卢勇旭

摘  要：地球物理场论是地球物理专业的专业基础课。该课程公式较多、知识点繁杂，仅采用传统方法教学往往达不到理想效果。本文以板书结合多媒体作为基本授课手段，引入探究式教学、理论结合实际、计算机仿真模拟和教学结合科研等方法，对传统教学方法进行了一定的改进。本文旨在提高学生的学习兴趣和主观能动性，为地球物理场论课课程教学提供新的思路和方法，提高教学效果和质量。

关键词：探究式教学  理论结合实际  计算机仿真模拟  教学结合科研

中图分类号：G642.4;P3-4                 文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0210-03

Discussion on the teaching of geophysical field theory

LU Yongxu

（China University of Mining & Technology （Beijing）， Beijing， 100083  Chnia）

Abstract：Geophysical Field Theory is a professional basic course for geophysics majors. The course has many formulas and complex knowledge points. Only using traditional teaching methods can not achieve the ideal effect. This paper takes blackboard writing combined with multimedia as the basic teaching means， and introduces the methods of inquiry teaching， theory combined with practice， computer simulation and teaching combined with scientific research to improve the traditional teaching methods. The purpose is to improve students' learning interest and subjective initiative， provide new ideas and methods for the teaching of geophysical field theory， and improve the teaching effect and quality.

Key Words： Inquiry teaching; Combining theory with practice; Computer simulation; Combination of teaching and research

地球物理学是地球科学的主要学科之一，是通过定量的物理方法（如地震弹性波、重力、地磁、地电、地热和放射能等方法）研究地球以及寻找地球内部矿藏资源的一门综合性学科，研究范围包括地球的地壳、地幔、地核和大气层。地球物理学专业是理论与应用并重的专业，本科生毕业后可从事空间探测、地球深部探测、能源与矿产地球物理勘探、环境监测、地震监测预报等领域的相关研究和管理工作。

地球物理场论是地球物理学专业的专业基础课，其目的是通过讲授引力场、稳定电场、稳定磁场和交变电磁场的基本理论与分析方法，让学生掌握地球物理场的数学物理问题，理解几种场的建立与传播理论，培养学生利用场的观点分析和解决地球物理问题的意识，并为学习《地电场与电法勘探》《重磁勘探学原理》及《地球物理测井》等专业主干课程打下良好的理论基础[1]。

1  地球物理場论课程的特点与教学难点

地球物理场论课程是在大学物理课程所讲授的引力场和电磁场内容基础上，利用高等数学、矢量分析等数学工具进一步研究引力场和电磁场的基本规律和计算方法，其讲授内容主要包括矢量分析与场论，场与源的关系，场强度和势的定义及其所满足的微分方程、场的边界条件、介质的极化与磁化，以及电磁波的产生、辐射、传播规律和特点等。这些内容涉及高等数学、线性代数、大学物理、复变函数、数学物理方程等课程相关的理论知识，并与重磁勘探、电法勘探、地球物理测井等地球物理勘探课程有较紧密的联系。相对于其他地球物理专业的专业课而言，地球物理场论课程理论性强，数学公式较多，注重培养学生利用数学工具分析和解决问题的能力。

地球物理场论课程是公认的一门教师难教、学生难学的课程。传统教学方法中教师一般采用“板书+多媒体”的方式，即通过板书实现重要公式的推导、理论的证明和场的计算，利用多媒体展示各种场的图形图像。虽然多媒体教学的引入有助于加深学生的印象，帮助学生更好地理解场的性质和特点，但学生在学习过程中仍普遍反映这门课程内容枯燥乏味、公式多且复杂、概念抽象、知识点易混淆。

笔者认为，提高地球物理场论课程教学质量的关键在于调动学生的学习主动性。一方面要制定严格的作业和考试制度，督促学生主动学习;而更重要的是开展教学改革，引入创新教学理念，应用创新教学方式，多方面多角度提高学生对地球物理场论的兴趣[2]。地球物理场论课程与很多工科专业必修的《矢量分析与场论》《电磁场与电磁波》等课程有很多相似之处，其教学改革方法可互相借鉴[3-5]。因此，笔者以多媒体结合板书作为基本授课手段，在其基础上引入探究式教学、理论结合实际、计算机仿真模拟和教学结合科研等教学方法，对地球物理场论教学进行探索改进，有助于提高本课程的教学质量和效果。

2  探究式教学

探究式教学方法倡导知识不要教授给学生，而是以讨论的方式让学生探索出结果。探究式教学手段有助于调动学生学习的主观能动性，培养学生理解、交流、探究等能力[6-8]。

在地球物理场论课程的探究式教学实践中，笔者认为引导学生探究的基础是学生对基本理论和基本概念具有一定的掌握。因此基础内容部分仍采用常规教学方式由教师直接讲授。除此之外，其他很多内容和知识点可以考虑采用探究式方法实现教学目的。例如在稳定电场一章中，稳定电场的欧姆定律微分形式和边界条件均为基本理论和概念，应由教师直接讲授。而界面电荷（又称积累电荷，存在于两种不同电导率媒质分界面处）作为构建稳点电流场的源之一，对理解稳定电场的建立和本质具有重要意义。界面电荷是在电场由初始态到稳定态的过程中，在外电场作用下不同媒质分界面处逐渐积累的电荷，对其产生过程的论述需要应用欧姆定律微分形式、电流密度边界条件等公式和知识点。为了提高学生的学习兴趣，可设立题目：“界面电荷是如何产生的？”，组织学生分组开展讨论，最终由各组分别讲解讨论结果，并对结论正确的小组予以一定的表扬和奖励。实践证明，探究式教学充分调动了学生的积极性，在讨论过程中加深了对相关内容、知识点的理解和记忆，提高了对地球物理场论课程的学习兴趣。

3  理论结合实际教学

地球物理场论课程作为专业基础课，是重磁勘探、电法勘探等专业课的基础。地球物理场论课讲授的理论知识在后续课程中均有应用，但很多教材一般只讲授各种地球物理场的概念、性质、原理等，未结合到相应的地球物理方法中。这样容易导致学生学习的过程中产生困惑，对掌握的知识在专业中的应用不明、意义不清，不利于培养学生的学习兴趣。

为了突出专业课程之间的支撑关系，使学生明确本课程学习的意义。可在每一种地球物理场的理论内容讲解结束后，增加对应地球物理勘探方法的基础理论介绍。一方面，可以提高知识的连续性，为后续地球物理相关方法的课程展开奠定基础;另一方面，可以让学生将掌握的知识与实际相结合，培养学生的学习兴趣。例如，在稳定电场部分讲授后，可适当增加直流电法勘探基础理论部分，讲授均匀、非均匀地下介质的稳定电场特点，引出电阻率法勘探的基本原理。在这个过程中，引导学生利用稳定电场的电流密度、电位、电场强度公式和边界条件分析均匀、非均匀地下介质电场分布规律，建立视电阻率计算公式;结合电阻率法勘探实例，鼓励学生分析和探究实际地层条件下稳定电场分布和视电阻率曲线特点，培养学生利用理论知识解决实际问题的能力。

4  计算机仿真辅助教学

地球物理场论课程讲授的所有理论知识中，场所满足的数学物理方程及其特点是重要讲授内容，主要包括静态场（如引力场、静电场等）势场的泊松方程和拉普拉斯方程，以及时变电磁场（波）的麦克斯韦方程组和波动方程。在大部分教材中，势场的泊松方程和拉普拉斯方程部分主要讲授方程的由来，以及镜像法和分离变量法等一些解析解法;电磁波的麦克斯韦方程组和波动方程则主要讲授方程的建立，以及电磁波在不同介质中传播的规律等。学生在学习的过程中普遍反映这些内容比较抽象，只能死记硬背，无法理解客观现实中场的状态和波的传播特点。

在地球物理研究工作中，由于地下介质赋存十分复杂，很难对场进行解析计算，更多的是基于数值模拟技术（例如有限差分法、有限元法等），利用计算机编程实现泊松方程、拉普拉斯方程或波动方程的数值解计算，并将计算结果利用计算机仿真技术展示，进而分析各种场或波的规律和性质。因此，可以将计算机仿真技术引入地球物理场论教学中，指导学生自主编程或利用开源免费软件实现地球物理场的数值模拟。比如学生可利用探地雷达时域有限差分数值模拟软件GPRmax实现简单介质情况下电磁波的数值模拟，通过在计算机上修改理论模型，模拟不同非均匀介质下电磁波传播;结合地球物理场论课程讲授的介质中电磁波传播理论，分析不同介电常数、电阻率、赋存形态的地质异常体产生的电磁波波场特点。这样既可以避免单纯讲授数学公式导致学生对不同地球物理场的物理意义认识不清，也可以提高学生的学习兴趣，增加地球物理场论课程的趣味性和实用性。

5  教学结合科研

基础理论的发展为地球物理勘探的创新提供了必要的源动力。地球物理场论课程所讲授的内容大多为重磁勘探、电法勘探等物探方法的基础理论，很多基础研究和应用类的科研项目均包含理论研究内容，这部分内容多为基础理论的发展和延伸。

对于学生而言，未来的研究工作中往往需要在理论基础上进行拓展和创新，因此在教学中，鼓励学生积极参与相应的科学研究内容，既可以邀请学生参与授课教师或其他教师已有的相关科研项目，指导学生完成较基础的研究部分;也可以帮助学生自主申请“大学生创新计划”等项目，并予以指导和帮助。

教学结合科研教学方法的运用一方面可以引导学生利用课堂讲授的理论知识解决科学问题，并结合实际情况对课堂教学内容进行拓展，开阔学生的知识视野，提高课程学习积极性;另一方面，学生思路活跃、精力充沛，在研究的过程中往往产生很多“出其不意”的創新想法，通过指导学生对这些想法进一步挖掘、分析、梳理和研究，可能诞生新的创新点，带来新的科研思路和研究课题，这不仅可以提升和丰富科研项目的研究成果，更重要的是让参与研究的学生感受到成就感和幸福感，对其他学生参与科研起到鼓励和示范作用。

6  结语

地球物理场论课程是地球物理学等相关专业的专业基础课，在专业体系中具有承前启后的重要作用。理论讲授和公式推导是地球物理场论课的主要内容，而单纯对理论和公式进行枯燥的讲解容易降低学生的学习积极性，影响教学效果。通过采用探究式教学、理论结合实际、计算机虚拟仿真和教学结合科研等教学方法，充分调动学生主观能动性，促使学生由被动学习变为主动学习，提高学生分析和解决问题的能力，从而获得更好的教学效果。然而，对于地球物理场论课程教学方法的创新和改革不可能一蹴而就，需要在实践中不断摸索和总结，提高课程教学质量，培养高素质的地球物理专业人才。

参考文献

[1] 郭林燕.地球物理专业的电磁场论课程的教学方法分析[J].科技创新导报，2020，17（4）：223-224.

[2] 杨海燕，邓居智，汤洪志，等.浅谈地球物理学专业基础理论课教学改革策略[J].东华理工大学学报：社会科学版，2013，32（1）：91-93.

[3] 付琴，黄秋元，李政颖，等.通信工程专业“电磁场与电磁波”教学改革探讨[J].当代教育实践与教学研究，2020（1）：63-64.

[4] 王波云.“电磁场与电磁波”课程教学改革思考与探索[J].科技与创新，2021（9）：46-47.

[5] 徐鹏，姚育成，吕辉，等.《工程电磁场》对照教学方法探索[J].高教学刊，2020（34）：97-99，103.

[6] 马永双.理科师范生探究式教学设计能力及其培养研究[D].大连：辽宁师范大学，2019.

[7] 刘柏云.桂林：互动式教学的案例分析[D].桂林：广西师范大学，2017.

[8] 师素珍.《地球物理勘探概论》探究式教学方法研究[J].教育教学论坛，2019（46）：201-203.