地球物理实验教学模块化设计思路

米 宁

南京大学 地球科学实验教学中心， 江苏 南京 210023

地球物理学是一门应用物理学，是将基本的物理理论应用于解决地学问题，从大尺度上建立对地球本体的认知，如地球内部的圈层结构、重力场形态、地磁场时空分布等，从中小尺度上，形成各种勘探方法，包括油气矿产资源勘探、工程勘探和环境监测等，具有很强的应用性[1]。同时，地球物理学科又是一门定量学科，方法基于严格的物理定律和数学逻辑，本质上是通过求解物理方程获得关于地球内部结构的定量参数模型描述，建立地球演化的动力学过程模型，具有很强的数理逻辑性。因此地球物理类专业课程的教学核心在于帮助学生建立数理理论和地学问题的关联，明确地学模型参数对应的物理性质，理解地学问题背后对应的物理过程。在相关课程的教学中，良好的教学实验设计可以帮助学生加深对基础理论的理解，建立地学问题和物理过程的清晰关联。

南京大学地球科学与工程学院的地球物理基础课程，采用课堂理论教学和实验教学相结合的模式，在长期的教学实践中，逐步形成了由岩石物性测量、地球物理场观测和地球物理场资料处理三大模块构成的教学实验平台。笔者在多年的地球物理相关课程教学中，深切体会到教学实验对课堂理论教学的有效促进作用，不但能提升学生的学习兴趣，加深对基础理论知识的理解，而且可以有效提高学生的观察设计、实践动手和分析总结能力。本文结合教学实践，总结了一些有效的实验教学方法和设计思路，希望和其他院校相关专业的实验教学互相借鉴参考，共同推动本科基础理论和实验教学方法的改进。

一、地球物理专业实验教学的设计理念

地球物理学的基本研究方法，是通过地表地球物理场的观测和分析，获取关于地球内部的信息，包括地球内部的结构、物质组成、性质和运动状态等，形成关于地球内部的定量描述，是用数学物理的方法解决地学的问题。从根本上来说，就是通过求解物理方程获得关于地球内部结构的定量参数模型，建立关于地球内部变形、运动和演化的动力学模型。

因此地球物理学专业课程的教学核心内容，就是帮助学生建立各种地球物理场与地球内部结构组成和运动过程，以及相对应的物理参数模型、物理过程模型之间的关联认知，理解为什么可以从物理场中获取地球内部信息，进而思考如何从物理场信息中提取还原地球内部信息，最终建立对地球内部的各种参数模型描述。围绕上述教学思路开展相关课程教学，配合相应的教学实验设计模块，在教学过程中就可以帮助学生准确理解地球物理学的研究内容和方法原理，建立清晰的数理逻辑，不被公式推导和方程求解的复杂过程所困扰，进而循序渐进地建立起一套系统的地球物理工作思想。

二、教学实验模块设计方案和设计思路

围绕上述课程理论和实验教学的设计理念，将地球物理相关基础理论课程的配套教学实验划分为三个模块：（1）岩石物性参数测试模块，用以建立地表地球物理场特征和介质物性之间的关联性；（2）地球物理场观测实验模块，用以建立地学问题和地球物理场特征之间的关联性；（3）观测资料处理分析模块，用以建立地球物理参数模型和地学问题之间的关联性（图1）。

其中，岩石物性参数测试模块是另外两个模块的基础，是帮助学生建立地表地球物理场与地球内部结构、过程关联性的起点；模块三观测资料处理分析则是利用模块二中获得的物理场信息，推演模块一中地球内部的介质物性和空间分布，获得地球内部的参数模型和过程模型描述，完成地球物理学方法的地学目标。以下结合实际的教学案例，分别就各模块的目标设计和内容设计，以及模块之间的关联做一些总结和介绍。

1、 模块一：岩石物性参数测量实验

岩石物性参数的测定实验模块，包括岩石样品的波速、密度、磁化率测定等多个实验，实验的设计目标是帮助学生理解地表地球物理场和地球内部介质物理性质之间的关系，认识到正是由于地球内部的岩石具有不同的物质组成和物理结构，具有不同的物理性质，并且在地下空间具有不同的分布形态，才导致了地表观测物理场的空间变化，即地球物理场的异常场分布。

这部分实验内容的重点放在岩石样品的观察上，观察不同类型岩石样品的物质组成差异，相似成分岩石样品的结构差异，在岩石成分与结构特征观察的基础上进行物性参数（波速、密度、磁化率等）的测量。学生通过对不同类型的岩石样品测试，可以了解到不同类型岩石（如沉积岩/变质岩/火成岩）之间，有机矿物、非金属矿和金属矿物（如煤、石英和磁铁矿等）之间物性参数的数量级差别，同一类型岩石成分差别（如不同矿物组成的花岗岩系列）和结构差别（如不同粒度的沉积岩系列）对物性参数的影响。通过成系列分布样品的测试，总结岩石物性参数和物质组成、结构之间的关联性，帮助学生建立起地学模型参数化的基本思想。

2. 模块二：地球物理场观测实验

地球物理场观测实验模块，包括浅层地震探测实验、重力场观测实验、地磁场观测实验、高密度电阻率成像等。实验的设计目标，一方面帮助学生建立地表物理场特征量和地下介质物理特性、空间分布特征之间的关联性（如视电阻率和地下电性结构），加深对地球物理方法原理的理解；另一方面建立地球物理场的空间分布特征和地学问题的关联性（如地层探测，地下管线排查等），明确地球物理探测的目的，加深对地球物理应用的理解。

图1 模块化教学实验设计框图

图2 高密度电法成像实验—教学实验楼前管线探测实验

图2为结合课堂电法部分教学设计的高密度电法浅层成像实验，在校园内展开实验。由学生在室外进行实地踏勘，选择试验场地，室内设计测线分布，电极参数配置，然后完成室外测量，最后把反演得到的地层剖面（图2）和实际观测的地表管线露头进行对比解释（表1）。这个实验对电法勘探原理和应用的诠释直观清晰，学生通过实验探测并验证了教学实验楼前的管线基本埋藏情况，取得了良好的教学效果。

表1 高密度电法成像实验野外观测记录

物理场观测实验模块的重点放在实验方案设计和室外测量实施上，给学生提供基本的仪器操作培训，制定基本野外测量目标方案后，由各实验小组根据实际的野外测量环境、测量目标任务和实际观测效果进行实验方案调整实施。通过实验方案的设计调整，可使学生深入了解地球物理场的测量原理；通过实际的室外测量，建立对野外工作流程的基本认知，对实际地学问题的认识归纳。由于能把课堂学到的理论知识直接用于解决实际问题，直观地看到自己观测工作取得的结果，这一类实验能够极大地提升学生对课程的学习兴趣。

3. 模块三：观测资料处理实验

地球物理是一门基于观测的学科，对于观测资料包含物理场信息内容的正确理解和分析，是对资料进行有效利用的基础。观测资料处理实验模块包括地震资料、重磁资料处理等实验。这部分实验的设计目标，在于帮助学生建立对物理场观测资料包含信息的清晰认知，正确理解参数物理模型和地学问题之间的关联性，也是培养学生将所学知识用于解决实际问题的初级阶段。这部分实验可以分为观测数据预处理、观测资料分析处理和初步解释两个部分。

观测数据的预处理实验部分的训练，是帮助学生正确理解观测资料中包含的有效物理场信息和无效干扰信息，比如环境噪声干扰信息，测量仪器本身的漂移信息等，然后针对干扰的特征选择合适的校正工具对数据进行预处理。例如，通过天然地震观测资料中的数字滤波处理实验，学生理解了信号和噪声在记录中的伴生关系，天然地震波的频谱特征和信号带宽，掌握了数字滤波的基本原理。同时，在实验中学生可以接触到跟地震波数据处理相关的常用工具软件，初步进行常规时间信号的分析、计算和成图等操作训练[3]。

观测资料的处理和解释实验部分的训练，是根据研究目标和数据特征采用有效的处理手段进行目标信息提取。这一部分实验可以帮助学生加深对地球物理反演理论的理解和应用，了解地球物理反演的多解性，以及各种具体的分析处理算法的适用条件，正确理解观测资料中包含的研究目标信息；通过结合实验数据处理结果和观测区域的地质背景资料，做初步的综合地学解释，逐步建立起物理参数模型和地学问题之间的关联性认知。

综上，三个模块分别包含重、磁、电、震等多个实验，既可以作为一门完整的实验教学课程展开，也可以穿插到各类地球物理学方法课程的教学中，分别构成一个岩石物性—物理场观测—观测资料处理解释的完整体系。在整个教学过程中，各模块的目标和内容设计、模块之间的关联性设计直接阐释了地球物理学方法的基本工作思想，成为课堂理论教学的有效支撑。

三、关于地球物理实验教学拓展的思考

基于以上实验教学的基本设计思路，多年来南京大学地学教学实验中心逐步建设完成了以上述三个模块为核心，包括重、磁、电、震多种方法在内的地球物理综合实验教学平台，并在教学实践中不断的更新完善。学生在相关课程学习过程中，表现出了极大的兴趣，并参与到教学实验的设计和改进中来。从教学效果来看，实验教学拓展了基础理论教学的深度和宽度，为学科建设提供了有力的支持。从人才培养的角度来看，每年都有本科生利用教学实验室的条件进行毕业项目设计和自主创新研究项目设计，为学生参加科研和实践工作提供了良好的基本技能训练平台。

关于教学实验的进一步拓展建设，笔者以为教学实验基本功能首先是促进课堂教学，实验设计的基本框架要密切配合课堂教学内容，不仅要利用单个实验内容，而且要利用实验模块之间的关联性，加强学生对课程整体知识框架结构的认知。此外，在基本的实验框架基础上，要给学生自由发挥的空间，使得学生在课堂教学基础上能够自行设计实验方案，去验证自己对于课堂理论的理解。随着实验观测仪器生产技术的提升，国家对基础教育设施投入的加大，可以选择的仪器种类更加丰富，很多教学实验仪器已经能够实现定制，使得教学实验的设计更加灵活，以上实验教学的设计思路是完全可以实现的。