彭 誠，鄒長春，肖 亮，徐敬領(lǐng)

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

2020年7月29日，習(xí)近平總書記就研究生教育工作作出了重要指示，指出研究生教育在培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提高創(chuàng)新能力、服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化方面具有重要作用。我國已經(jīng)進入了尋求高質(zhì)量發(fā)展的新階段，科技創(chuàng)新能力將成為第一動力，研究生教育是這一動力的重要來源。2020年教育部發(fā)布的《關(guān)于加快新時代研究生教育改革發(fā)展的意見》制訂了“到2035年，初步建成具有中國特色的研究生教育強國”的目標，并將“完善科教融合育人機制”作為加強學(xué)術(shù)學(xué)位研究生知識創(chuàng)新能力的重要舉措。

科教融合不僅是研究生教育中培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑，也是研究生教育改革的必然趨勢，還是當代世界一流大學(xué)辦學(xué)的核心理念[1,2]。通過將教師從事科學(xué)研究的思路與具體的科研工作融入研究生的教學(xué)之中，一方面能夠讓教學(xué)過程帶有探索性、實踐性，引導(dǎo)學(xué)生思考問題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高課程的教學(xué)質(zhì)量；另一方面也能夠讓實際的教學(xué)聚焦于國家經(jīng)濟與社會發(fā)展關(guān)注的科技攻關(guān)方向，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與我國的發(fā)展過程建立聯(lián)系，提供課程思政的有利窗口，培養(yǎng)學(xué)生立志報國的情懷。然而，科教融合在實際的教學(xué)中具有實踐途徑多樣化的特點，不同的學(xué)科與課程都需要根據(jù)自身特點探索出最佳的融合方式[3]。

在當前國家大力實施一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)（“雙一流”）的時代背景下，課程組依托全國高校黃大年式教師團隊“地球物理與信息技術(shù)教師團隊”，積極探索面向新時代的地球物理領(lǐng)域高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。論文以中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院開設(shè)的研究生選修課“巖石物理學(xué)”為例，開展基于科教融合理念的研究生課程設(shè)計，以期為相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的教學(xué)改革提供參考。

1 課程內(nèi)容優(yōu)化研究

巖石物理學(xué)是物理學(xué)的一個獨立分支，專門研究巖石的物理現(xiàn)象、物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律等，是利用地球物理手段解決資源、能源、環(huán)境、災(zāi)害等問題的基礎(chǔ)。由于巖石物理學(xué)課程具有涉及的基本概念分散（來自物理學(xué)、地球物理學(xué)、巖石學(xué)等），涵蓋的物理知識點多（包括了力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、放射學(xué)等），需掌握的技能實踐性強（實驗和數(shù)值模擬分析是巖石物理學(xué)研究中常用的手段）等特點，讓學(xué)生在小課時的背景下全面掌握巖石物理學(xué)的知識與技能極具挑戰(zhàn)[4，5]。因此，“巖石物理學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容方面應(yīng)根據(jù)人才培養(yǎng)目標與教學(xué)對象的不同有所側(cè)重，并根據(jù)教學(xué)的側(cè)重點進行系統(tǒng)的課程設(shè)計。

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院開設(shè)的研究生選修課“巖石物理學(xué)”主要面向地球物理學(xué)、地球探測與信息技術(shù)、資源與環(huán)境工程等專業(yè)，旨在培養(yǎng)能夠從事礦產(chǎn)資源、工程地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域地球物理工作的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。通過考查往屆畢業(yè)生的就業(yè)情況、研判本行業(yè)的未來發(fā)展趨勢，課程組制訂了“巖石物理學(xué)”課程的教學(xué)目標：使學(xué)生掌握巖石力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、核磁共振等相關(guān)的基本概念、基本原理與主要方法技術(shù)；使學(xué)生能夠借助巖石物理學(xué)知識，對專業(yè)內(nèi)遇到的主要巖石物理現(xiàn)象與地球物理的相應(yīng)特征進行恰當分析，并解釋其形成原因；使學(xué)生能夠利用巖石物理學(xué)的基本原理，針對地球物理勘探中遇到的典型問題提出相應(yīng)的解決方案。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐動手能力，讓學(xué)生掌握巖石物理學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵技能方法，課程組在本課程內(nèi)設(shè)計了數(shù)值模擬訓(xùn)練與巖石物理實驗課程。本課程一共設(shè)置了32個課時，其中28個課時為課堂講授學(xué)時，數(shù)值模擬訓(xùn)練被安排在課堂授課過程中；4個課時為巖石物理實驗的實習(xí)課時，實際的教學(xué)工作安排在實驗室內(nèi)開展。根據(jù)上述教學(xué)目標，對巖石物理學(xué)的知識進行重構(gòu)，建立了本課程的教學(xué)內(nèi)容體系（表1）。考慮到課時有限，本課程的教學(xué)內(nèi)容以巖石力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、核磁共振的理論、方法和應(yīng)用為主。

表1 “巖石物理學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容與課時分配

2 教學(xué)模式研究

2.1 理論課教學(xué)模式

“巖石物理學(xué)”的課堂講授包括4學(xué)時的緒論與24學(xué)時的核心內(nèi)容，其中核心內(nèi)容包括巖石力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)與核磁共振四個部分。傳統(tǒng)的課堂講授常采用“概念與理論介紹-案例分析-總結(jié)歸納”的教學(xué)模式。該模式雖然在理論教學(xué)之后設(shè)置了案例分析環(huán)節(jié)，在一定程度上有助于學(xué)生理解相關(guān)的概念與理論知識，但課堂上仍是以教師講課為主，缺乏對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。此外，對于知識點較多的課程，學(xué)生在這種教學(xué)模式下難以建立牢固的知識體系，這導(dǎo)致學(xué)生在面對具體問題的時候，無法有效地利用所學(xué)知識形成解決方案。

針對上述問題，論文基于“巖石物理學(xué)”課程的特點與科教融合理念，對理論教學(xué)、案例分析、學(xué)生實踐等三部分進行重組，最終形成了“問題引導(dǎo)-理論與案例結(jié)合”的教學(xué)模式。在該模式中，知識講授是以專業(yè)內(nèi)關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題為引導(dǎo)，讓學(xué)生從解決問題的角度去學(xué)習(xí)新的知識點；以流程齊全的典型科研工作為案例，讓學(xué)生在系統(tǒng)了解科研工作的同時，建立以解決問題為中心的知識體系，形成從事科研工作的研究思維；在案例分析中融入學(xué)生實踐，設(shè)計了多個課堂練習(xí)環(huán)節(jié)（包括數(shù)值模擬訓(xùn)練），教師指導(dǎo)學(xué)生利用Matlab等平臺編程實現(xiàn)經(jīng)典的巖石物理模型，并結(jié)合案例中的實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬開展分析討論。對于該教學(xué)模式，科研案例的選取非常關(guān)鍵。好的科研案例不僅能夠提高理論課教學(xué)質(zhì)量，還能夠拓展學(xué)生的視野。對于不同的教學(xué)內(nèi)容，教師需要根據(jù)所在課題組的科研工作，合理地配備相應(yīng)的資源。

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在巖石物理學(xué)研究方面具有較好的科研隊伍與科研平臺。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）測井實驗室擁有巖樣制備與面向測井的巖石物理實驗各類儀器，可以對巖石樣品開展物性、聲學(xué)、電學(xué)、核磁共振等參數(shù)的測量研究。依托該實驗室，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）巖石物理與測井課題組長期從事頁巖、煤巖、碳酸鹽巖、天然氣水合物、海底多金屬硫化物、科學(xué)鉆探等的巖石物理學(xué)研究，致力于解決深海、深地、深時等領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。目前，課題組擁有前沿的攻關(guān)項目，積累了豐富的科研資料，為開展基于科教融合的巖石物理學(xué)課程教學(xué)提供了豐富的教學(xué)資源。

依托上述科研成果與資料，課程組將優(yōu)選的科研案例融入巖石力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)與核磁共振四個部分的教學(xué)中。

巖石力學(xué)：基于松科二井超聲波成像測井與陣列聲波測井等資料，以揭示松遼盆地深部地層的地應(yīng)力狀態(tài)為目標，講解研究思路；結(jié)合巖石力學(xué)理論，指導(dǎo)學(xué)生對測井資料進行分析，確定水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力方向。

巖石聲學(xué)：①基于前人測量的泥質(zhì)砂巖聲波速度數(shù)據(jù)，以建立能夠進行準確預(yù)測聲波速度的巖石物理模型為目標，指導(dǎo)學(xué)生利用Matlab編程對比Wyllie、Wood、Xu-White等模型的預(yù)測效果，并從中優(yōu)選最佳的模型，分析不同模型的適用條件；②圍繞碳酸鹽巖和天然氣水合物儲層，以儲層的準確評價為目標，介紹這兩類儲層的聲學(xué)模型研究進展。

巖石電學(xué)：①基于實際鉆井的測井數(shù)據(jù)，以常規(guī)砂巖儲層的電阻率飽和度評價為目標，利用阿爾奇公式等對儲層進行評價，并分析其適用條件；②以實驗室內(nèi)水合物合成動態(tài)監(jiān)測為目標，介紹電阻率層析成像技術(shù)的研究進展；③以海底多金屬硫化物勘探為目標，介紹硫化物導(dǎo)電機理研究進展。

巖石核磁共振：①以龍馬溪組頁巖核磁共振實驗為例，介紹巖石物理實驗流程與實驗參數(shù)優(yōu)選方法；②以巖石孔隙結(jié)構(gòu)表征為例，介紹基于核磁共振數(shù)據(jù)的孔隙結(jié)構(gòu)分析方法與研究進展。

通過上述設(shè)計，課程組將多個領(lǐng)域的前沿科研工作融入了“巖石物理學(xué)”理論課教學(xué)中，在增加課程探索性與實踐性的同時，也增強了課程的趣味性與多樣性。這些科研案例是“問題引導(dǎo)-理論與案例結(jié)合”教學(xué)模式的關(guān)鍵部分，它們引出問題，同時也串聯(lián)起了課程講授的主要知識點。該教學(xué)模式利用優(yōu)秀的科研成果支撐教學(xué)，在實現(xiàn)“科研反哺教學(xué)”的同時，也促進了教研相長。

2.2 實驗課教學(xué)模式

巖石物理實驗教學(xué)能夠幫助學(xué)生理解理論知識、提高學(xué)生的實踐能力、培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力，是“巖石物理學(xué)”課程教學(xué)的關(guān)鍵一環(huán)[6-11]。本課程設(shè)計了4學(xué)時的巖石物理實驗，具體內(nèi)容包括：在課程開始前，教師對學(xué)生進行安全培訓(xùn)與考核，學(xué)生考核合格后進入實驗室；教師帶領(lǐng)學(xué)生參觀實驗室的巖樣制備與巖石物理實驗儀器，講授巖石密度、孔隙度、滲透率、電阻率、聲波速度與核磁共振等的測量方法；圍繞實驗室擁有的NMI20-030H-I巖心核磁共振分析與成像系統(tǒng)、SCMS-DS巖心聲電測量系統(tǒng)、SCMS-CS巖心孔滲聯(lián)測系統(tǒng)等開展教學(xué)，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下操作儀器、開展實驗，這部分也是巖石物理實驗課的核心環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)通常遵循“理論方法介紹-實驗步驟演示-學(xué)生實際操作”的模式。在該模式中，教師首先向?qū)W生介紹實驗?zāi)康?、實驗涉及的理論與方法，然后演示實驗過程中儀器操作的每一個步驟，最后讓學(xué)生根據(jù)教師的演示過程對實驗儀器進行操作。在該模式下，大部分學(xué)生往往只是根據(jù)教師的演示過程重復(fù)操作了一遍儀器。這種教學(xué)模式雖然能夠讓學(xué)生階段性地掌握巖石物理實驗的儀器操作步驟，但也存在學(xué)生缺乏思考與熱情、對實驗過程與原理印象不深、對知識理解不透徹等問題。

本課程采用科教融合的方式開展巖石物理實驗教學(xué)，其教學(xué)模式可以總結(jié)為“情境設(shè)置-方案制訂-教學(xué)與操作-總結(jié)”。在該模式的實驗教學(xué)中，教師首先設(shè)置具體的科研情境：研究區(qū)在哪里？研究對象是什么？已采集到的資料有哪些？目前需要通過巖石物理實驗解決什么問題？相比于傳統(tǒng)教學(xué)模式中直接告訴學(xué)生實驗?zāi)康?，預(yù)設(shè)情境使得教學(xué)更有科研代入感，有助于引發(fā)學(xué)生的思考。然后，針對這一預(yù)設(shè)情境，教師引導(dǎo)學(xué)生思考并提出巖石物理實驗方案。該實驗方案包括實驗?zāi)康摹嶒灢襟E、實驗任務(wù)分解等。在對實驗方案進行充分討論之后，教師根據(jù)這一方案指導(dǎo)學(xué)生開展巖石物理實驗。根據(jù)實驗任務(wù)分解情況，學(xué)生需要分成多組，每組學(xué)生領(lǐng)有特定的實驗任務(wù)，組內(nèi)每個學(xué)生又有相應(yīng)的分工。因此，學(xué)生不僅要熟練掌握完成分配任務(wù)的必要技能，而且要與其他小組的學(xué)生配合，在相互協(xié)作的過程中達成實驗總目標。相比于教師演示、學(xué)生操作的傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生為主、教師為輔的實驗教學(xué)能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。實驗完成之后，圍繞學(xué)生自己測量的數(shù)據(jù)與本實驗的研究目的，教師組織學(xué)生展開分析與討論。每一個學(xué)生小組分別介紹其任務(wù)完成情況，其余小組學(xué)生參與學(xué)習(xí)討論。最后，教師對本次實驗進行歸納總結(jié)，對學(xué)生實驗結(jié)果能否解決實際問題進行評估，指出實驗可能存在的不足之處與改進的方法。該模式能夠讓學(xué)生在特定的科研情境下自主學(xué)習(xí)、相互協(xié)作，在整個過程中，教師都是以“顧問”的形式協(xié)助學(xué)生設(shè)計并完成實驗。這不僅能夠激發(fā)學(xué)生的積極性，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生獨立從事實驗研究的能力。

3 課程考核方式研究

為了更全面、更有效地考查學(xué)生對知識點的掌握，保障教師“教”和學(xué)生“學(xué)”的質(zhì)量，課程組研究了課程的考核與檢查方式，并最終選取了課上提問、課堂練習(xí)、讀書報告等多種方式來檢查教學(xué)效果。課上提問的作用不僅在于讓教師實時了解學(xué)生對知識點的掌握情況，而且能夠調(diào)整課堂氣氛、引導(dǎo)學(xué)生思考、增加互動討論。在基于科教融合的教學(xué)過程中，綜合了實際問題、具體方法與真實數(shù)據(jù)的課堂練習(xí)能夠讓學(xué)生模擬科研工作，加深對重要知識點的理解，培養(yǎng)科研思維。讀書報告是期末的最終考核方式，其題目是開放性的，即學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)之后，可以針對自己感興趣的方向自擬題目。學(xué)生可以針對課堂上涉及的知識點或者問題進行更深入的調(diào)研學(xué)習(xí)，也可以是學(xué)習(xí)課堂上沒有涉及的其他巖石物理性質(zhì)（放射性、磁性、熱物性等）。綜合上述檢查方式，本課程形成了“平時成績+讀書報告”的考核形式，其中平時成績主要由5次課堂練習(xí)組成，每次8分，共40分；期末的讀書報告為60分。這種方式不僅能夠?qū)W(xué)生的課堂知識掌握情況進行考核，而且兼顧了學(xué)生的自主性。

4 結(jié)語

“巖石物理學(xué)”是中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院具有特色的一門研究生選修課。圍繞高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標，論文開展了基于科教融合的“巖石物理學(xué)”課程設(shè)計與探索，主要工作如下：

（1）制訂了“巖石物理學(xué)”課程的教學(xué)目標，建立了涵蓋巖石力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、核磁共振的教學(xué)內(nèi)容體系。

（2）針對本課程的特點，構(gòu)建了“問題引導(dǎo)-理論與案例結(jié)合”的理論課教學(xué)模式與“情境設(shè)置-方案制訂-教學(xué)與操作-總結(jié)”的實驗課教學(xué)模式。

（3）通過對考核方式的優(yōu)化，形成了課上提問、課堂練習(xí)、讀書報告等多種方式相結(jié)合的教學(xué)檢查方法。