“磁法勘探”课程教学探索与实践

杨宇山，李媛媛，刘天佑

中国地质大学（武汉） 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

“磁法勘探”课程教学探索与实践

杨宇山，李媛媛，刘天佑

中国地质大学（武汉） 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

“磁法勘探”是勘查技术与工程专业本科生专业主干课之一，实践性强，应用广泛。本文基于课堂教学实践的探索与研究，在多媒体教学的基础上引入3D可视化数值模拟技术，实现实时动态可视化教学。在教学过程中结合科研项目系统讲解基础理论，并在课程考核中加强自主科研实践的训练和评价，及时引导学生进行课程结束后的分析与反思，从多方面进行教学手段和方法的革新，增强教学效果，增进学生的学习兴趣，提高学生学以致用的能力，培养学生独立探索的科学精神。

磁法勘探；课程教学；3D可视化教学；科研训练

magnetic exploration; course teaching; 3D visualization teaching; scientific training

“磁法勘探”课程是为我校勘查技术与工程专业（勘查地球物理方向）本科生开设的一门重要的专业主干课，目的是使学生系统地了解地球磁场的基础理论，掌握磁法勘探野外工作方法、磁异常的正反演理论及常用的处理与转换方法，培养学生运用磁法勘探的基本理论去解决各种地质问题的能力，为进一步从事地球物理应用研究打下良好的基础。该课程需要在数学和物理基础课程（如位场理论、数学物理方程等）以及地质基础课程（如地质学基础、构造地质学等）的基础上进行教学，通过课堂教学和讨论、课外作业、室内上机实习、野外实践，使学生对磁法勘探的基本概念、原理和方法有系统的理解和掌握。课程要求宽厚的理论基础，同时综合性和实践性又很强，在有限学时的课堂教学下，学生往往感到基础概念和理论枯燥乏味、难以理解，无法自主、深入地完成知识点的学习，更难以激发学生的创新意识。

多媒体技术已成为大学课堂教学普遍应用的现代教育技术，但由于高校教师的信息化教学能力普遍较低，缺乏对信息技术与课程整合的研究，而多数高校的教师评价体系又不重视教学，导致大学课堂多媒体教学面临着多种困境[1-2]。例如教师过度依赖PPT，在制作多媒体课件时照搬教材或网络中的文字，讲课时照本宣科，导致学生笔头懒、手懒，思维过程被课件的流程控制，不利于培养学生独立思考的能力。鉴于此，本文以中国地质大学（武汉）勘查技术与工程专业“磁法勘探”课程为例，在教学活动中不断探索适应本科生学习特点的教学模式，改进多媒体教学的效果，充分发挥学生独立思考、探索和解决问题的精神，激发学生学习、实践和科学研究的兴趣，增强学生对磁法勘探理论与方法的掌握程度与应用能力。

一、3D可视化数值模拟在教学中的应用探索

科学可视化（scientific visualization）是20世纪80年代后期提出并得到发展的一门新兴技术，90年代初逐渐从研究阶段发展到应用阶段。虽然可视化技术的提出至今差不多30年的时间，但由于其广阔的应用前景，得到普遍重视，各种不同程度的可视化产品在人体三维结构、机械工程、油气藏描述、地理信息系统及地球物理勘探等领域获得了广泛的应用[3-5]。可视化数值模拟技术将实际地球物理问题通过计算模拟以图形或图像直观地显示出来，展示模型参数及异常的时空分布特征，特别是人机交互系统的使用，以实时动态模拟可视化教学手段将抽象的公式和概念具体和形象地表达，加深学生对计算模拟结果的感官认识，从而锻炼学生的动手实践能力，提高教学效果[6]。

磁异常的正演和反演理论是磁法勘探课程的核心内容，其中已知磁性体的形状、产状、大小和磁化特点，计算其磁场分布是正演问题，它是反演问题的基础。目前在“磁法勘探”的教学中，大多通过黑板板书介绍规则磁性体（球体、水平圆柱体、板状体、台阶、背斜）的磁场计算公式，结合PPT展示不同磁性体产生的磁场平面和剖面特征。由于磁性体产生的磁异常影响因素很多，不仅与磁性体位置、体积、磁化强度的大小和方向有关系，而且与计算剖面的方向和位置、计算点的坐标有关系[7-8]。对磁性体的磁场，既应注意其平面特征，也应注意其剖面特征和空间特征。这样，才便于掌握一种形体与另一种形体磁场特征的区别。传统的教学方式将多种磁性体的磁场剖面和平面特征以二维图片的形式展示在PPT中，在有限的教学时间内，信息密度高，画面转瞬即逝，缺乏互动性，不利于学生在课堂上对主要知识点进行回味，更难以对比和分析。笔者基于AutoCAD及自行研制的磁异常三维可视化反演软件，对不同磁性体的磁异常特征进行了三维可视化数值模拟计算，实时在计算机上显示模拟结果图像，直观地考察不同模型参数对磁性体特征影响及不同磁性体磁场特征的比较分析，从而让学生对磁异常的正演理论有比较深入的理解。

图1 球体模型二维平面化信息

图2 球体模型3D可视化信息

以球体模型为例，图1和图2比较了传统教学模式下和3D可视化数值模拟产生的模型显示及磁异常的剖面和平面特征。传统模式下，展示给学生的都是静态的二维平面化信息，在信息量大，概念多而复杂的情况下，学生难以直观地理解磁场特征的空间分布特征。图2利用3D可视化数值模拟软件显示了球体模型的空间位置并计算对应的磁场，其中球体模型可以任意旋转、移动，实时计算出相应的磁异常。同时根据需要，还可以3D切片的形式任意选取不同的剖面，同时显示剖面磁异常在平面上的分布特征。除了单个模型磁异常特征的3D可视化模拟和显示，学生还可以根据实际的需要，建立起伏地形下多个不同形态的磁性体模型（如图3所示），通过软件实时计算和显示其对应的磁场，进行对比学习。通过可视化教学手段，加强了学生对三维空间磁异常正演理论的认识，引发学生对课堂理论知识的深入思考，有效地激发了学生对于专业学习的兴趣。

图3 起伏地形下不同形状磁性体（球体、水平圆柱体和板状体）产生的井中磁异常

二、结合科研项目讲解基本理论

磁法勘探是发展最早、应用最广泛的地球物理勘探方法之一。不论是固体矿产的普查、详查，还是油气构造、煤田构造的普查，以及地质填图等工作，磁法勘探都可不同程度地发挥作用。另外，在工程地质、地震预报、考古等方面也卓有成效。野外磁测数据在进行地质解释和应用前，通常需要进行转换和处理，这部分课程内容也是磁法勘探解释理论的一个重要组成部分。磁异常的转换处理方法繁多，各有优缺点和应用的前提。为了帮助学生深入理解各种转换处理方法的原理和应用效果，笔者结合自身研究经历和积累的研究成果，以图文并茂的形式列举参与的实际应用项目，围绕实施项目工作而进行教学，引导学生应用课程所需知识完成项目。

课堂教学实施：一方面，基于常用的磁法勘探数据处理软件将磁异常转换处理方法的理论知识点通过软件演示出来，在条件允许情况下，每个学生可以在自己的计算机或者机房同步进行操作。另一方面，以项目为载体，介绍项目相关的地质背景，提出项目需要解决的问题，引导学生回顾关键知识点，将其有效串联起来，引导学生运用所学理论完成项目设定的目标。在这个过程中，学生通过不断尝试，加深了对理论知识的系统掌握，熟悉项目的实施流程，调动了学习的积极性，使学生在后续的实践教学环节中更能胜任野外实习及毕业设计中的实际生产任务。

三、加强自主科研实践的训练与考核

“磁法勘探”教学内容实践性较强，学以致用是提高学生学习兴趣的有效途径之一。根据教学计划要求，筛选出教学内容中重点和难点内容，结合反映最新进展的前沿科学问题，设计多个主题供学生自由选择。教师在学生科研实践的过程中起引导、启发和指导作用，鼓励学生建立自己的观点，并利用查阅资料、实验、调查等方法来验证自己的观点，最终解决研究问题，形成自己的结论。在此基础上撰写课程论文，并制作好PPT进行口头汇报。考核时，老师根据课程论文、口头汇报等方面的综合表现进行成绩评定，为保证成绩评定的公开透明，每个同学接受考核结束时，当场公布考核成绩。为提高学生参与的积极性，将该考核成绩以不低于20%的比例纳入到期末综合成绩评定中。

除了研究性学习的培养和训练，学生对于基本概念和原理的深刻理解和掌握是课程的首要目标。课程最后的期末考试是有效考查学生学习效果好坏的主要手段。为了确保学生真正地学到知识，而不是肤浅、暂时地储存知识，应付完考试后就很快忘掉，全盘还给老师，笔者设置了期末考试后的反馈环节，集中时间给同学们详细讲解每道试题考查的知识点及答题要点，特别是一些常见的误解。在此基础上，建议同学们分析自己先前考试所犯错误的缘由，并在限定时间内提交错误分析报告。根据同学们对于错误的分析程度，进行评价和加分。同学们普遍反映，这种错题分析和反馈的方式能较好地鼓励他们反思，更深刻地理解课程的基本概念和原理，从而促使学生自主学习、激发学生的学习兴趣。

四、结语

磁法勘探是地球物理勘探的重要分支之一，具有很强的实践性。为了有效增强教学表现力，开发学生的创造思维，培养科研兴趣，论文在多媒体教学的基础上将3D可视化数值模拟引入课程教学中，将课程教学内容与3D可视化模拟相结合，通过实时动态地结果展示，使学生对复杂抽象的概念有了更加清晰形象的认识，大大提高了课堂效果。笔者同时以科研项目为依托，以关键知识点为核心，围绕项目实施工作而进行教学，提高学生对教学内容的系统理解和解决实际问题的能力。在最后的课程考核中，加强了对学生自主科研训练的考核与评定，并在课程考试结束后及时引导学生进行分析和反思，变被动应试为主动思考，使学生从自主学习中受益终生。

[1] 冯博琴.多媒体上课六要素和四大忌[J].中国大学教学，2008(2)：4-5.

[2] 方明建.大学课堂多媒体教学的困境与突破[J].中国大学教学，2013 (2)：65-66.

[3] 胡祥云，胡祖志，钟宏伟，桑卓.科学可视化及其在地学中的应用[J].工程地球学报，2004（4）：358-362.

[4] 陈少强,宋利好, 姚敬金,等.可视化技术宅物化探找矿中的应用及前景[J].物探与化探，2002（1）：60-63.

[5] MARY R M. Another node on the interNet-Visualization in undergraduate geoscience science education: what do we really know [J].Computers ＆ Geosciences, 2001 (27):497-498.

[6] 师小清，吴剑锋. “水文地质学基础”课程的数值模拟化教学探讨[J]. 中国地质教育，2014（4）：75-79.

[7] 管志宁. 地磁场与磁力勘探 [M]. 北京：地质出版社， 2005.

[8] 刘天佑. 磁法勘探 [M]. 北京：地质出版社， 2013.

G642

A

1006-9372（2017）02-0048-04

2016-09-12。

中国地质大学（武汉）2016年本科教学工程预研项目：勘查技术与工程（勘查地球物理方向）特色专业建设（G1320311608）。

杨宇山，男，副教授，主要从事重磁资料处理与解释方面的教学与科研工作。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn

杨宇山，李媛媛，刘天佑.“磁法勘探”课程教学探索与实践[J].中国地质教育，2017，26（2）：48-51.

Title:Practice and Research on Magnetic Exploration Course Teaching Practice

Author(s):YANG Yu-shan, LI Yuan-yuan, LIU Tian-you