面向煤及煤層氣工程專業的《地震勘探》課程教學研究

宋先海 （中國地質大學地球物理與空間信息學院，湖北 武漢430074）

我國煤炭儲量遠遠高于目前已查明的石油、天然氣儲量，煤炭生產在我國國民經濟建設中具有舉足輕重的地位。在機械化采煤生產中，由于采煤機械化對地質條件的要求遠遠超過普采或炮采的要求，當前提交的地質勘探資料已遠遠不能滿足現代化礦區開采對地質條件的要求，導致長期以來煤礦建設對采區地質條件的分析研究程度不夠。

因地震勘探具有高精度、高分辨率和探測深度大的優點，所以其一直是各種地球物理勘探方法（如重力勘探、磁法勘探、電法勘探和測井勘探）中的主要研究方向［1～3］。鑒于地震勘探與煤及煤層氣工程專業的緊密聯系，國外一些著名大學很早就針對煤及煤層氣工程專業開設該課程。然而，在國內僅有中國礦業大學（北京）、中國礦業大學（徐州）、河南理工大學（原焦作工學院）等為數不多的高校為煤及煤層氣工程專業的本科生開設了該課程，中國地質大學于2011年開始為煤及煤層氣工程專業的本科生開設該課程，教學研究與實踐尚在探索中。

1 課程特點引發的教學問題

《地震勘探》課程對數學物理基礎要求較高，公式推導較多，且面向煤及煤層氣工程專業的《地震勘探》，其開設的目的是為煤田綜采設計、提高煤炭工作面的生產效率、避免煤礦瓦斯和突水突泥危險事故發生、保證礦井的高效安全生產等提供有力的地質保障。因而必須注重課程與煤田勘探開發的針對性，以加強地震勘探與煤及煤層氣工程專業的銜接，這就要求授課教師不僅要熟悉地震勘探的內容，還要具備煤及煤層氣工程的專業背景，并能將兩者有機融合起來。

1.1 與煤及煤層氣工程專業的銜接

在地震勘探專業課的教學實踐中，學生往往不知道如何靈活應用所學的地震勘探專業知識來解決煤及煤層氣工程專業中的具體問題。究其原因，是地震勘探專業課教師沒有對煤及煤層氣工程專業中需要銜接的知識點進行系統地歸納和梳理，沒有很好地融入煤及煤層氣工程專業問題，專業針對性不強，學生又沒有很好地聯系地震勘探專業課的知識點，結果導致學生對地震勘探知識的掌握脫離了煤及煤層氣工程專業的應用背景，對知識的應用目的不明確，學習積極性不高，最終導致教學效果大打折扣。

1.2 教材及教學資源的選取

現有的地震勘探教材中尚無專門針對煤及煤層氣工程應用的教材，教材的側重點、應用部分及習題往往針對地球物理勘探專業而設計，很少涉及煤及煤層氣工程專業問題。如果直接使用這些教材來對煤及煤層氣工程專業的學生進行講授，容易造成地震勘探專業課與煤及煤層氣工程專業相脫節，學生難以將地震勘探知識與其專業背景聯系起來。

1.3 課程對數學物理基礎要求高

學生在學習《地震勘探》課程之前，需要具備彈性波理論、宏觀場論、大學物理、信號分析與處理、高等數學、線性代數、數學物理方程、矢量分析、復變函數和矩陣理論等基礎知識，并能靈活運用這些數學物理知識。國內大多數高校只針對地球物理專業開設該課程。然而課程中引入的一些概念，如旋度運算、彈性模量、波場延拓、偏移成像、地震子波、導波和相長干涉等，相對比較抽象，尤其對于煤層氣專業的學生理解起來比較困難。坐標轉換時二維和三維應力分量的變化則需要學生具有較強的空間想象能力。課程中涉及大量的公式推導，如波動方程、佐普利茲（Zoeppritz）方程、煤層槽波頻散方程，需要學生具備較強的大學物理、矢量分析、線性代數、微積分和偏微分方程基礎知識。課程內容聯系緊密，若其中一個知識點沒掌握好則影響后續的學習，導致煤及煤層氣工程專業數理基礎較薄弱的學生容易產生畏難心理，學習興趣不高，且隨著課程內容逐步深入，學生難以跟上課程進度，會逐漸失去學好該課程的信心。

2 具體措施

為了提高教學質量，增強與煤工系專業的融合，完善該課程建設，地球物理與空間信息學院重點圍繞教師隊伍、教學內容、教學方法、教學條件和教學效果5個方面開展了相關改革與實踐工作。

2.1 加強教師隊伍建設，努力提高教師綜合素質

地震勘探專業為學院的優勢學科，近年來學院加強了《地震勘探》課題組教師隊伍建設。該課題組現有教師15名，其中正教授5名、副教授5名、講師5名；13名教師具有博士學位、2名教師具有碩士學位；10名教師出國訪問交流1年以上。教師隊伍專業職稱、學歷分布、年齡層次和隊伍結構更加趨于合理，教師隊伍穩定、專業知識雄厚。通過出國訪問交流、組織觀摩國家級和省級教學名師授課，通過學習國內外國家精品課程、國家精品視頻公開課、國家精品資源共享課和中國大學MOOC（Massive Open Online Course，即大規模在線開放課程）等網絡資源，教師隊伍的國際視野、綜合素質和授課水平得到了明顯提高。

2.2 優選國內外教材，充分利用網絡教學資源

為了解決優秀教材及教學資源選取的難題，為煤及煤層氣工程專業的學生量身定制出適合他們的教材和教學資源，要求教師不能照搬硬套、固守陳規，要積極借鑒國內外優秀的教學經驗、教材和網絡資源對該課程進行拓展和優化，在對國內外眾多教材的內容進行優選和對比后，選定中南大學出版社出版的熊章強等編寫的《地震勘探》（第2版）為主要教程。為緊密結合煤炭地質問題，輔以美國勘探地球物理學會SEG（Society of Exploration Geophysicists）出版的由 Yilmaz編寫的《Seismic Data Analysis：Processing，Inversion，and Interpretation of Seismic Data》，即《地震數據分析：處理、反演和解釋》，在該學術專著中，有大量與煤田勘探開發密切相關的處理和分析實例。有機整合這2部教材，使課程既具有地震勘探專業課的特色，又突出了課程在煤及煤層氣問題中的應用。

除此以外，對國內外國家精品課程、國家精品視頻公開課、國家精品資源共享課、中國大學MOOC和國內外重要學術論文等其他網絡輔助學習手段也加以充分利用。如美國科羅拉多礦業學院（Colorado School of Mines）開設的煤田地震勘探（Seismic Coal Exploration）課程十分注重在教學中將地震勘探的專業理論與煤及煤層氣工程專業知識緊密結合起來，其培養的學生不僅具有扎實的專業基礎知識，又具有較強的實際動手能力、分析問題和解決問題能力。

2.3 優化教學內容，突出與煤及煤層氣工程專業的融合

該課程作為一門專業應用課，具有很強的專業針對性和實踐性，要求學生能用所學知識解決相應的煤及煤層氣勘探開發問題。而專業針對性和實踐性往往是教學中容易忽視的一點，導致地震勘探基礎理論與煤及煤層氣工程專業相脫節。為此，在教學內容方面，授課教師要深入理解該課程在煤及煤層氣工程專業課程體系中的重要作用，明確該課程的煤系地層應用背景，圍繞為煤及煤層氣工程專業服務而進行教學內容的選擇和優化，形成適用于煤工系專業的地震勘探知識脈絡，除講授傳統的地震勘探基礎理論、地震波理論時距曲線、地震資料野外采集、地震資料數字處理和地震資料解釋外，還要拓展與煤層應用緊密相關的知識結構。

如學生學習了多波地震記錄后，往往不知道這與其煤層勘探有何聯系。授課教師要將多波地震記錄與煤系地質特征緊密聯系起來。當陷落柱（無炭柱）、采空區和煤矸石出現時，地震記錄就會變得極為復雜，此時會出現多波地震記錄。授課教師就要結合實例重點講解在地震記錄上通過地震波的運動學和動力學特征識別一次反射波、多次反射波、折射波、繞射波、直達波、面波、聲波和微震等不同地震波的方法。一次反射波時距曲線近似為雙曲線，其主頻在30～60Hz左右，直達波時距曲線為其漸近線；直達波、折射波時距曲線為直線，主頻在20～50Hz范圍左右；聲波其特點是視速度穩定（340m／s左右），頻率高（主頻在100Hz以上），振幅低，延續時間長，在地震記錄上呈現強而尖銳的波至；面波其傳播速度略小于橫波速度，在地震記錄圖中面波的特點是分布范圍廣、頻率低、周期大、能量強，其能量沿垂直方向迅速衰減，沿水平方向衰減緩慢，呈發散的掃帚狀；微震（風干擾）其特點是能量低、頻帶寬（頻率在60～250Hz），無規律。這樣學生就會感覺到其學習的地震勘探專業基礎課與其專業應用密切相關，也能學會如何靈活運用。

另外，有針對性地召開小范圍的教學研討會，使相關課程的教師深入了解彼此的教學內容和教學要求，對知識點進行系統的歸納梳理，打通知識脈絡，建立合理的課程教學內容，并結合學生的學習效果和反饋信息及時進行調整和優化教學內容，使各門課的知識點之間緊密銜接、環環相扣、相輔相成，避免重復教學和難以銜接。

2.4 采用多樣化教學方法，提高教學效果

教學方法的一般特點包括多樣性和整體性［4～6］，在《地震勘探》的教學中，尤其要注重教學方法的多樣性，具體包括以下5方面。

1）采用啟發式和互動式教學 針對該課程對數理基礎要求高、公式推導多的特點，在教學方法上可較多采用啟發式和互動式教學，以提高學生的參與度。引導學生自主進行部分公式的推導，以加深理解和記憶。在授課的過程中，盡可能設置一系列問題，引導學生分析思考地震勘探公式的基本原理、物理含義以及推導過程中的技巧和容易忽略的因素，加強課堂的互動性，注重培養學生積極主動分析問題和解決問題的能力。

2）黑板板書和多媒體有機結合 在講授的過程中，在公式推導部分可多利用板書，在黑板上推導的過程中注意與學生溝通和互動，帶動學生思考，使學生緊跟上老師的思路，形成師生互動。對于公式推導，板書方式比多媒體方式更易于讓學生理解和接受。然而在講解地震子波、一個反射波記錄道在煤層中形成的物理過程、大地濾波作用對縱向分辨率的影響或煤層中槽波傳播的波場特征等內容時，利用多媒體進行動畫展示具有傳統板書無法比擬的優勢，其更直觀、形象、生動，更易于學生理解和接受。因而在授課中應根據課程的內容特點將黑板板書和多媒體有機結合，充分利用各自的優勢，以達到最佳教學效果。

3）進行“前情提要”和課堂提問 針對課程具有連貫性強的特點，在每次課開始時可將上次課的核心內容做一個整體簡要回顧，在鞏固知識的同時也加強了知識點的銜接性。除此之外，還應結合課堂提問了解學生的理解程度，隨時調整講課的節奏和進度，對難點進行深入講解。

4）定期對重點作業進行講解和安排輔導答疑 對課程的重點環節布置一定量的作業，如地震波不同速度的計算、佐普利茲方程的編程與分析、槽波頻散曲線的繪制等，使學生及時復習所學知識，授課教師要認真批改作業，從作業中了解學生對知識的掌握程度，發現薄弱環節。針對大部分同學未能掌握和理解的內容，在課堂上要再次進行深入講解分析。鑒于課程難度較大、概念抽象的特點，該課程要特別注重多安排課下的答疑環節，以便對學生的問題給予及時解答與幫助，使學生及時跟上教學進度，不因對某個問題的疑惑而影響后續的學習。

5）利用網絡資源作為輔助教學方法 在每次上課之前要求學生通過國內外國家精品課程（如長江大學毛寧波教授主講的《地震勘探原理》）、國家精品視頻公開課（如長江大學毛寧波教授主講的《透視地下油藏——找尋石油的地震方法》）、國家精品資源共享課（如長江大學毛寧波教授主講的《地震勘探原理》、中國地質大學張玉芬教授主講的《地球物理勘探概論》）、中國大學MOOC等豐富的網絡資源進行提前自學和預習，這樣學生在課堂中聽課時就會帶著問題有針對性地進行學習，提高學生的自學能力和教學效果。

2.5 完善教學條件，增加教學實踐環節

地震勘探是地球物理與空間信息學院學科優勢方向。近年來，通過儀器設備修繕購置項目和優勢學科創新平臺建設的大力投入，引進了國內外多套先進的地震勘探儀器設備和工作站，已建成了湖北省地球內部多尺度成像重點實驗室、地球物理實驗室、地震波超聲模擬實驗室和地震資料處理與解釋實驗室。這些重要的實驗室、先進的地震勘探設備和工作站為該課程提供了良好的教學條件和硬件支撐，為增加教學實踐環節提供了保證。

如在增加實踐教學環節方面，為培養學生野外資料采集能力、分析問題和解決問題能力，筆者首先利用反射波正演模擬軟件，給學生們模擬演示和講解了地震地質模型的建立、多次覆蓋觀測系統設計方法和正演模擬產生了多炮多次覆蓋地震記錄，用以模擬野外實際采集過程，并給學生們演示了反射波地震資料整個處理與解釋的常規流程；其次，讓每位同學利用電腦按老師講解的方法自己親自動手設計地質模型、多次覆蓋觀測系統，并正演模擬產生多炮多次覆蓋理論地震記錄，同時對其模擬產生的地震記錄進行處理解釋，讓學生們對野外整個采集過程和地震記錄處理解釋有個初步的認識；然后，結合學院地震勘探儀器實驗室和資料處理與解釋實驗室教學資源，讓學生們參觀了地震儀器設備實驗室和資料處理工作站，并結合實物講解了美國GEODE地震采集儀、不同頻率地震檢波器、地震采集電纜的性能指標、儀器連接及注意事項，隨后在實驗室的配合下在中國地質大學附近的南望山樹林里帶領學生們分組進行了現場踏勘、測線布置和實測地震資料的采集；最后，每個班都以小組為單位將其采集的各條測線地震資料進行二維和擬三維地震構造解釋；最后進行分組討論自己的心得體會、感想認識和存在的問題。

實踐教學環節中將以學生為主體，教師提供輔助和引導，這樣不僅可鍛煉學生的實踐動手能力，還能充分激發學生的學習興趣。

2.6 檢查教學效果，不斷總結教學經驗

為了檢查和保證教師“教”和學生“學”的效果，培養學生實際應變能力和動手能力，教師可通過課堂考勤（10%）、課堂回答問題（10%）、課后作業（10%）、教學實踐參與積極性（10%）、實驗報告（10%）、口試測驗（10%）和期末考試（40%）等多種方式來檢查和評價教學效果。在第1節“緒論”和平時課堂教學中，教師就可把考核方式告訴學生，從而讓學生上課按時出勤；課堂通過預習和復習積極回答問題；課后認真完成作業；積極參加教學實踐，努力編寫實驗報告；有效地把握重要的概念、定理、原理和知識點，完成口試測驗和期末考試。該評價方式更加注重學生學習的過程監控，避免出現學生平時不注意學習、考前突擊的情況，從而有效培養學生學習的積極性、主動性和創造性。

3 結語

《地震勘探》作為一門面向煤及煤層氣工程專業的課程，除具有常規《地震勘探》課程特點外，還具有其特殊的煤及煤層氣工程專業要求。為此，中國地質大學地球物理與空間信息學院近年來加強了教學組教師隊伍建設，提高了教師國際視野和綜合素質；調整和優化了教學內容，突出了與煤及煤層氣工程專業的融合；采用了多樣化的教學方法，提高了教學效果；完善了教學條件，增加了教學實踐環節；通過教學效果檢查，不斷總結教學經驗。同時，教師和學生也充分利用校內外國家精品課程、國家精品視頻公開課、國家精品資源共享課和中國大學MOOC等網絡資源作為補充，不斷提高教學效果，努力培養學生獨立分析問題和解決問題的能力。

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