郭良輝，孟小紅，石 磊，李淑玲

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083

“應(yīng)用重力學(xué)”課程教學(xué)與改革

郭良輝，孟小紅，石 磊，李淑玲

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083

“應(yīng)用重力學(xué)”課程是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）為地球物理學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)骨干課。為了提高課程教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)教學(xué)改革，該課程2007年被我校列入校級(jí)精品課程建設(shè)項(xiàng)目。本課程經(jīng)過(guò)兩年的建設(shè)與教學(xué)改革，取得了階段性成果，深受學(xué)生喜愛(ài)，在教學(xué)評(píng)價(jià)中連續(xù)多年被學(xué)生評(píng)為“優(yōu)秀”。本文從課程的教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和課件資源建設(shè)等方面介紹了本課程的教學(xué)與改革。

應(yīng)用重力學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方式；課件；改革

“應(yīng)用重力學(xué)”課程是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）為地球物理學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)骨干課，其前身是原“重力勘探”課程。為了適應(yīng)當(dāng)今地球科學(xué)發(fā)展、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求和培養(yǎng)高質(zhì)量本科生需要，課程教學(xué)組在多年教學(xué)基礎(chǔ)上，以建設(shè)優(yōu)質(zhì)課程為目標(biāo)，以“特色+精品”的辦學(xué)理念為指導(dǎo)，對(duì)“應(yīng)用重力學(xué)”課程體系、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法與手段、實(shí)驗(yàn)體系等進(jìn)行了比較系統(tǒng)的改革，明確了教學(xué)目的，重新修訂了教學(xué)大綱，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，將重力學(xué)領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)及前沿知識(shí)及時(shí)補(bǔ)充到教學(xué)中來(lái)，保持課程的系統(tǒng)性與前沿性，豐富教學(xué)手段，加強(qiáng)理論與科研、生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，融知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育于一體，使學(xué)生學(xué)有所長(zhǎng)。

一、教學(xué)目的明確

課程教學(xué)組在1999年教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多次修訂，明確了教學(xué)目的?！皯?yīng)用重力學(xué)”課程講授地球重力場(chǎng)的基礎(chǔ)理論及重力測(cè)量的方法技術(shù)和應(yīng)用，目的是使學(xué)生系統(tǒng)地了解重力學(xué)的基本知識(shí)，掌握地球重力場(chǎng)的基礎(chǔ)理論、重力測(cè)量的基本方法、最新技術(shù)和通過(guò)重力測(cè)量研究地球形狀、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造和尋找礦產(chǎn)資源的原理與方法，為進(jìn)一步從事地球物理基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究打下基礎(chǔ)。

二、教學(xué)內(nèi)容更新優(yōu)化

新教學(xué)大綱保留了傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)課的系統(tǒng)性，又突出了重力學(xué)研究的前沿特色，較好地適應(yīng)了當(dāng)前地球物理專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)需求與培養(yǎng)目標(biāo)。課程按48學(xué)時(shí)設(shè)置，其中理論教學(xué)40學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時(shí)，突出了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的特色。教學(xué)內(nèi)容主要涉及重力場(chǎng)與重力勘探理論核心問(wèn)題，注重對(duì)基本概念、基本理論和基本應(yīng)用的詳細(xì)講解。理論教學(xué)具體要求與學(xué)時(shí)安排見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體要求與學(xué)時(shí)安排見(jiàn)表2。

野外教學(xué)實(shí)習(xí)是“應(yīng)用重力學(xué)”課程的一個(gè)不可缺少的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，可以鞏固和加深對(duì)課堂理論教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和理解，進(jìn)行重力勘探方法和技術(shù)的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作和資料處理、解釋能力以及綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。野外重力勘探教學(xué)實(shí)習(xí)在我校的河北省秦皇島市北戴河實(shí)習(xí)基地進(jìn)行，為期12天。實(shí)習(xí)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段為野外部分，在秦皇島市北郊地球物理實(shí)習(xí)工區(qū)進(jìn)行重力儀實(shí)際操作和野外數(shù)據(jù)采集實(shí)習(xí)，第二階段為資料處理、解釋和編寫(xiě)報(bào)告階段，利用在實(shí)習(xí)工區(qū)測(cè)得的實(shí)際重力資料進(jìn)行資料處理、解釋和編寫(xiě)報(bào)告。

三、多種教學(xué)方式組合

課程教學(xué)采用多媒體教學(xué)和板書(shū)教學(xué)相結(jié)合的方式。多媒體技術(shù)是一項(xiàng)文、圖、聲、像結(jié)合的現(xiàn)代信息傳遞技術(shù)。將多媒體技術(shù)運(yùn)用于教學(xué)過(guò)程中已成為當(dāng)前改進(jìn)教學(xué)方法、提高教學(xué)效率、保證教學(xué)質(zhì)量的重要手段。課程教學(xué)組通過(guò)多媒體教學(xué)節(jié)省大量的板書(shū)時(shí)間，使抽象的概念和理論生動(dòng)形象起來(lái)，同時(shí)精選課堂教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，補(bǔ)充介紹前沿內(nèi)容和學(xué)術(shù)研究成果。多媒體生動(dòng)形象、妙趣橫生、圖文并茂的教學(xué)環(huán)境改變傳統(tǒng)教學(xué)比較單一、枯燥的特性，促使學(xué)生的視聽(tīng)與思考互動(dòng)，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。課堂上教學(xué)組有效控制多媒體教學(xué)速度, 給學(xué)生留有一定的記筆記和適當(dāng)思考的時(shí)間，防止學(xué)生感知不充分、理解不透徹，以提問(wèn)的方式加強(qiáng)與學(xué)生的交流，防止學(xué)生因視覺(jué)疲勞思想“開(kāi)小差”[1]。課程教學(xué)組在講授理論公式推導(dǎo)時(shí)，以板書(shū)為主，輔以多媒體教學(xué)，在板書(shū)的過(guò)程中，學(xué)生邊聽(tīng)、邊看、邊記，和教師一起進(jìn)行思考、推導(dǎo)[2]，再輔以多媒體的圖例或動(dòng)畫(huà)形象描述公式的內(nèi)涵，如圖像展示球體理論重力異常特征及分布規(guī)律，動(dòng)畫(huà)演示球體理論重力異常隨幾何和物性參數(shù)變化特征和規(guī)律，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合使用共同提高教學(xué)質(zhì)量。

表1 “應(yīng)用重力學(xué)”課程理論教學(xué)具體要求與學(xué)時(shí)安排

表2 “應(yīng)用重力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體要求與學(xué)時(shí)安排

課程教學(xué)組從提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力出發(fā)，采用啟發(fā)式、互動(dòng)式、研究式等多種教學(xué)方法相結(jié)合，為學(xué)生營(yíng)造主動(dòng)學(xué)習(xí)的氛圍，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，樂(lè)于實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新精神與能力[3]。啟發(fā)式教學(xué)注重引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，思考問(wèn)題，幫助學(xué)生及時(shí)解決知識(shí)中的疑難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。互動(dòng)式教學(xué)注重教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生間的交流與討論，有助于加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握，有助于學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。研究式教學(xué)注重學(xué)生的科研興趣和能力的培養(yǎng)，將學(xué)科中的某些前沿和存在的基本問(wèn)題及時(shí)介紹給學(xué)生，保持教學(xué)內(nèi)容新穎性和實(shí)踐性。課程教學(xué)組在教學(xué)活動(dòng)中靈活運(yùn)用這三種現(xiàn)代教學(xué)方法，在啟發(fā)、互動(dòng)與研究的教學(xué)情境里培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力。比如在講授“反問(wèn)題解的多解性”時(shí)，課程教學(xué)組通過(guò)介紹Skeels的深度不同、起伏不同的密度分界面能產(chǎn)生相同的重力異常例子[4]，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)反演的多解性問(wèn)題，思考該問(wèn)題；通過(guò)師生之間的互動(dòng)討論，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)引起反演多解性的原因的理解和掌握；通過(guò)例舉中文、英文學(xué)術(shù)期刊文獻(xiàn)上的實(shí)際重力勘探例子及前沿研究例子，以科研學(xué)術(shù)報(bào)告的形式講解反演多解性問(wèn)題和影響、科學(xué)降低反演多解性的措施及目前仍存在的難題，一方面做到科研與教學(xué)相結(jié)合，拓寬學(xué)生知識(shí)面，另一方面開(kāi)闊學(xué)生思維和科研創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立執(zhí)著追求、勇于探索和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)精神；通過(guò)上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、提供課后閱覽的相關(guān)文獻(xiàn)、引導(dǎo)學(xué)生參與科研項(xiàng)目等方式，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維。

四、課件資源豐富

課程教學(xué)配套了由曾華霖教授編寫(xiě)的最新教材《重力場(chǎng)與重力勘探》[5]，該教材是我院院長(zhǎng)劉光鼎院士主持編寫(xiě)的地理物理工程系列教材之一，2006年被評(píng)為“北京市高等教育精品教材”。新教材圍繞重力位場(chǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論及其在重力勘探中的作用這一主線，加強(qiáng)了理論的系統(tǒng)性，而且充分考慮近年來(lái)重力勘探技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，將重力領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)及前沿知識(shí)擴(kuò)充到教材中，突出了重力勘探的重大發(fā)展與變化，如增加航空重力測(cè)量工作、海洋重力測(cè)量、衛(wèi)星重力測(cè)量、重力歸一化總梯度等教學(xué)內(nèi)容。新教材的編寫(xiě)與出版，使本課程教學(xué)內(nèi)容更加豐富與系統(tǒng)，突出了重力學(xué)的最新進(jìn)展。課程教學(xué)還配套了由課程教學(xué)組編寫(xiě)的“應(yīng)用重力學(xué)”實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和“應(yīng)用重力學(xué)”野外實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)。這些指導(dǎo)書(shū)在實(shí)踐教學(xué)中不斷修改完善，已在學(xué)校內(nèi)部印刷多次并供學(xué)生使用。

教學(xué)課件制作是多媒體教學(xué)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞直接影響了教學(xué)的效果。“應(yīng)用重力學(xué)”課程內(nèi)容豐富，知識(shí)量大，其課件制作既包含了大量的文字?jǐn)⑹龊蛿?shù)學(xué)公式，也包含了大量的圖件，并以重力異常的圖件最為突出。重力異常圖可分為剖面圖、平面等值線圖、平剖圖和立體曲面圖等種類(lèi)。重力資料整理、處理和解釋這些部分的教學(xué)內(nèi)容涉及了大量的各類(lèi)重力異常圖，而這些內(nèi)容又是整個(gè)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此，重力異常圖件的質(zhì)量好壞將影響到課件的整體質(zhì)量和教學(xué)效果。課程教學(xué)組利用Powerpoint軟件精心制作了多媒體課件，利用Grapher、Surfer、Matlab[6-7]等軟件精心制作出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的重力異常圖件，利用CorelDraw、Photoshop等軟件繪制了其他圖件素材，利用Flash MX軟件制作了規(guī)則形體重力異常正演演示用的動(dòng)畫(huà)。課程教學(xué)組還親自錄制了重力儀操作實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)生通過(guò)觀看視頻結(jié)合教師的講授和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)可快速認(rèn)識(shí)重力儀，熟悉其操作步驟，正確規(guī)范地操作重力儀。實(shí)踐證明課件中生動(dòng)、形象、清晰、美觀的文圖給學(xué)生較深刻的印象，提高教學(xué)效果。

當(dāng)今重力勘探的資料整理處理解釋主要由人類(lèi)利用所開(kāi)發(fā)研制的計(jì)算機(jī)程序或軟件自動(dòng)或人機(jī)交互的進(jìn)行。MATLAB是國(guó)際公認(rèn)的最為優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件，語(yǔ)言簡(jiǎn)單靈活，科學(xué)計(jì)算高效，數(shù)據(jù)可視化方便，具備眾多應(yīng)用工具箱。課程教學(xué)組利用MATLAB語(yǔ)言[6]編寫(xiě)了指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)使用的重力資料整理處理解釋工具箱GravLab，配備的程序有：觀測(cè)數(shù)據(jù)整理、基點(diǎn)網(wǎng)平差[8]、布格重力異常計(jì)算、規(guī)則形體重力異常正演、頻率域異常處理與轉(zhuǎn)換、DEXP法反演[9]等。在上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先向?qū)W生簡(jiǎn)要介紹MATLAB語(yǔ)言編程基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生快速入門(mén)，之后對(duì)GravLab工具箱的程序進(jìn)行講解分析，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)和分析這些程序快速掌握MATLAB編程技巧，學(xué)會(huì)獨(dú)立編程，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。課程教學(xué)組在GravLab工具箱的基礎(chǔ)上利用MATLAB GUI工具[7]開(kāi)發(fā)了指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用的重力資料整理處理解釋軟件GravSoft。在課程教學(xué)中，向?qū)W生簡(jiǎn)要說(shuō)明該軟件的操作指南，并提供一些實(shí)測(cè)重力資料，學(xué)生課后學(xué)習(xí)操作軟件，對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行整理處理解釋訓(xùn)練。在野外教學(xué)實(shí)習(xí)中，學(xué)生利用GravLab工具箱或GravSoft軟件對(duì)重力觀測(cè)資料進(jìn)行整理處理解釋。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課和實(shí)習(xí)課的實(shí)踐訓(xùn)練，既加深理解各種方法的原理和作用，又掌握重力資料整理、處理和解釋的基本技能，提高了工作效率。

課程教學(xué)組還開(kāi)發(fā)了“應(yīng)用重力學(xué)”課程網(wǎng)站，將課程相關(guān)的多媒體課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)、課后作業(yè)、GravLab工具箱及課程相關(guān)的中英文學(xué)術(shù)文獻(xiàn)等電子文件匯集發(fā)布在網(wǎng)站上。學(xué)生課后瀏覽網(wǎng)站下載相關(guān)資料，及時(shí)復(fù)習(xí)課堂內(nèi)容，鞏固和加深理解掌握課堂知識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生課外學(xué)習(xí)興趣，拓寬專(zhuān)業(yè)視野，一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

“應(yīng)用重力學(xué)”課程經(jīng)過(guò)兩年的建設(shè)與改革，取得了階段性成果，深受學(xué)生喜愛(ài)，在教學(xué)評(píng)價(jià)中連續(xù)多年被學(xué)生評(píng)為“優(yōu)秀”。

課程建設(shè)與改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、系統(tǒng)性的教育教學(xué)改革工程，課程教學(xué)組將不斷積累改革經(jīng)驗(yàn)、逐步完善改革成果，為繼續(xù)深化課程建設(shè)與改革，提高教學(xué)質(zhì)量提供持續(xù)原動(dòng)力。

[1] 鄭子成，李廷軒，吳德勇.淺析多媒體教學(xué)在地學(xué)基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用[J].中國(guó)林業(yè)教育，2008，(5)：64-66.

[2] 馮晅，劉財(cái)，張祥順.《勘探地震學(xué)》形象化教學(xué)方法的探討[J].高教論壇，2009，(4)：88-89.

[3] 李淑玲，姚長(zhǎng)利，孟小紅.“應(yīng)用地磁學(xué)”課程建設(shè)與改革[J].中國(guó)地質(zhì)教育，2009，(1)：110-113.

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[5] 曾華霖.重力場(chǎng)與重力勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[6] 張志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

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[8] 郭良輝，孟小紅，石磊.基于Matlab的重力基點(diǎn)網(wǎng)平差實(shí)驗(yàn)教學(xué)法[J].科技信息，2008，(18)：24.

[9] Fedi M.DEXP：A fast method to determine the depth and the structural index of potential field sources[J].Geophysics，2007，72(1)：1-11.

Teaching and Reform of Gravity Exploration

GUO Liang-hui, MENG Xiao-hong, SHI Lei, LI Shu-ling
China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Gravity Exploration is a main course for undergraduate students majoring in geophysics at CUGB.In order to improve teaching quality and boost teaching reform, the curriculum was listed in the high-quality curriculum project of CUGB in 2007.After two years of construction and reform, the curriculum has obtained preconcerted achievements and became popular.It was evaluated as an excellent course by undergraduate students year by year.This paper introduces the teaching and reform of the curriculum from the aspects of teaching objective, teaching content, teaching method and the courseware resource.

gravity exploration; teaching content; teaching method; courseware; reform

G642

A

1006-9372 （2010）01-0036-04

2009-10-10；

2010-01-14。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）精品課程建設(shè)項(xiàng)目和地球物理與信息技術(shù)學(xué)院教學(xué)改革與教學(xué)研究專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助。

郭良輝，男，講師，主要從事重磁勘探教學(xué)和研究工作。