新時(shí)期地球物理學(xué)本科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)之思考

陳超

摘要：隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，新時(shí)期的地球物理學(xué)對大學(xué)本科生的綜合能力提出了更高的要求。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和有效途徑。然而，從我國當(dāng)前的本科教學(xué)體系看，實(shí)踐教學(xué)活動缺乏層次性。本文針對地球物理學(xué)本科專業(yè)的特點(diǎn)，提出了將地球物理學(xué)的實(shí)踐教學(xué)分為專業(yè)認(rèn)識、方案設(shè)計(jì)、案例分析與科學(xué)實(shí)踐四個層次，并且指出不同層次的實(shí)踐教學(xué)需要建立的不同階段的考核評價(jià)體系。為保障實(shí)踐教學(xué)有效實(shí)施，本文就教學(xué)方法介紹了三點(diǎn)體會：（1）教學(xué)應(yīng)該考慮理論聯(lián)系實(shí)際，有助于學(xué)生理解理論方法的應(yīng)用條件和應(yīng)用價(jià)值；（2）增加方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識和技能解決實(shí)際問題的能力；（3）野外開展教學(xué)實(shí)習(xí)或生產(chǎn)實(shí)習(xí)，除了培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能之外，還應(yīng)訓(xùn)練學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)能力、組織管理能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等，教師引導(dǎo)與監(jiān)督，學(xué)生自主設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)、實(shí)施與管理，是行之有效的舉措。

關(guān)鍵詞：地球物理學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)體系；大學(xué)本科；培養(yǎng)模式

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0098-04

地球物理學(xué)誕生與發(fā)展歷程，是人類對自然現(xiàn)象不斷觀測、推演和歸納的過程，其中科學(xué)實(shí)踐是最主要的推動力。自上世紀(jì)后半葉以來，地球物理越來越明顯地發(fā)展成為一門以高新技術(shù)和定量化觀測實(shí)驗(yàn)為主要支撐條件的“硬科學(xué)”。隨著地球物理觀測和實(shí)驗(yàn)概念的大大拓展，對多尺度、多系統(tǒng)、多物理機(jī)制的地球系統(tǒng)過程的認(rèn)識日趨具體化，特別是當(dāng)代地球物理科技發(fā)展所帶來的對地探測能力的空前提高，使地球物理探測開始成為地球和行星科學(xué)中幾乎所有分支學(xué)科的基礎(chǔ)[1，2]。因此，新時(shí)期地球物理學(xué)科的發(fā)展，對該領(lǐng)域的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。現(xiàn)代“地球物理學(xué)”的教學(xué)既要涉及具有工科屬性的觀測系統(tǒng)與儀器、觀測技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與處理方法等方面技能的培養(yǎng)內(nèi)容，也要涉及具有理科屬性的理論證明、歸納推演、現(xiàn)象揭示等能力的培養(yǎng)內(nèi)容。

縱觀國內(nèi)外大學(xué)的本科教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，幾乎都涵蓋了品格情操、專業(yè)知識、綜合能力等幾個方面。在本科教學(xué)過程中，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵步驟之一。而對于不同學(xué)科的門類，在不同教學(xué)環(huán)境和教學(xué)體系下如何有效實(shí)施實(shí)踐教學(xué)則是千差萬別的。就地球物理學(xué)專業(yè)而言，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)通常包括：觀測儀器及裝置操練（室內(nèi)）、課程或案例設(shè)計(jì)（室內(nèi)）、野外觀測與觀摩（戶外）、參加科學(xué)實(shí)驗(yàn)或研究（室內(nèi)或戶外）等幾個方面，其目的是期望通過實(shí)踐活動與課堂理論教學(xué)的結(jié)合，加深學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和綜合素養(yǎng)。本文結(jié)合地球物理學(xué)的特點(diǎn)和筆者多年的教學(xué)體會，就實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)計(jì)和教學(xué)方法進(jìn)行討論。

一、背景

隨著1998年教育部《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》的正式頒布與實(shí)施，我校開設(shè)近50年的工科“應(yīng)用地球物理（地球物理探礦）”專業(yè)被合并為“勘查技術(shù)與工程”專業(yè)。為了延續(xù)我校多年來為國內(nèi)地礦、石油以及工程勘察等行業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用地球物理方面人才的傳統(tǒng)和優(yōu)勢，并且保持與國際同行的學(xué)術(shù)聯(lián)系，我校在1998年設(shè)置了“地球物理學(xué)（理科）”本科專業(yè)并且開始招生，并按照工科模式培養(yǎng)，但是在2013年招生專業(yè)已改為“勘查技術(shù)與工程”。2004年，我院申辦了“地質(zhì)—地球物理”實(shí)驗(yàn)班，按照“地球物理學(xué)”理科模式培養(yǎng)固體地球物理方面的拔尖人才。至2016年，實(shí)驗(yàn)班已有8屆畢業(yè)生。事實(shí)上，我校十多年來“地球物理學(xué)”專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)計(jì)劃仍然是延續(xù)“應(yīng)用地球物理”專業(yè)的工科模式，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)也大體相似。例如，在地球物理學(xué)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中設(shè)置的“地球物理觀測與實(shí)驗(yàn)”課程，以及地球物理方法教學(xué)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)或畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，這與我國大多數(shù)工程教育實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容是類似的。這種模式通常包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)（理論課程的實(shí)驗(yàn)和獨(dú)立開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程）和集中實(shí)踐教學(xué)（認(rèn)識實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)或畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)）兩大部分。此外，部分學(xué)生參加的科技活動和社會實(shí)踐活動，則是在教學(xué)體制之外運(yùn)行。實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)仍然以驗(yàn)證理論知識和掌握實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)技能為主，而對專業(yè)素養(yǎng)、責(zé)任感、表達(dá)與溝通能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作精神沒有硬性要求，加之一些實(shí)踐過程管理和監(jiān)督缺位，實(shí)踐教學(xué)評價(jià)流于形式，致使實(shí)踐能力培養(yǎng)的力度與效果遠(yuǎn)未到位[3]。

二、地球物理學(xué)本科實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)計(jì)

在我國本科教學(xué)體系中，存在重知識學(xué)習(xí)、輕能力培養(yǎng)的軟化現(xiàn)象，主要特征是側(cè)重學(xué)科基礎(chǔ)知識的傳授，而學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練不足。從實(shí)踐教學(xué)體系看，教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐活動缺乏層次性。隨著對高等教育實(shí)踐與探索的不斷深入，目前許多高校本科教育實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)所占比例已有明顯的增長，例如我校新編2015版“地球物理本科專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃”中實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分已占20.7%，實(shí)踐教學(xué)活動累計(jì)達(dá)到了37周，但如何落實(shí)實(shí)踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容及要求，以確保教學(xué)計(jì)劃能夠有效實(shí)施并且取得顯著的效果，還需要認(rèn)真考慮。2011年，華中科技大學(xué)就實(shí)踐教學(xué)問題組織了對多所高校教師和高年級學(xué)生的調(diào)研訪談，證實(shí)目前實(shí)踐教學(xué)中的認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)之間沒有明顯的梯度和層次[3]。顯然，簡單地增加實(shí)踐教學(xué)課時(shí)并不能完全解決實(shí)踐教學(xué)中存在的問題。

近年來，國內(nèi)許多高校在專業(yè)課程設(shè)置中已開始考慮分層次教學(xué)。從著重于能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系看，實(shí)踐教學(xué)方案更需要考慮層次性，不同的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)設(shè)立不同的教學(xué)要求。以我院地球物理學(xué)專業(yè)為例，在以往的實(shí)踐教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)要求學(xué)生掌握各種地球物理觀測儀器的基本原理、操作技術(shù)以及觀測方法等基礎(chǔ)技能，而在教學(xué)實(shí)習(xí)中儀器操作又被看作是重點(diǎn)內(nèi)容之一。隨著地球物理觀測技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代地球物理儀器的使用與操作都已十分簡便，如此簡單的重復(fù)性工作很難通過實(shí)習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，也無法有效啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

根據(jù)地球物理學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，實(shí)踐教學(xué)體系應(yīng)涵蓋以下幾個層次或階段。

1.專業(yè)認(rèn)識。觀測地球是地球物理學(xué)的重要組成環(huán)節(jié)。“專業(yè)認(rèn)識”是通過地球物理儀器及觀測課程教學(xué)在課堂上來實(shí)現(xiàn)的，這類課程一般都伴隨有儀器認(rèn)識與實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過認(rèn)識儀器及其觀測技術(shù)，逐漸領(lǐng)悟地球物理學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)及研究方法。教學(xué)單位可根據(jù)現(xiàn)有的儀器設(shè)備開展地球物理專業(yè)教學(xué)，并要求學(xué)生掌握重力儀、磁力儀、地震儀、電法儀等儀器的工作原理、使用方法以及觀測技術(shù)等基礎(chǔ)技能，考核可以采用口試和實(shí)際操作表現(xiàn)進(jìn)行綜合評價(jià)。

2.方案設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)是訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識和技能，面對一個課題（或問題）去設(shè)計(jì)解決問題的方案并驗(yàn)證其可行性的實(shí)踐教學(xué)過程。方案設(shè)計(jì)可結(jié)合實(shí)際工作的某個階段，從中提取問題，通過給定條件和要求，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)解決問題的技術(shù)方案并付諸實(shí)施，類似于課程設(shè)計(jì)。例如，假定問題：研究某地區(qū)構(gòu)造帶特征，并提供該區(qū)域已有的重、磁、電、震之中任何一種或幾種數(shù)據(jù)，以及地質(zhì)構(gòu)造、巖性等方面的資料，由學(xué)生自主選擇數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理方法來解決問題。可以把整個過程分為方案設(shè)計(jì)和實(shí)施兩個階段，由3—5名學(xué)生組成小組，明確分工，并以口頭報(bào)告和書面報(bào)告形式，分階段考核學(xué)生的時(shí)間投入、完成的工作量、方案的合理性、實(shí)施效果等，由此可歷練學(xué)生獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。本階段需要在地質(zhì)學(xué)、信號處理、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)以及地球物理專業(yè)課程完成之后實(shí)施。

3.案例分析。案例分析是針對如何解決實(shí)際問題而開展的綜合能力訓(xùn)練。實(shí)際問題通常十分復(fù)雜，且涉及野外觀測技術(shù)設(shè)計(jì)、觀測工作的實(shí)施、數(shù)據(jù)采集及其質(zhì)量評價(jià)、人員安排等許多環(huán)節(jié)。這項(xiàng)訓(xùn)練可以結(jié)合現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行。例如，我校地球物理專業(yè)設(shè)有的野外教學(xué)實(shí)習(xí)，學(xué)生可以結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行野外實(shí)地觀測，并將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和解釋，最后完成實(shí)習(xí)報(bào)告。因此，教學(xué)實(shí)習(xí)可作為案例分析階段來實(shí)施，但考核評價(jià)體系需進(jìn)一步細(xì)化和加強(qiáng)。此外，一些針對實(shí)際工作的生產(chǎn)實(shí)習(xí)也可納入這個范疇。這項(xiàng)訓(xùn)練既可以檢驗(yàn)課堂理論教學(xué)的效果，也可以使學(xué)生得到全方位的訓(xùn)練。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，通過這個階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本確定了自己的專業(yè)興趣和方向。畢業(yè)生情況調(diào)查結(jié)果表明，我校地球物理學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)生的實(shí)踐能力普遍得到了用人單位的好評。

4.科學(xué)實(shí)踐。本科生參加科學(xué)實(shí)踐活動是培養(yǎng)優(yōu)秀人才的重要舉措。本科生參與研究課題等科研活動是我國高校教學(xué)體系中普遍存在的“軟肋”，與西方大學(xué)有明顯的差距。例如，美國斯坦福大學(xué)和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院是地球物理學(xué)領(lǐng)域國際上最著名的學(xué)府，它們都為本科生參與科研活動制定了詳細(xì)的規(guī)則，學(xué)生可選擇參與實(shí)驗(yàn)室或教師課題組進(jìn)行科研活動，學(xué)校給予考核通過者一定的修課學(xué)分，從制度上保護(hù)了學(xué)生參加科學(xué)實(shí)踐的積極性，并使學(xué)生有機(jī)會與教授們一起工作，從而獲得科學(xué)素養(yǎng)訓(xùn)練的機(jī)會。本階段的實(shí)施可結(jié)合“導(dǎo)師制”計(jì)劃來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也可以結(jié)合本科生畢業(yè)論文或畢業(yè)設(shè)計(jì)階段來完成。

上述四個階段的設(shè)置，主要突出了實(shí)踐教學(xué)的層次性，其中案例分析和科學(xué)實(shí)踐階段可結(jié)合不同的教學(xué)環(huán)節(jié)選擇實(shí)施，具有靈活易行的特點(diǎn)。不同層次的實(shí)踐教學(xué)需要建立不同階段的考核評價(jià)體系。例如，評價(jià)體系可分為理論研究能力、數(shù)據(jù)分析能力、野外實(shí)施執(zhí)行能力、領(lǐng)導(dǎo)能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、表達(dá)與溝通能力等，這種指標(biāo)有利于綜合評判本科生的能力和潛質(zhì)，避免僅憑考分評判所帶來的弊端。

三、實(shí)踐教學(xué)中的幾點(diǎn)體會

培養(yǎng)方案、教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)條件是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的基礎(chǔ)，教學(xué)方法則是保障實(shí)踐教學(xué)有效實(shí)施的關(guān)鍵。

地球物理學(xué)專業(yè)的課堂教學(xué)以理論為主，立足數(shù)學(xué)、物理和地質(zhì)邏輯，講授理論基礎(chǔ)、方法原理、信號分析、數(shù)值模擬和邏輯推演。但這些內(nèi)容或概念和方法無不與真實(shí)的世界有關(guān)，因而在教學(xué)過程中也應(yīng)考慮理論聯(lián)系實(shí)際。自然界的物理現(xiàn)象可能具有很多起因，不是一個簡單的理想模型可以模擬的。例如，在課堂上討論“如何利用簡單模型去模擬現(xiàn)實(shí)異常體問題”，讓學(xué)生分析可能產(chǎn)生的誤差及其緣由，學(xué)生可以更好地理解理論方法的應(yīng)用條件和應(yīng)用價(jià)值。因此，在理論教學(xué)中應(yīng)適時(shí)、適量地引入真實(shí)條件下的話題加以討論，把抽象問題具體化，有助于啟迪學(xué)生如何利用理論知識解決實(shí)際問題。

方案設(shè)計(jì)是訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識和技能的一個有效環(huán)節(jié)。問題可以是虛擬的，也可以是真實(shí)的，而解決問題的途徑不是唯一的，最好的答案或結(jié)論也不是唯一的。因此，訓(xùn)練的目的在于檢驗(yàn)學(xué)生完成的過程是否具有科學(xué)性和邏輯性。例如，提供一個重力異常數(shù)據(jù)，學(xué)生可以用不同的方法去求解異常體的深度；給定一個疊加信號，學(xué)生可以用不同的信號分析方法去分離。而不同的方法得到的結(jié)果可能具有一定的差異，但不能依此評定學(xué)生的成績。若能結(jié)合不同方法的特點(diǎn)對結(jié)果進(jìn)行分析，學(xué)生的受益就不僅限于得到一個“正確”的答案了。

野外開展教學(xué)實(shí)習(xí)或生產(chǎn)實(shí)習(xí)，可被視為真正的職業(yè)訓(xùn)練。專業(yè)技能訓(xùn)練是主要的目的，而在實(shí)習(xí)過程中必然要涉及人員調(diào)配、分工協(xié)作、資源（包括儀器設(shè)備和材料以及經(jīng)費(fèi)）的管理與使用等，有時(shí)還需要面向社會，獲得社會資源。地球物理野外工作需要多人協(xié)作才能完成，這是最適合訓(xùn)練學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)能力、組織管理能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的階段。在實(shí)習(xí)中，教員不應(yīng)包攬一切，而是應(yīng)該讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)、管理，并組織實(shí)施野外工作。為了讓更多的學(xué)生得到鍛煉的機(jī)會，可采用定期輪崗制。例如，2000年我院在河北秦皇島開展的教學(xué)實(shí)習(xí)就采用了“輪值經(jīng)理制”方式組織學(xué)生開展野外實(shí)習(xí)。許多學(xué)生通過實(shí)習(xí)，在項(xiàng)目組織、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等方面得到了鍛煉。對這種新穎的舉措，學(xué)生反響強(qiáng)烈。

實(shí)踐教學(xué)方法并沒有固定的模式，不同的專業(yè)有不同的要求。新時(shí)期的教學(xué)主體——學(xué)生有別于以往，其思維方式、學(xué)習(xí)方法和與他人相處等方面都有顯著不同，如何開展好實(shí)踐教學(xué)，需要教師在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索，不懈努力。

中國高等教育始于洋務(wù)運(yùn)動時(shí)期，經(jīng)過了近150年的發(fā)展，可以說，我國已經(jīng)成為世界上在校大學(xué)生規(guī)模最大的國家。誠然，高等教育為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步造就了大批科技人才，取得了巨大的成就。但與此同時(shí)，高等教育也存在不少問題。而加強(qiáng)高等教育的實(shí)踐性教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，以此來滿足我國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，建立創(chuàng)新型國家和參與國際競爭的需要。

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Thoughts about Practice Teaching Methods for Undergraduate Major of Geophysics in New Era

CHEN Chao

（Department of Solid-Earth Geophysics，Institute of Geophysics and Geomatics，

China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China）

Abstract：As the increasing development of science and technology，the higher requirement for comprehensive capabilities of undergraduate is proposed to geophysics in new era. To improve comprehensive capabilities，practice teaching is a key link and an effective approach. However，viewing from undergraduate teaching system，recent teaching design and practice teaching lack layered feature. In this paper，considering the major characteristics，the practice teaching of the geophysics is suggested to be divided into four parts，i.e.，acquaintanceship practice，project design，case analysis and scientific practice. Moreover，at different lever of the practice teaching，different assessment system should be constructed. To guarantee successful implementation of the practice teaching，three pieces of teaching experience are proposed as following：（1） Linking theory with practice，is helpful to understand the applying condition and value of the theoretical method.（2） Strengthening the project design，can improve the ability that applying the learned knowledge to deal with actual problems.（3） In practice teaching or production practice，except the professional skills，the abilities of leadership，organization，management and cooperation et al.，should be taken into account. As an effective approach，the teacher should play the roles of guide and supervision，while the student should design，coordinate，implement and manage by themselves.

Key words：geophysics；practice teaching；teaching system；undergraduate；training mode