基于装备研发成果的海洋电磁学实践教学案例设计

2022-06-15裴建新罗鸣陈家林刘颖张晶陈志梅

教育现代化 2022年21期

裴建新，罗鸣，陈家林，刘颖，张晶，陈志梅

（1.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛；2.中国海洋大学工程学院，山东青岛）

一引言

为更好地适应国家经济建设和社会发展对高层次应用型人才的迫切需要，教育部明确要求培养单位创新教学方法，加强案例建设和教学改革[1-2]，中国海洋大学积极响应教育部号召，开展实践案例设计的前沿探索。我校勘查技术与工程专业作为我国首个海洋特色地球物理类专业积极推动教学改革，针对课程体系结构和依托实践的特点开展了案例探索工作。近年来，伴随着勘查技术与工程专业的不断壮大，海洋电磁方向已逐渐形成了具备产学研用相结合的教学和科研特色。在新工科建设的时代背景下，《海洋电磁学》课程建设也已树立了更新、更高的目标，如何在理论和实践教学中充分利用装备研发成果，如何紧密结合海洋环境充实实践过程，如何在专业知识基础上从实践中提出新问题及如何创新性地解决问题，都是在本轮改革中迫切解决的新挑战，这也正体现了开展实践教学案例库建设的紧迫性和必要性[3-6]，是OBE 理念人才培养体系建设的创新性研究。

二海洋电磁学实践教学案例建设的重要意义

随着深地探测、深海探测、深空对地观测和土地科技创新的国家科技创新战略规划的推进，如何在新形式下更好的服务于国家重大战略，为国家海洋强国建设储备创新性人才，已成为各个科研单位和高校谋求发展的新机遇和新挑战。为了完善电磁法勘探的教学体系，同时突出海洋特色，针对勘查技术与工程专业中电磁法勘探这一重要方向的教学任务，开展基于海洋电磁科研项目创新研究的实践教学案例设计，相关成果将填补我国在海洋电磁学方面实践教学的空白。

海洋电磁学实践教学对于勘查技术与工程专业建设是非常重要的。查技术与工程专业旨在培养特色鲜明的高素质地球物理勘探复合型创新实践人才为目标，围绕着国家资源、环境等重大需求和服务经济社会发展和增强自主创新能力，形成了“科研实践与教学互动，突出海洋特色，强化实践技能，注重创新培养”的育人方针，坚持“加强基础，拓宽专业，重视实践，培养能力，激励创新，发展个性，讲究综合，提高素质”的人才培养理念，探索新形势下高等学校人才教育规律，培养高层次创新实践人才。电磁法勘探是勘查技术与工程专业建设中非常重要的一个方向，在深部结构探测、矿产资源勘探、工程检测等领域均有着广泛的应用。将电磁法勘探的核心思想引入海洋，形成了近年来的新兴的一个研究方向——海洋电磁法，针对油气饱和度、矿物富集程度、流体运移等的电阻率异常较为敏感，所以在海底深部结构、海底油气、天然气水合物、近海底矿产资源勘探和海洋环境安全保障方面具有非常广阔的应用前景。《海洋电磁学》实践教学目的是使学生能够掌握海洋电磁学的基本理论、海洋大地电磁测深法和海洋可控源电磁法的基本原理，了解海洋电磁场的测量方法和资料处理与解释流程，以及海水运动感应电磁场的特性等, 为从事海洋电磁学的研究工作打下良好基础。海洋电磁法与勘查技术与工程专业中的《地震勘探》《重力勘探》《磁法勘探》等方法的综合应用，可在地球物理勘探中形成多物理场综合、互补的勘探体系，为多方法联合反演或联合解释打基础。该课程知识难点较多且很抽象，通过实践教学的开展可以使学生通过学习海洋电磁传感器及记录仪的工作原理，进一步理解海洋电磁法的探测原理，以实践测量的方式加深理解电磁法勘探的相关理论，可为勘查技术与工程专业培养高层次创新实践人才奠定基础。

三海洋电磁学实践教学案例建设的坚实基础

近年来，我校在海洋电磁学方向的理论教学、实践教学、人才培养、实践平台等方面的建设已大幅提升，在学科交叉基础上，我校设立《海洋电磁学》课程，具备坚实的研究和教学基础，作为一门海洋地球物理与海洋动力学、自动化等专业相结合的新课程，该课程不仅填补了我校在海洋电磁学领域的课程空白，而且树立了我校向海洋地球物理前沿研究挺进的新方向。

在海洋电磁学科研方面，我校海洋电磁方向科研骨干主持“十三五”国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等多项，在硬件装备研发和方法研究中产出了一批创新性的成果，这些成果本身及其研究过程将为本科生实践训练提供一个优质的高水平平台。随着我校海洋电磁探测技术与装备领域研究新成果不断涌现，基于自主研发的关于海洋电磁学方向的软件、硬件条件已逐渐充分融入了多种海洋电磁学实践教学—海洋电磁探测技术与装备实验室建设拥有自主研发的大功率发射系统和深海电磁采集系统，可在青岛市内和模拟水池开展可控源电磁发射及电磁信号接收实践教学。除此之外，小功率电磁信号发射源和简易电磁信号采集系统可满足浅海环境实践教学要求。数据处理平台方面，在实验室配置有海洋电磁数据处理软件，且配置有专业大型工作站设备，为学生进行科研和教学实践的动手操作和对海洋地球物理探测相关课程学习和研究提供了硬件保障。在此平台支持下，通过典型案例的实践教学可以使学生在理论和实践方面能力得到快速提升，可以启发学生主动思考问题，培养分析问题和解决问题能力，让学生充分体验动手解决问题的“成就感”，不仅巩固了该课程的学习效果，也进一步推动勘查技术与工程专业的总体专业能力。

随着我校“双一流”建设的推进，学校和学院教学研究建设也在不断深入挖掘深层次的教学科研融合点，勘查技术与工程专业也已步入高层次建设新时期，在具有海洋特色优势课程建设方面成效显著。海洋电磁法作为海洋地球物理学中的新兴技术手段，其重要的应用前景使该方法备受关注。海洋电磁法方向的青年教师骨干承担着《地球物理场论》《计算方法》《电法勘探》《电法勘探实践》《工程与环境地球物理》《应用地球物理教学实习》教学工作，具备丰富的理论课和实践课教学经验。各主讲教师主持着国家自然科学基金面上项目和青年项目和山东省重点研发计划项目，主要研究内容均围绕着海洋电磁正演模拟和反演方法、海洋动力环境电磁场及海洋电磁数据处理方法研究等方面，这些科研工作产生的内生动力可以不断将教学工作推向新高度。基于我校海洋电磁的科研基础和创新成果，充分将科研和实践教学相结合，形成了我校海洋电磁探测技术与涉海多学科交叉融合的特色，突出了实践与理论相结合的教学。所以，我校具备这开展海洋电磁学实践教学研究和实践教学案例设计的研究基础。

青岛具有优质的海岸带资源，潮间带就是一个非常理想且易于开展实验的天然实验室，既具备海洋动力耦合条件，可实践认识海洋环境下电场、磁场响应，同时因其具备很好的发射可控源电磁信号接地条件，所以也是可控源激发—接收试验理想的天然试验场。由学生设计实验方案，由指导教师完成设备布放，学生在岸上进行远距离观摩，该方式可实现学生安全、高效地全程参与实践，该实验环境和学生学习体验是实验室内淡水水槽和物理模拟模型等无法替代的。教研组成员均是从事电法勘探、海洋电磁装备研发和海洋电磁数据处理的一线教师，在电磁勘探的教学、科研和近海及远海实践方面具有丰富的经验，这些均为开展海洋电磁学实践教学提供了全面且坚实的基础条件。

四海洋电磁学实践教学案例建设方案

（一）案例建设总体路线

为了使学生在海洋电磁探测各个环节中充分认识相关知识点，并将实践细节与知识点相融合，教研组摸索出了一套从硬件到方法、从建模到设计、从室内到近岸、从观测到分析的多维度训练的实践方案，且具有鲜明的海洋特色和学科交叉特点。依照实际工作要点和探测过程选择典型的实践案例，建立了由海洋电磁探测装备工作原理→海洋电、磁传感器一致性测试→实验室测试和海洋环境测试→海洋大地电磁探测设计→海洋动力环境电磁场观测设计→海洋大地电磁数据处理组成逐步递进的实践模块，这5 大模块分别对应着学生应掌握且在今后实际科研和工作直接相关的关键知识点；该实践体系的教学总体可实现对25 个主要知识点的全覆盖，按照“全流程、多层次”的原则，培养学生硬件认知能力→装备操作能力→勘探设计能力→学科交叉能力→综合处理能力。在构建了如图1 所示的实践案例建设总体路线基础上，以“强化完整知识结构、探索知识体系交叉、发挥自研装备优势、利用海洋实践条件、推动科研带动教学、建立动态完善机制”的总体路线开展实践案例建设。

图1 实践案例建设总体路线

（二）案例建设主要模块设计

1.海洋电磁探测装备工作原理

主要训练和考核学生对海洋地球物理勘探装备的总体认识和对硬件工作基本原理的理解，了解海洋电磁勘探系统的各大单元组成。从信号激励机制、大功率发射原理方面介绍发射系统电路工作原理，从微弱信号的高精度检测和抗干扰结构设计方面学习采集电路工作原理。在室内条件下用采集系统对背景环境进行信号采集，分析采集数据。以实物和视频方式讲解实际海洋油气资源勘探及海底深部结构探测时，海洋电磁勘探系统的总体工作方式。

2.海洋电、磁传感器一致性测试

主要训练和考核学生对海洋地球物理勘探传感器一致性方面的测试能力，认识到传感器一致性测试的重要性。设计合适实验室测试环境，对电场、磁场传感器进行无屏蔽条件测试和有屏蔽条件测试，对比传感器幅值、频率响应方面的一致性，并将传感器布设在潮间带进行野外环境下的一致性测试。在测试环节中，需要对采集系统进行一起和传感器等组件的各项连接，并对采集系统进行设置和观测启动。为了获得统一的信号源进行一致性测试，采用小功率模拟发射源进行信号发射，现场介绍系统的设置和启动。在海洋环境条件下采集因潮汐引起的电磁场变化，分析海洋环境电磁场特征。

3.海洋大地电磁探测设计

指导学生收集资料进行地电模型建立，在《电法勘探》课中已讲授的知识基础上进行海洋大地电磁模拟计算，进而实现勘探设计的实训。将模拟结果与以往实测海洋大地电磁数据进行对比，使难于海上实践的题目也能在市内获得直观的认识。以我校研发的海洋大地电磁仪作为实物讲解设备组成、设备组件连和设备布放回收等环节，训练学生的实操技能，了解探测过程中的人身和设备安全事项，以及在各个环节中可能遇到的问题，从各个环节中考虑影响数据质量的因素，为现场质量控制及后期的资料处理提供重要参考依据。主要考察学生的动手和观察能力，通过实践操作和理论相结合，提高学生的工程实践能力。

4.海洋动力环境电磁场观测设计

指导学生思考影响海洋电磁观测因素是什么，设计针对海洋环境参数研究的海洋电磁观测方式，并对已有观测资料进行学科交叉的多角度分析。主要考察学生对海洋相关环境参数的认识，以及根据需求设计相关海洋动力环境电磁场观测方案等设计能力，培养学生对背景场观测和研究重要性的认识，并根据需求设计观测海浪、海流感应电磁场的观测系统及装备布设方案。本设计主要训练学生的探索思维和解决问题的能力，启发并培养学生善于开启多学科交叉的思维方式，锻炼用多学科角度综合分析问题的能力。

5.海洋电磁数据处理

指导学生认识并实践大地电磁处理流程，考察学生对海洋大地电磁资料的预处理、特定噪声的压制方法的掌握，训练学生在成果图件绘制、数据处理和报告撰写等实践技能的掌握情况和熟练程度。海洋电磁数据处理是地球物理成果展示的重要环节，教研组为学生提供理论合成数据和实测海洋电磁资料，学生对以上两类数据的处理和分析并最终形成处理和分析报告，由此可进一步考察学生对数据处理方法的应用能力，在处理过程中深入剖析数据，激励学生对数据所反映出的物理意义主动思考和全面分析。