对难点进行深入讲解。

4）定期对重点作业进行讲解和安排辅导答疑 对课程的重点环节布置一定量的作业，如地震波不同速度的计算、佐普利兹方程的编程与分析、槽波频散曲线的绘制等，使学生及时复习所学知识，授课教师要认真批改作业，从作业中了解学生对知识的掌握程度，发现薄弱环节。针对大部分同学未能掌握和理解的内容，在课堂上要再次进行深入讲解分析。鉴于课程难度较大、概念抽象的特点，该课程要特别注重多安排课下的答疑环节，以便对学生的问题给予及时解答与帮助，使学生及时跟上教学进度，不因对某个问题的疑惑而影响后续的学习。

5）利用网络资源作为辅助教学方法 在每次上课之前要求学生通过国内外国家精品课程（如长江大学毛宁波教授主讲的《地震勘探原理》）、国家精品视频公开课（如长江大学毛宁波教授主讲的《透视地下油藏——找寻石油的地震方法》）、国家精品资源共享课（如长江大学毛宁波教授主讲的《地震勘探原理》、中国地质大学张玉芬教授主讲的《地球物理勘探概论》）、中国大学MOOC等丰富的网络资源进行提前自学和预习，这样学生在课堂中听课时就会带着问题有针对性地进行学习，提高学生的自学能力和教学效果。

2.5 完善教学条件，增加教学实践环节

地震勘探是地球物理与空间信息学院学科优势方向。近年来，通过仪器设备修缮购置项目和优势学科创新平台建设的大力投入，引进了国内外多套先进的地震勘探仪器设备和工作站，已建成了湖北省地球内部多尺度成像重点实验室、地球物理实验室、地震波超声模拟实验室和地震资料处理与解释实验室。这些重要的实验室、先进的地震勘探设备和工作站为该课程提供了良好的教学条件和硬件支撑，为增加教学实践环节提供了保证。

如在增加实践教学环节方面，为培养学生野外资料采集能力、分析问题和解决问题能力，笔者首先利用反射波正演模拟软件，给学生们模拟演示和讲解了地震地质模型的建立、多次覆盖观测系统设计方法和正演模拟产生了多炮多次覆盖地震记录，用以模拟野外实际采集过程，并给学生们演示了反射波地震资料整个处理与解释的常规流程；其次，让每位同学利用电脑按老师讲解的方法自己亲自动手设计地质模型、多次覆盖观测系统，并正演模拟产生多炮多次覆盖理论地震记录，同时对其模拟产生的地震记录进行处理解释，让学生们对野外整个采集过程和地震记录处理解释有个初步的认识；然后，结合学院地震勘探仪器实验室和资料处理与解释实验室教学资源，让学生们参观了地震仪器设备实验室和资料处理工作站，并结合实物讲解了美国GEODE地震采集仪、不同频率地震检波器、地震采集电缆的性能指标、仪器连接及注意事项，随后在实验室的配合下在中国地质大学附近的南望山树林里带领学生们分组进行了现场踏勘、测线布置和实测地震资料的采集；最后，每个班都以小组为单位将其采集的各条测线地震资料进行二维和拟三维地震构造解释；最后进行分组讨论自己的心得体会、感想认识和存在的问题。

实践教学环节中将以学生为主体，教师提供辅助和引导，这样不仅可锻炼学生的实践动手能力，还能充分激发学生的学习兴趣。

2.6 检查教学效果，不断总结教学经验

为了检查和保证教师“教”和学生“学”的效果，培养学生实际应变能力和动手能力，教师可通过课堂考勤（10%）、课堂回答问题（10%）、课后作业（10%）、教学实践参与积极性（10%）、实验报告（10%）、口试测验（10%）和期末考试（40%）等多种方式来检查和评价教学效果。在第1节“绪论”和平时课堂教学中，教师就可把考核方式告诉学生，从而让学生上课按时出勤；课堂通过预习和复习积极回答问题；课后认真完成作业；积极参加教学实践，努力编写实验报告；有效地把握重要的概念、定理、原理和知识点，完成口试测验和期末考试。该评价方式更加注重学生学习的过程监控，避免出现学生平时不注意学习、考前突击的情况，从而有效培养学生学习的积极性、主动性和创造性。

3 结语

《地震勘探》作为一门面向煤及煤层气工程专业的课程，除具有常规《地震勘探》课程特点外，还具有其特殊的煤及煤层气工程专业要求。为此，中国地质大学地球物理与空间信息学院近年来加强了教学组教师队伍建设，提高了教师国际视野和综合素质；调整和优化了教学内容，突出了与煤及煤层气工程专业的融合；采用了多样化的教学方法，提高了教学效果；完善了教学条件，增加了教学实践环节；通过教学效果检查，不断总结教学经验。同时，教师和学生也充分利用校内外国家精品课程、国家精品视频公开课、国家精品资源共享课和中国大学MOOC等网络资源作为补充，不断提高教学效果，努力培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

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