地学仪器方向梯进式实践教学路径探索

肖慧，徐哈宁，原源，李广

（东华理工大学 地球物理与测控技术学院，江西南昌 330013）

随着我国矿藏资源的勘采工作从浅部转向深部，勘采难度日益增加，迫切需求大量具有开拓精神、实践能力且能吃苦耐劳的地学方向的应用型创新人才[1,2]。

东华理工大学地学仪器方向长期肩负培育地、勘仪器类高素质人才的使命，也承担着研制开发新型地学仪器的科研重任[3,4]。在“双一流”建设的背景下，地学仪器方向科研成果十分丰硕[5]，为“科研反哺教学”孕育了肥沃的土壤。近年来，基于矿藏勘采对人才的需求[6,7]，地学仪器方向及时转变教学观念，围绕应用型创新人才培养这一目标，结合自身科研优势，积极探索“梯进式科研反哺”融合“线上线下”混合式实践教学路径。本文结合学校自主研发的分布式电法勘探仪——“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”的科研实例，介绍地学仪器方向实践教学的成功经验。

1 “梯进式科研反哺”实践教学背景

电法勘探仪是通过观测电场与地下介质分布的对应关系，达到勘查地下地质结构的一种地学仪器。

国内电法仪器以二维电阻率采集作为主流方法，但自然界中地质结构通常是三维的，日益复杂的地质勘采迫切需要能够在三维空间内提取电阻率信息的三维电法勘探[8]。在此背景下，学校地学仪器方向历经5年，研制开发了ECUTRES-III三维电阻率成像系统。这套系统包括一台主控机、16台子站和256个智能电极（见图1），采用“E-SCAN”三维观测方法、分布式智能电极以及三维反演快速算法等先进技术，满足复杂地质环境下对目标体的三维精确勘测，属于国际领先水平[9]。“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”在勘探工作中有三个过程：（1）测量之前的准备工作，包括电极的布阵、子站与主机的通信调试和每个子站与下串16个电极之间的通信调试；（2）测量过程中海量数据的并行采集；（3）测量结束后，地下目标体电性特征数据的反演以及反演结果的解释。整个测量过程至少需要33个懂方法、会操作的技术人员协作完成，从创新性和实践性两方面都非常适合本科生实践教学。

图1 ECUTRES-III三维电阻率成像系统

针对部分高校地学仪器类实践教学内容滞后、缺乏先进性和创新性等问题[10]，学校地学仪器方向从科研成果中挖掘有创新性和实践性的教学内容，将来自三维电法勘探的新技术、新方法和新成果融入本科实践教学中，根据学生不同阶段的学习能力特点，分层次实施“基础认知→系统训练→野外实战→社会拓展”的梯进式培养（见图2），为学生构建“想→学→做→用”的层进式实践平台。

图2 “梯进式科研反哺”实践教学框架

2 “梯进式科研反哺”融合“线上线下”混合式实践教学路径

基于互联网教学平台，地学仪器方向将线上线下相结合，按照“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”的工作过程，由浅入深指导学生完成阶段性实践任务，逐层推进学生形成自己的知识体系和动手能力，形成了“梯进式科研反哺”融合“线上线下”混合式实践教学模式（见图3）。图3是一个批次（班级）的完整实践教学过程，每批次约32名学生，分成1、2、3.....15、16小组，每组2人，分别负责1号、2号、3号.....15号、16号子站的线路。整个教学过程包含4个实践阶段，每个实践阶段包含3个教学环节：教学准备—教学实施—教学检查。

图3 “梯进式科研反哺”融合“线上线下”混合式实践教学模式

教学准备环节（线上）：教师在网络教学平台发布实验环境、实验内容、实验原理、实验任务和实验操作规程等，学生在线上学习教师发布的实验资料，每个小组交流讨论后提交一份实验实施计划书，教师审阅修改后可安排进入第二个环节。

教学实施环节（线下）：学生按照各自的实验计划书，在实验现场动手完成实验任务，教师对学生进行现场指导，引导学生解决实验过程中遇到的问题，并根据实验完成情况予以考评。

教学检查环节（线上）：学生将实验过程所测的数据进行处理后生成相应图表和结论，撰写实验报告并上传线上平台，教师批阅后再反馈给学生，根据报告完成质量予以评分。

下面以“基础认识实践—系统应用实践—野外综合实践—社会拓展实践”为链条介绍具体的实践教学过程。

2.1 基础认识实践

基础认识实践在学校教学实验室开展，此阶段学生尚未接触该领域的前沿科技，因此注重培养学生对新科技、新方法的思考和理解能力，即能力层次中的“想”这一环节。实践内容包括“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”的理论认知、基本操作和基本检测，采用翻转课堂的方式开展。

线上教学准备，教师提前2周在学习平台发布“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”的理论体系讲解，并在线上答疑，然后提前一周在线上平台发布实验内容，包括“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”的整机操作方法、系统空载通信测试、采集子站空载电位测试以及采集子站短路电位的测试。学生按要求预习资料并提交实验计划书。

线下实验教学，教师在现场进行实验指导和实操考核。首先16个小组在掌握理论的基础上协作完成整机系统操作和系统空载通信测试。上述操作通过后，各小组进行子站空载电位测试和子站短路电位的测试，每组重复测量5次。

线上汇报检查，学生将实验所测数据整理绘图、归纳总结并在学习平台提交实验报告，教师批阅后给予评分。从子站空载电位测试结果（见图4）和子站短路电位测试结果（见图5）可以看出：学生所测空载本底电位介于-20mv～20mv之间，短路本底电位介于-8mv～6mv之间，数据符合系统测试要求，每次测量结果基本稳定，说明学生已经理解系统理论，熟悉仪器基本操作，可以进入下一个实践环节。

图4 子站空载电位多次测量结果（单位：mv）

图5 子站短路电位多次测量结果（单位：mv）

2.2 系统应用实践

系统应用实践安排在校内科研试验基地——三维电法水池开展（见图6），水池可进行多种模型体实验，尺寸为：6 000mm，6 000mm，3 000mm (长 宽 深)。此阶段训练学生对三维电法仪器的勘测实操能力，是梯进层次中“真练”环节，教学任务比较繁重，是实践教学中最关键的环节。教学内容有：（1）水池自然电位测量（无模型）；（2）水池高阻体（铜球模型）电位测量；（3）水池低阻体（塑料球）电位测量。下面以高阻体模型（铜球）为例说明教学过程：

实验准备工作分为“线上→线下→线上”三个过程：教师提前2周在学习平台发布实验任务、讲解实验规程、介绍水池环境和基本参数，学生在线上自主预习实验资料；教师提前一周带领学生前往水池，讲解总体实验方案后，指导各小组勘测水池具体尺寸，根据水池参数计算并设计各自小组电极布阵的方法及坐标；16个小组在学习平台提交各自的实验计划书，教师审阅修改后反馈给学生。

水池模型勘测工作量很大，需要两天才能完成一个实验，教师全程现场指导学生操作。在测量的前一天，教师带领学生做实验准备工作：各小组按照实验计划书中计算的水池电极坐标，布置完成16×16的电极测量网格（见图6），然后对256个电极按行列式1-1、1-2、……、16-15、16-16进行编号。测量当天，各小组现场进行系统空载通信测试、采集子站空载本底电位测试以及采集子站短路本底电位的测试，测试无误后再进行高阻体铜球模型测量。实验中铜球直径38.2cm，处于电极网格中央，埋深8cm。一次完整的测量共计得到65 280个数据。

图6 三维电法水池电极布阵

实验之后，所测数据由学生带回实验室，教师线上指导学生采用pole-pole装置模型形成三维电法反演数据格式。各小组完成数据处理后，整理图表并在线上提交实验报告，教师批阅评分。本文随机选择第2组学生报告中的反演结果（见图7）。

图7 铜球模型测量数据反演效果

图7中a图是x、y方向的电阻率垂直切片，可看到接近球体位置时，呈现出明显的圆形低阻异常，可精确推断球体的位置和大小；b图是立体效果图，可见球体形态反演的效果明显，达到铜球模型实验效果预期。

2.3 野外综合实践

野外综合实践是培养学生地质勘探实战能力，检验学生“真做”的重要环节。地学仪器方向利用科研项目的野外测试平台，建立了3个野外实践基地，并根据实践基地具体情况制定相应的教学计划和教学内容。下面以江西省抚州市临川温泉教学实践基地为例，该基地地下热水丰富，在热水流经区与无热水区，地层的电性差异较明显，视电阻率值变化较大[11]，是十分理想的地下异常体勘探环境，非常适合开展野外地质仪器实践教学。

实验准备工作分为线下和线上，与水池实验类似，这里不再赘述。实验过程中，教师在现场作为指导兼指挥，带领学生在选定的测区，将16路子站及其电缆充分展开，形成覆盖150m×150m实验区的16道测线，每个小组负责一道测线，师生之间通过对讲机远程交流，现场勘测见图8。

图8 野外现场勘测

测量工作结束后，学生对数据进行误差处理和视电阻率的反演，撰写实验报告并线上提交教师批阅评分。本文随机选择第10组测线的反演效果（见图9），可以清晰看出试验区深部低电阻率部位涌动比较明显，能够反映出实际地质体在深层有地下热水流通，与温泉测区真实地质特征相符。

图9 第10组测线视电阻率反演图

2.4 社会拓展实践

“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”已成功研发5年多，被广泛应用于城市地质灾害监测、矿产资源勘查、煤矿安全隐患检测等领域。地学仪器方向充分发挥科研成果服务社会的能力，带领学生多次参加服务和支援地方经济建设的实践工作，为学生搭建了“真用”的拓展实践平台。

江西气候湿热多雨，地形多为丘陵山地，滑坡地质灾害频发。在南昌市昌西大道某处有一边坡滑坡隐患点，该隐患点前缘临空面5米处是一个工厂外围墙，坡体中部和前缘靠近围墙处是村民种植的经济适用山茶树，滑坡体下缘的昌西大道是外地进昌的主要干道。滑坡体前缘边缘存在明显裂隙，为预防隐患滑坡对经济建设和人民财产造成损失，师生团队采用自主研发的“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”，对该隐患点常年定期监测（见图10），并以任务驱动的方式开展拓展实践训练。

图10 隐患点定期监测

社会拓展实践让学生亲眼见证科技成果对区域经济发展的保护和助推作用，使学生感到学有所用、学有所成，所产生的价值体现会反馈到以后的学习中，激发学生的求知欲和探索欲。2020年，师生团队采用自主研发的“科研神器”—ECUTRES-III分布式电法仪在江西多地科技抗洪的事迹[12,13]，受到了央视新闻频道、江西卫视、江西日报等多家媒体聚焦报道，这些来自社会各界的高度评价能够增强学生认识社会、理解社会、服务社会的意识和能力，潜移默化中助推教学达到“价值引领”和“知识传授”的统一。

3 结语

地学仪器方向以“ECUTRES-III三维电阻率成像系统”的科研成果和科研平台为基础，结合自身专业特色，将科研项目的新技术、新方法和新成果融入实践教学中，按照四层梯进的培养方式和“线上线下”混合的教学举措，有效促进了实践教学对科研的反哺，给予学生“真想—真学—真做—真用”的实践平台。近年来基于该实践平台，地学仪器方向在各类大学生科技竞赛中屡获佳绩，2017年到2020年，参加大学生“挑战杯”竞赛和“互联网+”大赛项目，先后荣获国家级奖6项、省级奖10项、校级奖20余项，多数毕业生成长为既有专业技术能力、又有价值辨识素养的优秀技术人才。这些教学成果充分说明了地学仪器方向“梯进式科研反哺”实践教学路径的科学性和先进性，值得在类似高校实践教学中推广。