杜勁松+李媛媛+陳超+唐啟家

摘要：新時期的“地磁學”課程對實踐教學環(huán)節(jié)提出了更高的要求。本文首先指出了新時期“地磁學”課程的學科特征與培養(yǎng)要求，然后介紹了我校固體地球物理專業(yè)大學本科專業(yè)主干課“地磁學”的實踐教學歷史與發(fā)展趨勢，最后提出并且討論了“地磁學”課程五個層次的實踐教學方案?！暗卮艑W”課程涵蓋面較廣，實踐教學需要不斷探索，逐步發(fā)展與完善。

關鍵詞：固體地球物理學；“地磁學”；實踐教學；大學本科；專業(yè)主干課

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）08-0112-0

一、引言

地磁學是固體地球物理學的一個分支，是研究地球磁場的時間變化、空間結構、起源及其規(guī)律與應用的學科。該學科誕生于中國古代司南、指南針的發(fā)明和測向的應用，具有鮮明的實用性色彩[1]；在國家與社會發(fā)展廣泛需求的強力驅動之下，現(xiàn)代地磁學正在以前所未有的速度快速發(fā)展。尤其是隨著電子與信息技術、計算機技術的發(fā)展以及空間與海洋探測能力的提高，地磁學越來越明顯地發(fā)展成為一門以儀器研發(fā)、觀測與監(jiān)測（高精度、高分辨率、高時—空覆蓋）為主要支撐條件的“硬科學”?，F(xiàn)代地磁學的教學與培養(yǎng)內容既要涉及具有工科屬性的觀測儀器與觀測系統(tǒng)、觀測方法與技術、數(shù)據分析與處理方法等方面的專業(yè)技能，也要具有理科屬性的理論研究、歸納推演、揭示現(xiàn)象本質與規(guī)律、建模與預測等方面的科研能力，還要與空間物理學、氣象學、地質學、大地測量與地球動力學等多門學科高度交叉與融合。黨的十六屆五中全會提出了建設創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略思想。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》與《關于全面提高高等教育質量的若干意見》等均對高等教育創(chuàng)新性教學方法、大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面提出了更高的要求。除專業(yè)理論與技能以及德、智、體、美、勞五個方面之外，還需要具備探索精神與創(chuàng)新思維和能力、豐富的實踐經驗與團隊合作意識以及解決實際問題的綜合能力等。綜上所述，現(xiàn)代地磁學對該領域專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的標準。實踐教學作為本科教學的關鍵環(huán)節(jié)之一，可以深入與系統(tǒng)化學生的理論知識與結構體系，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際與解決實際問題的專業(yè)素養(yǎng)與能力。因此，結合筆者參與實踐教學的經歷與經驗，以及該門課程以往授課教師提出的建議，本文針對新時期的“地磁學”課程特征，就中國地質大學（武漢）固體地球物理專業(yè)大學本科生課程“地磁學”的實踐教學方面，提出比較系統(tǒng)的方案設計。

二、中國地質大學（武漢）“地磁學”課程與實踐教學背景

中國地質大學（武漢）自2004年開始設置“地磁學”課程，主要授課對象是地球物理與空間信息學院地質與地球物理實驗班以及李四光學院地球物理學班的大學本科生，教學內容涵蓋地磁場測量方法與技術、現(xiàn)代與古地磁場的空間結構及其時變特征、地磁場的場源與物理規(guī)律、古地磁學、巖石磁學、環(huán)境磁學與生物磁學等，在空間物理以及海洋與地球內部等科學研究、日常生活、軍事與國防、通信、定位與導航、資源探測、環(huán)境與氣候變化監(jiān)測、工程勘察、考古學、自然災害研究等方面得到廣泛地應用。因此，“地磁學”涉及面較寬，實踐教學難度也較大。以往的“地磁學”實踐教學，2007年、2009年至2015年均在中國地質大學秦皇島實習基地進行（注：2008年在秭歸縣泗溪風景區(qū)進行了新址試驗），實習內容為磁法勘探[2]，與應用地球物理專業(yè)的實習內容完全一樣。雖然磁法勘探也屬于地磁學的應用范疇，但是對于固體地球物理專業(yè)而言，更傾向于研究地球科學乃至拓展與延伸的行星科學問題。由于本?！暗卮艑W”授課對象是固體地球物理專業(yè)的大學本科生，考慮到固體地球物理專業(yè)與應用地球物理專業(yè)培養(yǎng)目標的不同，2015年固體地球物理系提出單獨進行固體地球物理專業(yè)實習，并于同年底在秦皇島進行了重新選址與地球物理試探。2016年在新址上，固體地球物理系進行了單獨的重力學、地磁學、地電學、地震學教學實習。實踐證明，新址實習取得了較好的效果。但是，地磁學專業(yè)實習依然存在許多需要改進的地方，并且只進行秦皇島教學實習，對于涵蓋面較廣的“地磁學”實踐教學而言，顯然是遠遠不夠的。

三、中國地質大學（武漢）“地磁學”實踐教學的方案設計

針對教學內容與培養(yǎng)目標，實踐教學應該具備層次性[3]。不同層次的實踐教學應該具備不同的目標與內容、形式與執(zhí)行方案、教師與學生的角色與作用以及考核方式等。根據新時期“地磁學”的學科特征與發(fā)展趨勢，建議我校的“地磁學”實踐教學從如下五個層次開展：

1.參觀與認識實習。該實習的主要內容是參觀與認識儀器設備、實驗室、科學觀測設施等，了解地磁學相關的儀器設備、國內外重要實驗室與科學觀測設施，以及相關儀器設備的發(fā)展與應用，主要目標是了解專業(yè)的國內外發(fā)展歷史與前沿，從而拓展學生視野、提升學生對地磁學研究的敬仰、培養(yǎng)學生的專業(yè)興趣以及國家與社會發(fā)展對地磁學提出新要求的時代責任感。具體形式可以結合實際情況多樣化，例如室內多媒體展示、參觀校內、兄弟高校與周邊科研院所的相關儀器設備與實驗室，也可以組織參觀國家相關科學觀測設施（例如武漢地磁臺以及位于武漢大地測量國家野外科學觀測研究站）。但是，該層次應以室內結合多媒體講授為主，參觀為輔。教師應該發(fā)揮主體角色，盡量收集與整理相關資料，授課應該具有條理、形象生動、引人入勝。在此層次上，學生并非完全被動聽課，可以討論對地磁學的新認識，鼓勵學生根據感興趣的知識點查閱與追蹤文獻資料，對儀器設備或某一應用領域形成更全面與更深入的認識等?？梢愿鶕n程認識小報告，對學生是否達到教學目標進行評估。

2.儀器操作實習。隨著科學技術的快速發(fā)展，地磁學的相關儀器設備越來越趨于自動化、網絡化、操作簡單化。因此，很多學生與社會人員均認為儀器操作很簡單，不需要學習或粗略閱讀操作說明書即可。事實上，學生不僅需要理解儀器的工作原理與操作方法及步驟，還需要了解儀器的測試、保養(yǎng)與維護、運輸方法、常規(guī)故障與應對措施等。更為重要的是，學生需要養(yǎng)成科學、規(guī)范的儀器操作素養(yǎng)，以及結合工作原理與相關理論知識掌握如何在野外獲取高質量的觀測數(shù)據。該階段的實習形式為教師操作示范與注意事項說明、學生輪流操作，前提是事先在室內課堂上進行了儀器工作原理、系統(tǒng)結構等詳細講解。具體考核形式可以為是否正確與規(guī)范地操作儀器以及相關注意事項等方面的問答考核。

3.資料整理、處理與解釋實習。該層次的實踐教學目的主要在于三個方面：（1）讓學生對野外觀測資料形成一定的認識，促使學生掌握資料整理步驟以及數(shù)據處理與解釋的方法與技術，使得學生能夠結合研究目標與實際條件合理地挑選并且正確地應用數(shù)據處理與解釋的方法與技術，而且能夠得到可靠的結果及其誤差評價。（2）很多相關的觀測數(shù)據與模型數(shù)據均可以在網絡上進行下載，培養(yǎng)學生對數(shù)據重要性的認識以及獲取數(shù)據的能力。（3）該層次要求學生撰寫課程報告，因此也需要培養(yǎng)學生如何規(guī)范與美觀地繪圖與制表、如何思路清晰與格式規(guī)范地撰寫報告、如何科學地引用參考文獻等。

具體的資料來源可以是某個已經研究成熟的生產或科研項目或網絡上下載的實測數(shù)據，也可以是通過正演合成的數(shù)據?？己诵问街饕蕾囉谡n程報告，評價標準包括專業(yè)知識的掌握、報告的格式與規(guī)范性等。在該層次，學生是主角，教師只需布置任務與目標、分發(fā)數(shù)據以及評閱報告。

4.基于校內試驗場的綜合性實習。前三種層次的實踐教學屬于課程階段性實習，而本層次實習具有綜合性以及模擬野外工作的兩個特征。我校于2015年埋設了低阻高磁的金屬油罐，其埋深、地面位置、幾何形態(tài)與尺寸及其磁性參數(shù)均為已知，可以作為試驗場地。在此環(huán)節(jié)中，教師只需介紹任務與目的，僅發(fā)揮引導與監(jiān)督作用；在了解任務與目的之后，學生自行分組，每組獨立進行方法設計（例如：總場測量、總場差分梯度測量、三分量測量及其差分梯度測量等）、施工設計（例如：測線或測網方位、觀測高度、點距與線距、校正點與日變站的選取與觀測以及測地工作與點位標記等）、任務分工、儀器檢查、資料采集與整理、數(shù)據處理與解釋等全流程的系列工作，并且每個人單獨完成工作報告、以小組為單位進行幻燈片展示與口頭報告。該層次實習一方面在于培養(yǎng)與檢驗學生所學的課堂知識，另一方面在于培養(yǎng)學生的分工協(xié)作與統(tǒng)籌管理能力、學生之間的交流與溝通、幻燈片展示與口頭報告的語言表達能力。該層面的綜合性實習還可以為大學三年級時的野外專業(yè)實習做鋪墊與準備。

5.野外專業(yè)實習。野外專業(yè)實習相比于室內與校內的實踐教學，野外專業(yè)實習的主要特征在于“野外”，即探測的目標地質體未知、自然條件與社會關系復雜、野外工作突發(fā)情況較多、工作難度增大。在野外進行專業(yè)實習，除深化理論知識、培養(yǎng)專業(yè)技能與利用所學知識解決實際問題的能力之外，還具有以下八個方面的優(yōu)勢：（1）可以調動學生積極性與探索未知問題的激情，容易培養(yǎng)學生的成就感，還可以培養(yǎng)學生與學生之間、學生與老師之間的友誼，可謂“快樂實習”。（2）可以培養(yǎng)學生的組織與協(xié)調及管理能力，養(yǎng)成團隊合作意識。（3）促使學生形成野外工作的人身與儀器安全意識、環(huán)保意識、與工區(qū)的社會及人際關系協(xié)調意識、公共設施與農田莊稼的保護意識。（4）養(yǎng)成每天查閱天氣與空間活動性、野外實時記錄、收集當天數(shù)據并且檢查數(shù)據質量的良好習慣。（5）可以培養(yǎng)學生解決各種突發(fā)情況的能力。（6）使得學生學會如何在工作經費、效率與質量之間取得平衡。（7）使得學生積累野外工作專業(yè)技巧與質量保障措施等寶貴經驗。（8）培養(yǎng)學生在項目設計前收集資料、了解工區(qū)的地球物理場與地質背景以及巖石物性、地形地貌、人文、交通與氣候等的意識。在野外專業(yè)實習中，教師應該發(fā)揮引導、監(jiān)督、指正與考核作用。在指正錯誤與傳授經驗與技巧時，引導學生獨立思考其原因。學生在野外專業(yè)實習中應該發(fā)揮主體角色，應該全程參與野外工作，包括預算及經費管理與使用以及在任務明確之后的收集資料、踏勘、方法選擇、測點與測線或測網布設、測地與磁測的基點或基點網與日變站布設、巖石物性采樣路線與點位的選取、儀器設備的清點與測試以及出工準備、任務安排并且責任到人、野外出工與收工的交通安排、野外正式施工及人員聯(lián)絡、野外資料及時收集與實時檢查、資料整理、數(shù)據處理與解釋、報告編寫與匯報等。工作任務是某一區(qū)域地質問題（如斷裂、巖體、盆地與盆山邊界等）、地磁場空間分布及其時間變化規(guī)律的調查等。在具體的實施中，為了最大限度地發(fā)揮野外實習的作用，可以采用以下五個措施：（1）打亂原班級建制。（2）按人數(shù)分大組，設立大組長與幾個副組長，按組輪流進行野外實習。（3）每個大組按照任務分工設立小組長，任務與安全責任到人。（4）盡量保證每個人均有明確的任務，針對人數(shù)工作方法也可以靈活多變。（5）鼓勵學生思考，在任務結束后，應該組織學生討論、總結成功和失敗的經驗，并且進行分組報告?？己藨摳鶕I(yè)實習綜合表現(xiàn)而不單純拘泥于書面報告。

四、結論

地磁學從誕生至今一直具有較強的實用性，兼?zhèn)涔た婆c理科性質，在社會發(fā)展強烈需求以及國家大力推進創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的背景之下，新時期的“地磁學”課程更應該加強實踐教學環(huán)節(jié)。實踐教學應該具有層次性，每個層次在培養(yǎng)目標方面應該具有側重點，教師與學生的角色也應不同，考核方式也應該趨于綜合性評價；實踐教學的形式可以多樣化與靈活化，但是目標必須緊密圍繞學生專業(yè)知識、技能與綜合素質及能力的培養(yǎng)；地磁學涵蓋面較廣，實踐教學不可能面面俱到，但是在盡量拓寬實踐內容的同時，需要結合學校與學院的特色與條件，做好某種或某幾種實踐教學，相信學生在學習方法、野外工作思路、利用所學知識解決實際問題的能力與綜合素質方面是可以融會貫通的。

參考文獻：

[1]徐文耀.地磁學發(fā)展史的啟示[J].自然雜志，2006，28（6）：349-352.

[2]王傳雷.地球物理學北戴河實踐教學指導書[M].武漢：中國地質大學出版社，2013.

[3]李培根，許曉東，陳國松.我國本科工程教育實踐教學問題與原因探析[J].高等工程教育研究，2012，（3）：1-6.3