大学课程可视化对比教学的探索

胡明顺 董守华 潘冬明 黄亚平

[摘 要]采用抽象概念可视化教学的措施，可以让学生的思维可视化，并对容易混淆的概念进行对比，以帮助学生在短时间里准确地理解概念的本质属性。文章以地震勘探资料数据处理课程中的“动校正”和“静校正”这两个较抽象概念为例，介绍了可视化对比教学的过程设计及其教学效果。

[关键词]抽象概念;可视化教学;对比教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）09-0087-03

從狭义上说，可视化教学是指将抽象难以理解的概念，利用一系列连续动态图形显示的方法，把本来不可见的思维呈现出来，直观清晰地刻画其本质含义的一个过程[1-2]。从广义上说，可以将可视化教学理解为增加学生“看”的比重，让学生从单纯的以“听”为主过渡到“听看”结合。这样更加有利于对知识难点的理解和记忆，有效提高信息加工及信息传递的效能，因此，可视化教学是一种有效教学策略[1]。

开展可视化教学需要教师课前做大量的教学准备工作，利用先进的可视化软硬件及相关专业软件，将课程难点进行分析、设计并制作成可视化视频或动画教学资源[3]。这要求教师必须对某个概念在充分理解的基础上进行拆分设计，才能打造出富有逻辑、简单易懂的图示过程。实际上，这与虚拟仿真技术十分类似。一般地，虚拟仿真教学资源的建设通常还需专业的动画制作公司参与，建设成本较高，但在实践课程教学中非常有意义[4]。在一般的课程课堂教学中，教师利用课程相关专业软件和多媒体制作软件，便能制作出较好的可视化教学材料[5]。

一、课程教学现状分析

中国矿业大学地震勘探资料数据处理课程是地球物理学专业的一门专业本科主干课，是地震勘探系列课程的关键课程，在地震勘探三大环节中起着承上启下的桥梁作用。地震勘探资料数据处理课程主要讲述反射地震数据常规处理的基本方法、原理及具体算法，包括地震数据的预处理、反褶积、速度分析、动校正和静校正、水平叠加和偏移成像，并引导学生通过该课程的学习，了解地震数据处理在地震勘探三大环节中的重要桥梁作用，深刻理解地震数据处理的目的和意义，掌握常规反射地震数据处理的流程和主要处理技术的算法原理。

该课程涉及大量较为抽象、较难理解或容易混淆的概念，以往大都采用数理推导的方式进行概念的讲解，取得的效果并不佳。本文依托教改项目，探索了应用可视化对比教学的手段，对地震勘探资料数据处理课程中“动校正”和“静校正”这两个较难理解且容易混淆的概念进行较为有效的教学设计。

二、“动校正”和“静校正”的定义

大多数地震数据处理的教材和文献认为：对反射地震数据，由于炮检距的存在，使得反射波存双程时与零炮检距地震道的反射波双程时存在一个时间差，这个时间差通常称为正常时差，将非零炮检距正常时差消除的过程称为动校正[6]。而消除近地表地形、井深和低降速带等速度横向变化引起的反射波旅行时差，消除这些时差，使反射波恢复双曲线形态的过程称为静校正[6]。如果仅仅从“动校正”和“静校正”这两个概念的字面定义来理解，一般很难让学生领会这两个概念的本质含义，更难体会二者的联系与区别，本文将阐述如何利用可视化对比教学的措施来提高教学效果的过程。

三、“动校正”含义的可视化表现

经过先修课程的学习，学生已经熟悉采用地面单炮激发、多道接收的方式来采集地震数据。教师可以利用地震波正演模拟软件，按照一定的观测系统进行地震波模拟。如图1（a）所示为建立的具有5层水平层状介质的地质模型，在横坐标x=0m处激发地震波，地面0～6000m范围为接收排列，道距100m，共61道接收。图1（a）中的箭头代表地震波向地下传播，遇到界面反射，由地面x=6000m处的检波器接收的反射波路径示意图。箭头可以制作成动画，也可以将波场延拓的快照图片制作成动画，让学生进一步熟悉地震数据采集和地震波传播的过程。

由上述正演模拟结果可以得到模拟单炮地震数据，如图1（c）所示。共有61道地震数据组成，横坐标表示的是炮点到检波点的距离，最左侧炮检距为0m，最右侧炮检距为6000m，纵坐标是反射波旅行时间。可以看到，记录中每一道数据有6个反射波，除了最小时间的波组是炮点到检波器直接到达的波，其余5组波由上至下分别对应地质模型中的5个反射界面。此处可以通过动画强调显示，提出问题：为什么同一反射地质界面对应的反射波在时间上存在一个差距，与地质模型的水平反射界面不一致？

以问题为导向的方式有助于让学生积极思考，进入思维可视化的阶段。提醒学生图1（c）所示的单炮记录各地震道在采集参数上有何区别，引出其反射波时间存在差异的根本原因在于每个地震道的炮检距不同，这是造成同一反射界面反射波存在时差的根本原因。学生很自然就会想到，这种情况的出现不能直接从图1（c）所示的反射波空间形态来反映实际地下地层产状。如果有办法能够消除炮检距不为零的各地震道的时间差，使得各地震道的炮检距相同，均为零，其结果是否就能与实际地质产状吻合呢？

如果消除这种时间差，这个时间差如何计算呢？这就需要在基于反射波时距曲线方程的基础上，进一步引出正常时差的概念。先修课程中已经给出反射波的时距曲线方程为[t=x2+4h2v]，其中[t]为反射波双程旅行时，[x]为炮检距，[h]为反射界面深度，[v]为反射界面以上介质的均方根速度，呈双曲线形态。 当炮间距为0时，其反射波双程时[t0=2hv]。因此，正常时差为[Δt=t-t0≈x2（2v2t0）]。可以看出，只要当炮检距、速度和反射目的层深度已知，即可计算出正常时差的大小。同样可以理解为炮间距、速度和深度是影响正常时差的三个因素。那么这三个因素影响正常时差大小的规律如何呢？

继续采用可视化动画进一步阐述该现象。从图1（c）所示的记录来看，不同深度的反射波同相轴双曲线曲率是不同的，浅部反射同相轴曲率大，开口小，深部反射同相轴曲率小，开口大。也就是说，其他参数相同的情况下，浅部反射波的正常时差要大些。还可以直观地发现，当炮检距增大时，正常时差会增大。

根据上述正常时差的定义，可以计算出每一道数据、不同深度的采样点的动校正量（正常时差）。很容易理解，同一地震道相邻时刻的采样点的动校正量是有可能不同的。而且，由于一般情况是浅部采样点的动校正量要大于深部采样点的动校正量，因此，动校正的结果都是将相邻采样点的时间间隔拉大，在波形上显示出拉伸畸变的现象。如图1（d）所示为图1（c）经过动校正后的单炮记录，其动校正量计算过程中使用的速度参数为如图1（b）所示的速度模型，该速度模型为对应地质模型的均方根速度。

从动校正后的记录可以看出，浅部、大炮检距区域的波形拉伸剧烈，这就是动校正拉伸畸变现象。经过动校正，不同炮间距、不同深度的反射波同相轴均被拉平，与地质模型地层产状变得相同。上述讲解的大部分内容都可以以动画的形式展示给学生。

四、 “静校正”含义的可视化表现

“静校正”的概念同样可以采用可视化表现手法来清晰阐述。同样采用以问题为导向的思路进行讲解，而且要充分利用对比分析的教学方法。上述“动校正”实施的前提假设条件为地表是水平的，激发接收均在地表，浅地表速度横向无变化。当不满足这些假设条件时，经过动校正后，反射波同相轴是否同样能准确反映实际地质情况呢？为了解答这个疑问，采用地震波模拟软件，建立复杂地表条件模型，如图2（a）所示。

图2（b）是模型图2（a）对应的模拟单炮记录。通过图示指出，其目的反射波同相轴连续差，不呈双曲线形态。在此基础上，若直接做动校正处理，其结果无法反映地质模型的水平反射界面。该问题的存在关键在于其地表条件较复杂，影响了反射波的传播路径和旅行时间。为此，是否有办法可以消除这种影响呢？

为消除这个影响，必须弄清楚造成该问题的具体影响因素。通过提示引导指出：地形、激发接收井深和浅地表速度横向变化是引起反射波不呈双曲线连续同相轴特征的三个关键因素。当满足浅地表速度较低的条件时，浅部地震波传播路径可以认为是垂直上下的，因此可以认为每一地震道仅受相应检波点垂直下方介质因素所影响。那么如何消除这个因素呢？实际上就是去寻找因为地表条件引起反射波旅行时差。如何定义这个时差呢？需要给出一个静校正地质模型，如图2（c）所示。该静校正参考模型首先给出了一个水平基准面，让所有炮点和检波点都位于这个基准面上，另外把低速带也去除了。

综上，要计算出复杂地表条件模型与静校正模型二者反射波的旅行时差，需要明确地质模型的速度结构。这个参数可以采用折射波分析法或初至层析等方法获得浅地表速度结构分布，先不在此做深入阐述。当确定了速度结构后，通过简单计算可以得到二者的旅行时差，这个时差就称为静校正量。图2（d）所示的为消除静校正量后的单炮记录，其反射波恢复了双曲线特征。

五、“动校正”的“动”和“静校正”的“静”的对比分析

对容易混淆的概念进行对比分析教学，能够加深学生对概念的理解。本课程中，“动校正”和“静校正”二者只有一字之差，但其内在本质含义完全不同。通过上述两个概念的可视化表现后，进一步将二者的区别加以说明。动校正需要计算动校正量（正常时差），对一道数据不同深度的采样点，其动校正量往往是不同的。因此，经过动校正后，会有拉伸畸变的问题。其“动”的特征就体现在动校正后波形发生了变化，且向低频移动。静校正需要计算静校正量，对一道数据其所有采样点的静校正量是相同的。因此，静校正只是将一道数据做整体时移，不会出现相邻采样点拉伸或压缩的问题。其“静”的特征就体现在静校正后的地震道只是做了整體的静态时移。

六、结论

采用抽象概念可视化对比教学的措施，可以让学生的思维可视化，帮助学生在短时间里准确地理解概念的本质属性。本文介绍了地震勘探资料数据处理课程中“动校正”和“静校正”这两个较抽象概念的可视化对比教学的过程设计，在2015届和2016届地球物理专业本科学生中的推广应用收到了较好的教学效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 丁紫晴，代建军.思维可视化教学的表征研究[J].教育理论与实践，2019（4）：57-60.

[2] 田卫东.可视化教学在高等数学课程教育的创新应用分析[J].才智，2019（16）：52.

[3] 张慧勤.微课可视化教学内容的设计策略与制作[J].教育信息技术，2015（Z2）：144-146.

[4] 陈闯.基于虚拟仿真技术的爆轰物理学课程可视化教学方法研究[J].科教导刊（中旬刊），2019（1）：115-116.

[5] 陈婧雅.可视化教学设计研究[J].教学仪器与实验，2013（11）：59-62.

[6] 李振春，张军华. 地震数据处理方法[M].青岛： 中国石油大学出版社，2006.

[责任编辑：庞丹丹]