《地球物理反演》课程教学中提高学生学习兴趣的实践

欧东新 李静和

摘 要：在《地球物理反演》课程教学中从激发学生学习兴趣入手，在激发学生学习动机、编制合适的教材、理论联系实际、提高教师个人素质四个方面进行教学安排，增强学生学习兴趣，提高教学效果。

关键词：地球物理反演；学习兴趣；学习动机

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）08-0090-03

Abstract： In teaching and study of geophysics inversion course， from arousing students' study interests， inspiring students' study motive， working out suitable teaching material， linking theory with practice， increasing teacher's personal qualities，the teaching is arranged to improve effectiveness of teaching and study.

Keywords： geophysics inversion； study interests； study motive

《地球物理反演》课程是勘查技术与工程（物探）专业的一门重要的专业课程[1]。在实际工作中对于提高物探工程解释质量具有重要的作用。但是本门课程理论较为复杂，涉及大量的数理知识，学习起来有一定的难度。为了提高本课程的教学质量，前人做了一些有益的实践[2，3]。此外，在实际工作中，不少物探从业人员都是使用现成的处理软件，进行傻瓜式操作，不需要了解反演处理的具体方法过程也能处理出不错的结果。因此有些学生就产生只要会用软件就行的思想，对反演理论学习不重视，无兴趣，造成教学及学习效果较差。为了增强学生学习兴趣，提高学习效果，作者在多轮讲授本课程中进行了一些有益的探索实践。主要从以下几个方面来进行教学工作：1. 激发学生学习动机；2. 编制合适的教材；3. 理论联系实际；4. 提高教师个人素质。

一、激发学生学习动机

教師和学生是教育活动基本要素，学生的学习动机是直接推动学生学习的内部动力[4]，教师只有激发和培养其学习动机，才能充分调动学生的学习主动性和积极性，能使教学工作达到事半功倍的作用，获得较好的教学效果。

学习兴趣和学习信念是学习动机的初级和高级表现形式[5]。“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”学习积极性往往与学习兴趣有关，当学生喜欢某一学科时，会积极主动地去学习该学科，上课时会认真听讲，积极思考并参与课堂讨论，下课后也会认真做作业，努力学习由于时间关系课堂上没有讲的知识内容，这样才会产生较好的学习效果；反之，学生对一门课程没有兴趣，则学习会处于勉强被动机械的过程之中，上课时可能会开小差，人虽然坐在教室里，可是思想不集中，不听讲，甚至会在课堂上做与上课无关的事情。老师虽然很认真的讲课，但学生可能左耳朵进右耳朵出，上课就变成老师一个人的独舞，而学生不会积极参与课堂的互动，只是在课堂上熬时间。上课的目的也就只剩下混学分，这样的教学效果肯定是不会好的。因此教师一定要培养学生的学习兴趣和强烈的学习动机才能提高教学的效果。所以，在教学过程中，教师要挖掘教材趣味素材，设置问题情境，激发学生的好奇心和探求新知识的欲望，激发学生深入学习了解知识的浓厚兴趣；要建立朋友式的师生关系，增进师生情感，充分发挥师生教与学的主观能动性以及主导和主体作用，积极参与课堂教学，引导学生在有限的单元教学时间里始终兴致盎然，不断提高教学质量。

（一）内部学习动机

首先要使学生了解《地球物理反演》课程的重要性，结合具体实例说明没有反演，地球物理勘探的效果将大打折扣。在有些情况下，不进行反演，甚至能得出错误的结果。在第一堂课上，首先讲述地球物理反演的概述，介绍反演课程的基本内容，并以二维直流电测深为例说明反演的必要性。在这个例子中，建立一个带地形起伏的地电模型，模型具有一个山峰，一个山谷，在电阻率为100Ωm的均匀大地中有一个电阻率为1Ωm的低阻体和一个电阻率为1000Ωm的高阻体。采用对称四极装置进行了电测深正演模拟，并绘制了视电阻率等值线断面图（观测数据）。让学生可以看到由于地形起伏和不均匀性的影响，视电阻率断面图无法准确反映地电模型的结构信息，甚至还会出现很多假异常。在这样复杂的地电条件下直接利用视电阻率资料进行地质推断是很困难的。随后又给出作了比值法地形校正的视电阻率等值线断面图。从图中让学生看到虽然地形校正可以在一定程度上改善地形影响，消除一些假异常，但还是难以识别异常体的分布范围。最后给出利用最小二乘法反演所得出的反演电阻率等值线断面图。从反演图中可见地形影响基本完全消除，两个异常体的位置和大小基本和正演模型一一对应。在这个例子中让学生对反演的作用有了直观的映象，认识到反演在资料解释中的重要作用，从而激发他们学习反演的兴趣。

要坚决反对只要会用反演软件就行，不需要懂反演理论的思想。反演软件的使用需要设置大量的反演参数，需要一定的人为干预，而如果不了解反演的基本理论，很难设好这些参数，也就难以得到好的反演结果。让学生树立只有懂得一定的反演理论知识才能用好反演软件的思想，让学生产生想学习，和必须学习反演课程的思想。

鼓励学生，让他们形成本门课程不难的观念，消除学生畏难思想，激发学习信心。例如给出一维直流电阻率纵向电导直接反演程序，让他们看到仅有几行代码，但是却能有较好的反演效果。由于感觉简单，认为自己能学会，同时自己也可以编制这样的反演程序，获得极大的成就感，满足感。这样就能极大的激发学生的学习兴趣。同样还是以一维直流电阻率纵向电导直接反演为例向学生展示反演方法的创新其实也不难。这个直接反演方法正是笔者在讲授《电法勘探》课程中纵向电导概念时产生的灵感，核心思想就是“把观测到的视电阻率看成某个深度以上的大地纵向电阻率”。这样就能利用纵向电导的公式从上到下一层层递推获得大地的地电结构。从这个例子让学生看到在学习的过程中要主动思考，往往一个小小的想法就能产生巨大的作用。

此外为了进一步激发学生的学习兴趣和学习信心，笔者还以以前指导的本科生做毕业论文时发表论文的例子来说明科研创造不难。当时这个学生从比值法进行地形校正，以及笔者的一篇利用修正系数从一维偏导数计算二维偏导数的论文中获得灵感，利用比值法来计算有限单元法的修正系数，达到在有限单元法直流电测深二维正演计算中只用5个波数就能在大极距（超过100米）下，以及在电源点附近获得较高的计算精度。这篇论文的关键就是利用修正系数这个方法。用这个例子向学生展示即使是本科生，只要肯多动脑筋，活学活用，即使利用简单的理论知识也能做出不错的科研成果。

为了强调科研不难，关键是勤于思考，在课堂上还以屠呦呦获得诺贝尔奖的例子来激发学生的兴趣。屠呦呦多年从事中药和中西药结合研究，突出贡献是创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素。1972年成功提取到青蒿素。2011年9月，因为发现青蒿素——一种用于治疗疟疾的药物，挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命获得拉斯克奖和葛兰素史克中国研发中心“生命科学杰出成就奖”。2015年10月，屠呦呦获得诺贝尔生理学或医学奖，理由是她发现了青蒿素，这种药品可以有效降低疟疾患者的死亡率。她成为首获科学类诺贝尔奖的中国人。屠呦呦是第一位获得诺贝尔科学奖项的中国本土科学家、第一位获得诺贝尔生理医学奖的华人科学家。是中国医学界迄今为止获得的最高奖项，也是中医药成果获得的最高奖项。2017年1月9日，屠呦呦获得2016年度国家最高科学技术奖。而屠呦呦正是从中国古代医书中用青蒿绞汁的方法治疗疟疾获得灵感，利用低温提取出了青蒿素，而这个想法本身并不复杂。这些例子不但能活跃课堂的气氛，还能充分调动学生的学习热情和学习信心。

志向水平与学习兴趣水平密切相关。提高志向水平至适当水准，能培养学生学习兴趣。在课堂上，教师要开展远大理想、正确三观和学习目的教育，让学生树立实现中国梦，实现中国伟大复兴的的责任在每一个人身上的使命感，使学生明确学习方向并产生强烈的内驱动力和积极的学习兴趣。

（二）外部学习动机

经常布置作业，并及时批改。让学生能知道自己的学习情况，在作业本上写一些鼓励的话，同时在课堂上表扬作业突出的学生，培养学生的荣誉感。经常布置一些有一定难度的题目让学生做。做出来的学生在课程成绩中给于加分。通过这些手段激励学习兴趣，推动学生的学习热情。

利用先進的网络教学平台以及微信，QQ等通信工具和学生进行互动，回答学生问题，多和学生沟通，培养师生感情，即使说的不是有关学习的事情也能激发学生的学习动力。

经常表扬学生，尽量少批评学生，即使是批评，也要给与鼓励。当然也要严格教学纪律，否则学生会有不好好学也行的想法，一定要有好的教学纪律，才有好的教学效果。

二、编制合适的教材

地球物理反演由于理论较为复杂，已经出版的相关书籍大多内容太多，太深，作为教材不太适合本科教学。具有成就动机的学生能坚持学习，喜欢挑战解决疑难问题，喜欢体验解决问题后的成就感。学习内容和目标过于简单往往没有挑战性，而难以实现的学习目标容易让学生产生气馁畏难情绪，均难以激发学习兴趣。所以为培养学习兴趣，促使学生成就感的产生和体验，教师设置适合学生难度的教材就非常重要。

因此作者自编了《地球物理反演教程》用于本科教学，内容作了精简，讲解更为详细，易于理解，舍去过于复杂的理论推导，着重概念的讲解，保留一些基本的公式推导，能让学生快速建立反演的知识体系。为了理论联系实际，在书中还附上三个反演的源程序。目前教材已经出版，并应用了两届了，相比采用过于复杂的书籍，学生学习起来较为容易，老师讲解也更加简洁清楚，不会把学生淹没在大量复杂公式推导之中。有了合适的教材，学生学习更有自信心，从而更有学习的兴趣。

为了提高学生的学习兴趣，编制的反演教材不仅仅有专业理论知识，也加入了一些科学史和科学家的介绍，例如在编写Backus-Gilbert连续反演理论这一章时，由于涉及到泛函求极值的问题，泛函就是函数的函数。如果直接讲述将十分枯燥难懂。因此笔者把泛函的几个简单的例子列了出来，如在古代迦太基人建造城市时允许居民占有一天所犁出的沟所围成的土地。一般一个人在一天犁出的沟的长度是一定的。问题变为在周长相同的情况下什么形状所围成的面积最大。在这里面积就是一个泛函了，而它的自变量也是函数（形状函数），不同的形状产生不同的面积。此外还以最速降线问题说明泛函求极值问题。最速降线问题提出的第二年就由牛顿、莱布尼兹、雅各布·伯努利和约翰·伯努利本人先后给出了解答。欧拉（瑞士人，约翰.伯努利的学生）在1728年开始涉足这个领域，不久他把最速降线问题加以推广，并且考虑了摩擦和空气阻力。接着他又致力于寻找解决这类问题的一般方法。经过16年的不懈努力，终于获得成功。1744年，欧拉的《寻求具有某种极大或极小性质的曲线的技巧》在都柏林正式出版，变分法作为一个新的数学分支诞生了。由于这部杰作，欧拉也立刻被公认为当时最伟大的数学家。10年后，19岁的拉格朗日（法籍意大利人）受到欧拉方法的启发，开始研究变分法，经过4年的努力找到了解决这类问题的最佳方法。不久23岁的拉格朗日由欧拉推荐当选为柏林科学院的外籍院士。由于在书中增加了这些内容，不但使教材具有一定的趣味性，还能用年轻的拉格朗日的例子使学生产生代入心理，激发学习热情。

三、理论联系实际

如果在授课时只是讲解理论知识，公式推导，这样会比较枯燥，学生的学习兴趣也会下降，从而影响学习效果。为了提高学生的学习兴趣，必须理论联系实际，把书上的公式变为实实在在能进行反演解释的程序。对课程的主要反演方法，笔者基本都用FORTRAN进行了实现，对于简单的反演方法给出源程序，并指导学生进行修改完善。对于复杂的反演程序，也在课堂上展示给学生，并讲解关键的程序段，让学生产生“原来如此”的想法，培养学生学习兴趣，增加学习信心。在理论教学的同时也要重视实验教学，安排了三个实验，让学生能自己动手编简单的反演程，对于较复杂的反演程序也让学生亲自动手反演操作，理解具体反演参数的设定对反演效果的影响。通过实践，学生能更好的理解和巩固所学知识，同时能解决具体的反演问题，获得成就感，反过来提高学生的学习兴趣。此外，一定要结合具体的生产实践来讲解反演的运用，过程，效果，展示不做反演和作了反演的对比，让学生认识到反演的重要性，同时由于是具体的实例，学生更能理解反演的整个过程。只有认识到反演有重要作用，能解决重要的问题，提高勘探效果，他们才会对这门课程感兴趣，才能更好的学习这门课程。

四、提高教师个人素质

一门好的课程需要好的老师来讲授，如果教师教得不好，学生不会有学习兴趣。在教学过程中，教师应该总是起着主导作用，因为教师对所教的内容是已知者，他肩负着社会的委托，按照既定的培养目标来培养和教育人，因此教学任务的确定、教学内容的安排、教学方法和教学组织形式的选择以及学生学习主体作用的发挥程度都由教师来决定。在学习过程中师生双方虽然都必须发挥主观能动性，但两者的地位是不同的，教师起着主导作用[6]。

在教学过程中衡量教师主导作用发挥好坏的主要标志在于：把发挥教师主导作用和调动学生学习主动性结合起来，使得教和学之间积极配合，协调一致。因为教师的主导作用，就是要把课程的要求变成学生的需要，把社会意识和他人的经验转化为学生个人的知识、智慧和思想，培养他们的创造才能，这就要把学习的主动权交给学生，激发他们的学习兴趣和求知欲望，引导他们独立思考和认真完成学习任务。根据学生认识规律，组织他们生动活泼地主动学习，是教师应当掌握的教学艺术，也是在教学过程中坚持发挥教师主导作用之所在。

教师要不断充实自己，不但要吃透课程的专业知识还要学习新的教育理论，认真备课，准备PPT，精心设计安排课堂活动，在课堂上不能光是老师讲课，学生听课，一定要增加互动环节，要多提问（包括教师提问也包括学生提问），多布置课堂练习，讨论等环节，让学生能参与进来。要和学生在课堂和课后多多交流，这样才能了解学生的学习情况，及时反馈。有时学生的问题是课本上没有解答的，教师需要查阅文献进行研究，这样又能促进教师个人的学术水平，反过来更好地进行教学。这样在教学的过程中老师和学生都获得提高。多从学生的角度思考问题，弄懂学生的学习难点和学习兴趣点并以此合理的安排教学工作，在课堂上介绍目前本专业的最新进展，开阔学生的视野，激发学生的好奇心和求知欲。当然这需要教师有极强的概括能力，因为这些新的方法往往比较复杂，直接讲授学生很难理解，只有吃透新方法的核心，用简单的叙述讲解这些方法的基本思路，让学生不用专注于复杂的公式推导也能理解这些方法的原理。只有这样才能提高教师的教学水平，提高教学的效果。

五、结束语

一门课程的教学效果的好坏和学生的学习兴趣有极大的关系，作者在地球物理反演课程的教学实践中，从激发学生学习兴趣入手，在激发学生学习动机、编制合适的教材、理論联系实际、提高教师个人素质四个方面进行教学安排，提高了教学效果。

参考文献：

[1]欧东新.地球物理反演教程[M].北京：地质出版社，2015.

[2]李长伟.“地球物理反演”课程的教学实践探索[J].才智，2012，13：234.

[3]冯德山，王菁.《地球物理数据处理与反演》课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2014（10）：29-30.

[4]杨玲玲.高职学生学习动机培养与激发浅论[J].人才资源开发，2016（2）：233-234.

[5]王景新.高职高专学生学习动机的激发与培养[J].信息记录材料，2018，19（4）：204-206.

[6]王广忠，马传普.高等学校教师教学指导[M].重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1989.