周文納 趙姣龍 吳 浩 劉成英

（蘭州大學 地質(zhì)科學與礦產(chǎn)資源學院／甘肅省西部礦產(chǎn)重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

地質(zhì)學類專業(yè)本科一、二年級通常不涉及計算機編程、數(shù)值計算、數(shù)字信號處理、場論等課程的學習，因此大學三年級進行地球物理課程學習時，學生對正反演計算、數(shù)據(jù)處理等課程內(nèi)容的學習存在較大的困難［1-2］。 同時，受教學學時限制，教師很難在課堂有限的時間內(nèi)訓練學生編程來實現(xiàn)相關內(nèi)容的計算，進而從根本上理解地球物理相關計算的實際意義和應用效果。 因此，在此教學環(huán)節(jié)中往往存在理論和實踐結(jié)合不緊密，卻又難以通過理論教學進行有效彌補的問題［3］。 為了強化地球物理課程計算部分的教學，必須結(jié)合相關數(shù)據(jù)處理軟件進行教學，才能從根本上加深學生對概念和計算方法的理解［4-6］。 但現(xiàn)有的地球物理數(shù)據(jù)處理與解釋軟件大多為商業(yè)軟件，其成本過高，且專業(yè)軟件主要是針對地球物理專業(yè)的學生設計，功能繁雜、涉及內(nèi)容過多，地質(zhì)學類的學生很難在有限的學時內(nèi)學習和掌握。 為此，鑒于學時限制與地質(zhì)學類學生專業(yè)基礎的實際情況［7］，依托常用的數(shù)據(jù)計算軟件平臺的優(yōu)勢［8-9］，筆者開發(fā)了專門針對地質(zhì)學類專業(yè)學生的教學軟件，并應用于課堂實踐教學。 教學軟件的直接應用，不同于地球物理專業(yè)學生自己編寫程序?qū)崿F(xiàn)教學內(nèi)容的學習［10-13］。 該軟件具有功能簡單、模塊完善的特點，學生可進行簡單學習即可完成操作。 該軟件可以從根本上提高學生對地球物理數(shù)據(jù)處理及相關概念的理解和學習，進而實現(xiàn)地球物理課程實踐教學的改革。

一、地質(zhì)學類專業(yè)地球物理勘探課程軟件開發(fā)設計的必要性

（一） 地質(zhì)學類專業(yè)地球物理課程設置及學時的限制

地質(zhì)學類專業(yè)本科課程中一般都有地球物理課程的設置和教學要求，但與地球物理專業(yè)的課程設置不同，其地球物理課程往往不會按照重力、磁法、電法、地震等多門課程分別開設。 地質(zhì)學類專業(yè)的地球物理課程通常作為一門綜合課程開設，要求在一個學期較少的學時內(nèi)，完成地球物理勘探的各個方法的教學。 具體體現(xiàn)為：將重、磁、電、震等多種地球物理方法集合于一門課程，通過理論教學使得地質(zhì)學類專業(yè)的學生短時間內(nèi)實現(xiàn)從總體上了解地球物理勘探方法，并進行數(shù)據(jù)處理的相關應用和地質(zhì)解釋。 雖然整體課程對理論學習的要求沒有地球物理專業(yè)學生高，如通常并不要求學生可以進行編程計算，或者進行數(shù)據(jù)實際處理。 但作為一門必修或限選課程，也要求學生必須掌握各類方法的基本概念、數(shù)據(jù)處理的基本方法、數(shù)據(jù)處理后的地質(zhì)解釋，并要求學生理解數(shù)據(jù)處理可以達到的效果，同時要求學生深入理解數(shù)據(jù)處理中的參數(shù)影響和實際案例的對應分析。 顯然，在有限的學時內(nèi)完成大量的教學內(nèi)容存在一定的困難。

（二）地球物理課程中涉及大量模擬計算內(nèi)容

在整個地球物理的教學中，除了講述和學習基本的概念外，必須涉及重、磁數(shù)據(jù)的正演模擬、重磁數(shù)據(jù)的基本處理方法（求導、延拓、濾波）、電法正演模擬、電測深曲線的分析、地震時距曲線分析以及地震數(shù)據(jù)的處理方法等基本內(nèi)容。 這些內(nèi)容涉及大量的公式、計算以及數(shù)值模擬，所包含的參數(shù)也較多，僅靠課本教學、多媒體講述往往難以達到應有的教學效果。 另外，在不進行實際操作的情況下，很難讓學生深入地理解課程的主要內(nèi)容和實際意義。

（三）商業(yè)軟件功能繁雜且經(jīng)濟成本較高

對于地球物理專業(yè)的學生而言，課程中所涉及的數(shù)據(jù)處理和理論計算都有相應的軟件輔助完成相關的教學內(nèi)容，從而使學生掌握軟件操作的同時，達到概念融會貫通、理論與實踐相結(jié)合的目的。 在完成理論學習的同時，又掌握了軟件的基本操作，可在將來的工作中直接使用相關軟件。在課程中又可以深刻理解不同參數(shù)、不同處理方法對處理結(jié)果的影響、變化規(guī)律等內(nèi)容。 相應的，地球物理專業(yè)也要求學生掌握軟件的學習，可以進行實際的數(shù)據(jù)處理。 另外，因地球物理專業(yè)學生各類方法的學習學時較長，可以通過長時間的訓練進行編程、軟件學習，進而取得良好的教學效果。 對于地質(zhì)學類專業(yè)學生，完成課程的深入學習，軟件的實際操作顯得十分必要。 只有通過軟件的實際操作計算，才能使學生對數(shù)據(jù)處理中參數(shù)的選擇、方法在實際中的應用有更深刻的理解。然而，現(xiàn)有的軟件大多是商業(yè)軟件，其成本過高且功能復雜，在短時間內(nèi)又不容易掌握。

可以看出，在有限的學時與教學成本的控制范圍內(nèi)，針對地球物理課程中所涉及的大量計算內(nèi)容，設計和開發(fā)一套針對地質(zhì)學類專業(yè)學生的簡單且可以直接使用的教學軟件顯得十分必要和緊迫。 為此，將上述這些主要的教學內(nèi)容以軟件的形式進行界面化和可視化，并將簡單的教學軟件引入課堂教學，讓學生通過實際操作進行深入理解正演模擬、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，進而高效地完成教學工作，對學生綜合能力的提升具有重要的意義。

二、教學軟件主要模塊及基本功能

為了實現(xiàn)實踐教學的有效應用，開發(fā)了針對地質(zhì)學類專業(yè)的地球物理教學軟件。 該軟件可在普通微機上Windows7 及以上操作系統(tǒng)上均可以運行。 方便安裝和運行，其主界面如圖1 所示。

圖1 地球物理教學軟件主界面

該軟件主要功能有重磁數(shù)據(jù)的正演計算、重磁數(shù)據(jù)處理、電法和地震的相關計算及顯示的教學內(nèi)容。 其中，對于重磁的正演計算，有常見的正演模型如球體、水平圓柱體、臺階模型等，同時包含了重磁數(shù)據(jù)的基本處理，主要有高斯濾波、化極處理、延拓計算、求導計算以及邊界識別等，方便學生學習基本的數(shù)據(jù)處理，為后續(xù)數(shù)據(jù)解釋奠定基礎。 在電法部分，主要是針對計算復雜的電測深曲線，開發(fā)了計算和分析功能，方便學生針對不同的模型理解測深曲線的變化。 在地震部分，開發(fā)了地震波時距曲線進行實踐教學，幫助學生深入理解該部分計算內(nèi)容。 其主要的功能如圖2 所示。

圖2 軟件主要功能模塊分解

進行重力正演模型的教學時，可以分別點擊“球體”“水平圓柱體”“臺階”等正演模型，進而輸入相關的正演參數(shù)，獲取正演的計算結(jié)果。 學生可以利用該軟件進行簡單的操作，完成改變正演參數(shù)對獲取異常值變化規(guī)律的直觀理解，從而深入掌握正演計算中各個參數(shù)的意義，也可以進一步分析異常正演的影響因素，理解反演中解的非唯一性等特點，從而為后續(xù)地質(zhì)解釋奠定基礎。通過軟件的簡單操作和計算，可以達到事半功倍的教學效果。

該軟件的操作簡單，且為中文界面，學生只需要根據(jù)基本的提示輸入相關參數(shù)，即可獲得球體的重力異常、水平和垂向?qū)?shù)異常，同時可以直接顯示主剖面的圖像，并輸出對應的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)文件格式為.grd）。 學生可以利用軟件，自己修改參數(shù)，從而深入理解不同的正演參數(shù)對異常的影響，為后期的課程學習提供良好的幫助。同樣，其他的正演計算也可以進行類似的參數(shù)輸入、異常圖像預覽以及數(shù)據(jù)的導出。

同樣的，如圖3a 所示，在重磁數(shù)據(jù)處理功能中，結(jié)合教材教學內(nèi)容的講述，學生可以結(jié)合軟件深入理解每一種常見的數(shù)據(jù)處理方法所需要注意的事項，并對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進行分析，對比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理前后異常的變化規(guī)律，這對后續(xù)學習地質(zhì)解釋有著重要的意義。 相對于傳統(tǒng)單純進行理論學習和概念的強化教學，通過軟件操作能夠讓學生直觀地感受數(shù)據(jù)處理的整個過程，從而建立完整的數(shù)據(jù)處理概念。

在以往教學中，教師對延拓、求導等數(shù)據(jù)處理方法的概念進行闡述，其處理效果也只是利用已有的圖件進行展示，學生難以從根本上理解異常的變化特征以及每一種方法處理數(shù)據(jù)的效果。 在學習過程中因無法深入理解，且無法實際感受參數(shù)對結(jié)果的影響而容易產(chǎn)生抵觸情緒。 然而，利用軟件進行實際操作時，輸入向上延拓的距離，即可對比延拓前后異常的變化特征，通過多次輸入不同的距離，可以展示不同延拓距離對異常特征的變化規(guī)律（圖3b）。 該軟件可以從根本上解決上述問題，既調(diào)動了學生的主觀能動性，又激發(fā)了學生的學習興趣。

圖3 地球物理教學軟件重磁數(shù)據(jù)處理模塊示意圖

在電法勘探與地震勘探部分的教學中，針對教學中計算較為復雜的電測深曲線分析，同樣可以利用該軟件的實際操作完成教學，方便學生深入理解電阻率變化、深度分析不同對測深曲線的影響（圖4a）。 該軟件同時也進行地震時距曲線的分析，如圖4b 所示，可以通過炮檢距、層厚、層厚度、臨界角等參數(shù)的設置，獲得時距曲線，為教學帶來極大的便利，給學生學習提供良好的幫助。利用該軟件可以有效地完成數(shù)值計算、參數(shù)對計算結(jié)果的影響變化規(guī)律，從而簡化教學中的公式，提高學生的學習興趣。

圖4 地球物理教學軟件電法及地震主要教學模塊

三、教學改革實際應用案例

以重力球體正演為例，分析軟件開發(fā)設計在教學應用中的優(yōu)勢。 重力球體正演部分，教材內(nèi)容比較簡單，僅依托于教材往往不容易理解和講解。 教材中直接給出正演計算公式，并給出了球體重力異常的平面等值線示意圖，簡單分析了埋深、密度差、球體半徑等對異常的影響，但沒有異常隨參數(shù)變化的圖示特征。 因此，學生并不能充分理解為什么球體埋深變化、密度差變化或者球體半徑變化時，產(chǎn)生的重力異常會發(fā)生改變。 此外，也難以直觀地感受每一個參數(shù)變化對異常的影響。 在以往的教學中，有時老師會引入動圖進行演示，在一定程度上可以表征參數(shù)和異常變化的對應關系，但并不能從根本上說明每一種參數(shù)的變化對異常形態(tài)和幅值大小的直接影響，也難以完整地展示不同參數(shù)對異常影響的具體效果。學生在不進行編程的前提下，難以從根本上理解該部分的內(nèi)容，從而導致正演部分的教學缺少實質(zhì)性的進展，只是停留在基本的概念認知中，嚴重影響了后續(xù)教學內(nèi)容的學習，同時也導致在學習后續(xù)反演、地質(zhì)解釋時，無法進行前后的串聯(lián)，致使整個教學效果不好。

在引入教學軟件后，以上問題可迎刃而解。如圖5 所示為該軟件重力異常球體正演計算模塊。 在該模塊中，左上角為參數(shù)輸入部分，學生只需要輸入各個參數(shù)即可獲得重力異常的平面展示、重力水平導數(shù)和垂直導數(shù)，進而獲取主剖面展示結(jié)果。 在此基礎上，學生可以通過改變參數(shù)獲取不同的正演模擬結(jié)果，從而觀察正演結(jié)果的變化規(guī)律，對比不同的參數(shù)對結(jié)果的影響。 此外，該軟件的界面比較簡單，基本上不需要占用過多的時間學習軟件操作，學生可以很快掌握正演部分的內(nèi)容。 可見教學軟件的開發(fā)和引入可以讓學生花費更少的時間，同時又能更加深入地掌握所學內(nèi)容。 通過該部分正演模擬的實際操作，學生掌握不同參數(shù)對結(jié)果的影響，可以深入理解后續(xù)課程中反演“非唯一性”，地質(zhì)解釋“多解性”等問題。 因此可以看出，教學軟件的引入對地球物理實踐教學具有重要的意義，不僅豐富了課堂的內(nèi)容，激發(fā)學生自主學習的興趣，同時又可以讓學生深入理解整個課程的教學內(nèi)容，起到串聯(lián)整個教學內(nèi)容的作用。

圖5 球體正演模擬及結(jié)果預覽

四、結(jié)束語

通過開發(fā)地質(zhì)學類專業(yè)地球物理勘探課程教學軟件并在課堂教學中進行應用，將教材上不能動態(tài)演示的圖片、概念以及數(shù)學分析轉(zhuǎn)化為學生可以動手操作、實際模擬的實踐過程，極大地豐富了教學內(nèi)容，提高了教學效果。 通過地球物理教學軟件的開發(fā)與應用，學生可以直接進行課程中重、磁、電、震等教學內(nèi)容的深入學習和理解，激發(fā)學習的主動性。 該軟件界面和操作都較為簡單，極易學習和使用。 同時，自主完成教學軟件的開發(fā)和使用，避免了商業(yè)軟件昂貴的價格和復雜的功能，便于學生學習和快速掌握，為教學提供了極大的便利，可以實現(xiàn)教學的實踐改革。