一流课程建设背景下勘探地震学课程教学改革探索与实践

李鹏 刘财 刘洋 王典 徐驰

摘  要：高等教育是支撑、推动和引领国家现代化发展的重要力量，课程建设是高等教育发展的源泉，在以落实立德树人为根本任务，全面开展一流本科课程建设的背景下，开展教育教学改革是优化课程的重要驱动力。勘探地震学课程，从分析传统教学的局限性出发，提出“一引领，三结合，主体性，一体化”的教学改革理念，建设优质丰富的课程资源，实施“四维、六化、全程性评价”的创新改革举措，进行系统的教学模式改革，打造优质课程，培养复合型、高素质、创新性专门人才。该文为相关专业课程进行教学改革提供参考，对进行高质量课程建设具有一定的指导意义。

关键词：一流课程；勘探地震学；教学改革；课程思政；虚拟仿真；开源、模块化；类比教学法

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）09-0026-04

Abstract： Higher education is an important motivation that supports， promotes and leads the China's development of modernization. Curriculum construction is the source of higher education development. Under the background of carrying out first-class undergraduate curriculum construction with the implementation of moral education as the fundamental task， conducting education and teaching reform is an important driving force for curriculum optimization. This paper starts from analyzing the limitations of traditional teaching of Exploration Seismology ， proposes the teaching reform concept of "One Guidance， Three Combinations， Subjectivity， and Integration"， builds high quality and abundant curriculum resources， implements the innovative reform measures of "Four-Dimensional， Six-Standardized， and Whole-course Evaluation"， enforces systematic exploration of teaching mode reform， and creates high-quality courses， in order to cultivate compound， high-quality， innovative professionals. This paper provides a reference to the teaching reform of relevant professional courses and has certain guiding significance for the construction of high-quality courses.

Keywords： first-class curriculum; Exploration Seismology; teaching reform; curriculum ideology and politics; virtual simulation; open source and modular; analogical teaching method

高等教育培养的是具有社会责任感、创新精神和实践能力的高级专门人才。一流大学需要一流的本科专业支撑，一流专业要有一流的课程支撑，课程建设是高等教育發展的源泉，课堂教学是本科教育最基本的构成单元[1]。教育部于2019年10月印发了《关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），以落实立德树人，深入挖掘课程中蕴含的思政元素，建设适应新时代要求的一流本科课程为指导思想，从而形成多类型、多样化的教学内容与课程体系，从课程这一人才培养的核心要素入手，提高人才培养质量[2]。

勘探地震学是通过人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的情况，以查明地下的地质构造为寻找油气田或其他勘探目的服务的一种物理勘探方法[3]。该课程是地球物理学类专业本科生的学科基础必修课程，也是地质类、能源类专业的核心课程，吉林大学勘探地震学课程，一直以来积极开展授课内容梳理和教学改革，在“研、严、妍”人才培养理念的指导下[4]，发展以理学科学研究为核心，理工相结合的课程模式。吉林大学勘探地震学获批首批国家级线下一流本科课程（2020），吉林省课程思政示范课程（2021）；课程配套的虚拟仿真实验“地震波动理论实验”与“地震勘探野外采集实验”获批国家虚拟仿真实验教学一流课程（2021、2023）。

一  勘探地震学传统课堂教学的局限性

教学团队基于多年的教学实践、定期的教学研讨，通过教学反思和学情分析，发现课程传统教学的局限性如下。

以往专业课程教学主要将关注点聚焦在培养学生的学科理论知识及专业方法技能，对正确的情感价值观育人重视不足。价值引领或是生硬，或是思政元素浮于表面。

课程预备知识包括数学、物理、数理方程、场论和计算机编程等众多学科，知识结构复杂[5]；作为专业核心课程，涵盖波动理论、采集、处理和解译四大部分内容，包含大量的数学公式推导、物理模型构建。特别是波动理论、波动现象部分，传统的教师“理论灌输”式授课、学生“脑补想象”式学习，抽象、晦涩，降低了学生的学习兴趣。

传统课堂的数据采集部分教学，主要是仪器设备介绍、观测系统设计、野外工作图片展示等。野外采集生产性实习由于安全、成本、工期等问题高校教学难以实现；教学性实习要在所有专业课学习完成之后的大三暑期进行，实操即时性不强，会有“纸上谈兵”之感。

地震数据较为复杂，对处理结果质量要求较高，涉及的处理环节较多，环环相扣；对于本科大三学生，编程掌握程度有限，逐步逐项完成编程计算需要消耗大量时间，可行性和完成度均不理想。

本课程是对公共课和专业基础课的综合运用，以往采用“教师讲、学生听”的教师主导模式，如何调动学生的积极性，激发学生的学习动力，提升学生的主体地位，急需解决。

一般课程采用“平时成绩+期末考试”的简单评价体系，且为了实现考试答案标准化，题型较为单调，而平时成绩仅考核出勤及作业的质量，难以全面衡量真实学习效果。

二  教学改革理念

遵循以“三全育人”为目标，以“立德树人”为根本任务，坚守以学生为中心的理念，坚持以本为本的原则，教学团队提出“一引领，三结合，主体性，一体化”的教学改革理念，即：“传承黄大年精神，弘扬科学家精神”的价值引领，“以理强工、以工促理、理工结合”的专业特色课程内容体系，虚拟仿真技术支撑的“虚实结合”教学环境，“科研反哺教学，科研教学有效结合”的前沿性教学内容，“提升学生主体性，学习主动化”的教学氛围，“理论-实训实验-实践一体化”的系统教学思维。在课程思政育人引领下，形成全过程、立体、多样化的系统教学模式，塑造具有高阶性、创新性、挑战度的新型课堂，为国家培养地球物理学领域有理想的复合型、高素质、创新性专门人才。

三  课程资源建设

针对不同内容环节，挖掘、提炼思政元素，根据课程“理工结合”特性、地学专业行业特点，围绕“黄大年精神”，利用丰厚的吉林大学“三源色”精神底蕴，建立课程思政元素库，形成了“理论课堂-实训实验-实践实习”的课程思政一体化。

依托国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，基于地震波动力学原理建立地震波动理论虚拟仿真实验，基于地震数据野外采集工作原理建立地震勘探野外采集实验，将乏味的理论讲解转化为学生主动探索、即时实操学习。

积极开展常规数据处理方法的案例库（如预测反滤波、偏移等）、基于科研项目的资料库（如中值类滤波等）和基于大创活动的学生成果库（如压缩感知去噪、层位追踪解释等）等资料库建设，有效提升学生学习主动性。同时数据处理算法编程部分，除理论授课外，采用课题组参与建设的国际知名开源地球物理软件——Madagascar，为学生提供开源、模块化数据处理实验实训平台。

课程内容主要分为原理部分与数据处理两大部分，涉及采集、处理、解释三大环节，基于数学、物理、地学等多学科交叉融合，概念定理多、公式方程复杂，理解难度大。基于知识迁移理论，采用类比化教学法，总结不同的类比方式，建立勘探地震学教学内容类比知识点库，改善学生学习效果。

四  勘探地震学课程教学改革探索

（一）  教学改革思路

针对传统教学的局限性，课程从教学目标角度，提升课程思政育人；从教学内容角度，以虚拟仿真实验为支撑，虚实结合，以Madagascar平台为支撑，进行开源编程训练，达成理论-实训实验-实践一体化；从教学方法角度，改善“教-学”模式，实施科学问题引导、类比化授课；从考核评价角度，突破传统，进行全程化形成性考核。实现“四维”（教学目标、教学内容、教学方法和教学评价）、“六化”（课程思政共情化、抽象理论可视化、采集过程动态化、处理流程开源模块化、科学问题导向化和知识内容类比化）、“全程性评价”的全过程、立体、多样化、系统的教学模式改革。

（二）  创新改革措施与实践

1  课程思政共情化

通过分析新时代大学生的思想、性格特点，改變传统思政教育“背书”“讲道理”的生硬模式，开展了“如盐入水”“润物细无声”的课程思政教学，营造一个具有坚韧的价值观、积极的人生观、正确的世界观的课堂氛围。特别从身边人、身边事出发，结合专业需求、知识背景，使学生共情，主动树立个人志向与报国理想。著名的地球物理学家黄大年老师，生前就工作在吉林大学地球物理学专业教研室，他秉持科技报国理想，为我国教育科研事业作出了突出贡献。将课程中涉及的油气资源勘探、深部勘探等方面内容，结合黄老师相关科研项目，实施案例教学，即达成了科研反哺教学，教学与科研结合；又实现了课程思政育人，传承黄大年精神、弘扬科学家精神。课内外充分利用线下黄大年纪念室，线上黄大年纪念馆数字展馆、黄大年茶思屋以及虚拟仿真实验中心、虚拟仿真实验网络平台等，进行“沉浸式”课程思政，使学生亲身感受黄大年精神，身临其境体验虚拟仿真先进方法技术，融合吉林大学“红白黄”三源色精神，培养学生的职业理想、家国情怀。

根据地球物理学专业特色，挖掘“理工结合”的课程思政元素。理学，结合地震学研究地球内部构造、动力学波动方程推导等内容，注重科学思维方法的训练，引导学生探索未知、追求真理；工学，结合反射波法勘探资源、折射波法解决工程问题、地震数据解释工作等内容，注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生立志破解地球物理学领域的“卡脖子”问题。作为石油技术类课程，课程内容科技含量高，涉及学科知识多，服务的社会面宽，让学生感觉到学习本专业和课程的荣誉感和自豪感。

2  抽象理论可视化、采集过程动态化、处理流程开源模块化

抽象理论可视化。原理部分传统授课，主要针对地震波的传播规律，探讨地震波的动力学、运动学特征。方程的推导、波场的表征，是纯理论的数学内涵、物理机制的推演和分析，对大地滤波作用下地震波传播过程，只有定性描述，缺乏形象直观的认识。以往的多媒体资料，也只对应某一种介质、某一种地质模型，学生只是被动“接受”。随着互联网技术、计算机技术的发展，虚拟仿真技术逐渐渗透到教育领域。虚拟仿真教学是在计算机上搭建虚拟实验環境，实现真实实验过程的重现。为了让学生更直观地理解地震波动现象与地震勘探技术，揭示复杂波动理论的物理含义，在考虑背斜、断层等典型地下地质构造以及非弹性各向异性等岩石物性特征的基础上，利用虚拟仿真技术模拟地震波在复杂地下介质中的传播过程，打开理解波动理论物理定理定律的“黑匣子”，让学生观察体会、解释分析模拟的地震合成记录、波场快照，获得对波动理论的形象化认识。通过交互操作，使学生主动、可视化地探究不同地质模型、不同介质参数条件下各种波场的动力学、运动学规律，增加了课程内容的高阶性，提高学生的学习兴趣，增强学习效果。

采集过程动态化。野外数据采集部分传统授课，主要是从理论上讲授观测系统，对野外仪器设备（震源、检波器等）、野外工作方法进行介绍和展示。且课堂学习在本学年第一学期9月，由于场地、时间、整体地球物理系实践教学安排等客观因素的限制，教学性实习实操需要在第二学期结束的暑期7月才能进行，数据采集即时实操难以达成；同时野外采集的生产性实习具有高风险、高成本、工期长和不可逆等特点，对于高校教学，在野外进行真正的陆地地震勘探和海洋地震勘探数据采集实习的可行性较低。课程内容设计了野外采集虚拟仿真实验，基于虚拟仿真技术建立了陆地地震勘探和海洋地震勘探野外数据采集过程，从陆地炸药埋置与激发到数据采集；从海洋空气枪激发到拖缆的释放与数据采集；从震源及检波器的工作原理到观测系统的设计，提供了完整的设计、交互操作训练，实现了采集过程动态化。即时地建立了从理论到实训实操的联系，修复了从理论到现场实践的“掉线”现象，增加了课程内容的创新性。

处理流程开源、模块化。勘探地震学数据处理，主要是对地震野外采集的原始数据，进行各环节相应的数字处理，提高信噪比、分辨率和保真度，并对地下构造和地质体成像，便于进行地质解释。传统授课，只是对各种处理方法原理的推导和处理效果展示。即使进行编程实现，一般也是采用C语言或者MATLAB。一方面由于数据处理过程较为复杂，本科大三学生，编程掌握程度有限，实现难度较大；另一方面，地震数据处理环节较多、环环相扣，若逐步逐项编程实现，需消耗大量时间，其可行性和完成度都不理想。以往一般是只选择处理流程中的某一个问题，布置编程作业，不利于学生对整个数据处理流程的系统性完整认识。课程采用国际知名开源地球物理软件——Madagascar为数据处理编程训练平台，其先验性强、模型种类多、数据充足，更重要的是代码开源、处理模块丰富。处理流程的开源、模块化，提升了数据处理部分学习的探究性，学生积极性高，授课方式也从教师主导过渡到教师协助。达成了对速度分析、校正、叠加、滤波、反滤波和偏移等各个环节的系统性、完整性数据处理编程训练，优化了课程内容的挑战度，同时提高了处理全流程实现的可行性。

3  科学问题导向化、知识内容类比化

科学问题导向化。SCIENCE杂志创刊125周年之际，公布了125个最具挑战性的科学问题。在这一背景的驱动下，基于本课程的章节内容，总结提炼出“勘探地震学”的科学问题（如地震波传播过程中能量如何变化？地震波的传播路径如何确定等），围绕相应的科学问题，结合PBL教学方法，指导学生对相应知识点搜集资料、开展调研，进行研讨式学习。引导学生界定问题、分析问题、解决问题，教师只起到参与讨论、协助思考、引导制定方案的作用。在科学问题为导向的学习背景下，经过探究性、主动式学习，充分使学生深度认识勘探地震学的科学内涵，调动学生的积极性与求知欲，改变教师“灌输式”“填鸭式”的教学模式。

知识内容类比化。勘探地震学是一门基础理论与应用技术相结合的专业课程。知识结构的复杂性以及较强的专业性，增加了学习的理解难度，降低学习兴趣。类比教学法是建立两类具有相似属性事物之间联系的推理方法。运用类比法，有效帮助学生改变心理模式和思维模式，提高对专业内涵的理解，培养学生的知识迁移能力，提高学习兴趣。对不同的知识点，采用不同的类比方式：旧知识类比，例如将地震波的传播中的反射、透射、折射与光学传播中的反射、折射、全反射类比；自然现象类比，例如将地震波传播的动力学、运动学特征与水波、声波传播规律类比；生活、科普常识类比，例如将波导效应与光纤宽带类比，将地震数据的预测滤波问题与天气预报类比；不同学科类比，例如将地震成像与医学CT技术类比。通过类比教学，帮助学生贯通知识间的联系，形成系统的知识体系，逐步构建良好的认知结构。降低了理论的抽象性，提升了学习的趣味性；降低了理解难度，提升了学习效率；减少了被动性接受，增加了主动性思考。

4  形成性考核，课程评定全程化

课程评定方式的设定以提升学生能力为中心，以形成性考核评价体系为手段，打破传统固有模式，注重考核学生多方面、多环节的全过程课程学习内容掌握程度。一方面对期末考试试卷题型进行扩充和调整，增加综合分析等高阶性题型的比重，更好考察学生对知识和能力目标的达成情况；另一方面引入分组讨论等七大形成性评价板块，使学生更加注重日常能力的提高和知识的递进。最终成绩=学生分组讨论×5%+文献阅读及报告×5%+研究型任务×10%+虚拟仿真实验×10%+施工方案设计×5%+处理流程设计×10%+信息解译任务×5%+期末闭卷考试成绩×50%。增加了课程环节的丰富度，培养学生学习的计划性与主动性。

五  结束语

教育的宗旨是要培养高质量专门人才，培养高质量专门人才需要一流的高等教育，一流的高等教育的核心需要一流的、持续发展的课堂教学做支撑。在一流课程建设的背景下，吉林大学勘探地震学教学团队，基于科学的教学理念、优质的教学平台、先进的技术手段，经过多年持续不断的完善，打造了丰富的线下、线上、课内及课外课程资源。以课程思政育人为纲，以“两性一度”为目标，以虚拟仿真技术为支撑，以学生为中心，根据新时代大学生的思维特性，进行了全过程、立体、多样化和系统的教学模式改革，打造“金课”课堂。今后仍要不断研究、探索、实践，开拓创新，进一步发展数字教育，当好学生成长的引路人[6-10]，培养能担当中华民族伟大复兴重任的一代新人。

参考文献：

[1] 刘财.论合格教师的职业素养[J].中国地质教育，2019，28（4）：1-3.

[2] 教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

[3] 何樵登，韩立国，王德利.地震勘探[M].4版.北京：地质出版社，2009：12.

[4] 刘财，杜晓娟，陆继龙，等.应用地球物理卓越人才培养体系构建与实践[J].中国大学教学，2013（12）：36-38.

[5] 陈雪菲，毛宁波，彭晓波，等.地震勘探原理教学改革探索与实践[J].科技风，2022（27）：100-102.

[6] 刘财.当好学生成长的引路人[J].中国研究生，2021（9）：6.

[7] 刘财.弘扬科学家精神，培养高质创新人才[J].新长征，2019（5）：52-53.

[8] 刘洋，王典，刘财，等.《勘探地震学》类比法教学探讨[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2020（5）：128-129.

[9] 卢艳丽，马良，高峰，等.虚拟仿真实验教学一流课程建设研究与实践[J].高教学刊，2023，9（25）：34-37.

[10] 史宏達，梁丙臣，潘新颖，等.以支点课程推动工科一流专业建设[J].高等工程教育研究，2023（5）：25-29.