《地球物理反演》課程教學中提高學生學習興趣的實踐

歐東新 李靜和

摘 要：在《地球物理反演》課程教學中從激發學生學習興趣入手，在激發學生學習動機、編制合適的教材、理論聯系實際、提高教師個人素質四個方面進行教學安排，增強學生學習興趣，提高教學效果。

關鍵詞：地球物理反演；學習興趣；學習動機

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）08-0090-03

Abstract： In teaching and study of geophysics inversion course， from arousing students' study interests， inspiring students' study motive， working out suitable teaching material， linking theory with practice， increasing teacher's personal qualities，the teaching is arranged to improve effectiveness of teaching and study.

Keywords： geophysics inversion； study interests； study motive

《地球物理反演》課程是勘查技術與工程（物探）專業的一門重要的專業課程[1]。在實際工作中對于提高物探工程解釋質量具有重要的作用。但是本門課程理論較為復雜，涉及大量的數理知識，學習起來有一定的難度。為了提高本課程的教學質量，前人做了一些有益的實踐[2，3]。此外，在實際工作中，不少物探從業人員都是使用現成的處理軟件，進行傻瓜式操作，不需要了解反演處理的具體方法過程也能處理出不錯的結果。因此有些學生就產生只要會用軟件就行的思想，對反演理論學習不重視，無興趣，造成教學及學習效果較差。為了增強學生學習興趣，提高學習效果，作者在多輪講授本課程中進行了一些有益的探索實踐。主要從以下幾個方面來進行教學工作：1. 激發學生學習動機；2. 編制合適的教材；3. 理論聯系實際；4. 提高教師個人素質。

一、激發學生學習動機

教師和學生是教育活動基本要素，學生的學習動機是直接推動學生學習的內部動力[4]，教師只有激發和培養其學習動機，才能充分調動學生的學習主動性和積極性，能使教學工作達到事半功倍的作用，獲得較好的教學效果。

學習興趣和學習信念是學習動機的初級和高級表現形式[5]。“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”學習積極性往往與學習興趣有關，當學生喜歡某一學科時，會積極主動地去學習該學科，上課時會認真聽講，積極思考并參與課堂討論，下課后也會認真做作業，努力學習由于時間關系課堂上沒有講的知識內容，這樣才會產生較好的學習效果；反之，學生對一門課程沒有興趣，則學習會處于勉強被動機械的過程之中，上課時可能會開小差，人雖然坐在教室里，可是思想不集中，不聽講，甚至會在課堂上做與上課無關的事情。老師雖然很認真的講課，但學生可能左耳朵進右耳朵出，上課就變成老師一個人的獨舞，而學生不會積極參與課堂的互動，只是在課堂上熬時間。上課的目的也就只剩下混學分，這樣的教學效果肯定是不會好的。因此教師一定要培養學生的學習興趣和強烈的學習動機才能提高教學的效果。所以，在教學過程中，教師要挖掘教材趣味素材，設置問題情境，激發學生的好奇心和探求新知識的欲望，激發學生深入學習了解知識的濃厚興趣；要建立朋友式的師生關系，增進師生情感，充分發揮師生教與學的主觀能動性以及主導和主體作用，積極參與課堂教學，引導學生在有限的單元教學時間里始終興致盎然，不斷提高教學質量。

（一）內部學習動機

首先要使學生了解《地球物理反演》課程的重要性，結合具體實例說明沒有反演，地球物理勘探的效果將大打折扣。在有些情況下，不進行反演，甚至能得出錯誤的結果。在第一堂課上，首先講述地球物理反演的概述，介紹反演課程的基本內容，并以二維直流電測深為例說明反演的必要性。在這個例子中，建立一個帶地形起伏的地電模型，模型具有一個山峰，一個山谷，在電阻率為100Ωm的均勻大地中有一個電阻率為1Ωm的低阻體和一個電阻率為1000Ωm的高阻體。采用對稱四極裝置進行了電測深正演模擬，并繪制了視電阻率等值線斷面圖（觀測數據）。讓學生可以看到由于地形起伏和不均勻性的影響，視電阻率斷面圖無法準確反映地電模型的結構信息，甚至還會出現很多假異常。在這樣復雜的地電條件下直接利用視電阻率資料進行地質推斷是很困難的。隨后又給出作了比值法地形校正的視電阻率等值線斷面圖。從圖中讓學生看到雖然地形校正可以在一定程度上改善地形影響，消除一些假異常，但還是難以識別異常體的分布范圍。最后給出利用最小二乘法反演所得出的反演電阻率等值線斷面圖。從反演圖中可見地形影響基本完全消除，兩個異常體的位置和大小基本和正演模型一一對應。在這個例子中讓學生對反演的作用有了直觀的映象，認識到反演在資料解釋中的重要作用，從而激發他們學習反演的興趣。

要堅決反對只要會用反演軟件就行，不需要懂反演理論的思想。反演軟件的使用需要設置大量的反演參數，需要一定的人為干預，而如果不了解反演的基本理論，很難設好這些參數，也就難以得到好的反演結果。讓學生樹立只有懂得一定的反演理論知識才能用好反演軟件的思想，讓學生產生想學習，和必須學習反演課程的思想。

鼓勵學生，讓他們形成本門課程不難的觀念，消除學生畏難思想，激發學習信心。例如給出一維直流電阻率縱向電導直接反演程序，讓他們看到僅有幾行代碼，但是卻能有較好的反演效果。由于感覺簡單，認為自己能學會，同時自己也可以編制這樣的反演程序，獲得極大的成就感，滿足感。這樣就能極大的激發學生的學習興趣。同樣還是以一維直流電阻率縱向電導直接反演為例向學生展示反演方法的創新其實也不難。這個直接反演方法正是筆者在講授《電法勘探》課程中縱向電導概念時產生的靈感，核心思想就是“把觀測到的視電阻率看成某個深度以上的大地縱向電阻率”。這樣就能利用縱向電導的公式從上到下一層層遞推獲得大地的地電結構。從這個例子讓學生看到在學習的過程中要主動思考，往往一個小小的想法就能產生巨大的作用。

此外為了進一步激發學生的學習興趣和學習信心，筆者還以以前指導的本科生做畢業論文時發表論文的例子來說明科研創造不難。當時這個學生從比值法進行地形校正，以及筆者的一篇利用修正系數從一維偏導數計算二維偏導數的論文中獲得靈感，利用比值法來計算有限單元法的修正系數，達到在有限單元法直流電測深二維正演計算中只用5個波數就能在大極距（超過100米）下，以及在電源點附近獲得較高的計算精度。這篇論文的關鍵就是利用修正系數這個方法。用這個例子向學生展示即使是本科生，只要肯多動腦筋，活學活用，即使利用簡單的理論知識也能做出不錯的科研成果。

為了強調科研不難，關鍵是勤于思考，在課堂上還以屠呦呦獲得諾貝爾獎的例子來激發學生的興趣。屠呦呦多年從事中藥和中西藥結合研究，突出貢獻是創制新型抗瘧藥青蒿素和雙氫青蒿素。1972年成功提取到青蒿素。2011年9月，因為發現青蒿素——一種用于治療瘧疾的藥物，挽救了全球特別是發展中國家的數百萬人的生命獲得拉斯克獎和葛蘭素史克中國研發中心“生命科學杰出成就獎”。2015年10月，屠呦呦獲得諾貝爾生理學或醫學獎，理由是她發現了青蒿素，這種藥品可以有效降低瘧疾患者的死亡率。她成為首獲科學類諾貝爾獎的中國人。屠呦呦是第一位獲得諾貝爾科學獎項的中國本土科學家、第一位獲得諾貝爾生理醫學獎的華人科學家。是中國醫學界迄今為止獲得的最高獎項，也是中醫藥成果獲得的最高獎項。2017年1月9日，屠呦呦獲得2016年度國家最高科學技術獎。而屠呦呦正是從中國古代醫書中用青蒿絞汁的方法治療瘧疾獲得靈感，利用低溫提取出了青蒿素，而這個想法本身并不復雜。這些例子不但能活躍課堂的氣氛，還能充分調動學生的學習熱情和學習信心。

志向水平與學習興趣水平密切相關。提高志向水平至適當水準，能培養學生學習興趣。在課堂上，教師要開展遠大理想、正確三觀和學習目的教育，讓學生樹立實現中國夢，實現中國偉大復興的的責任在每一個人身上的使命感，使學生明確學習方向并產生強烈的內驅動力和積極的學習興趣。

（二）外部學習動機

經常布置作業，并及時批改。讓學生能知道自己的學習情況，在作業本上寫一些鼓勵的話，同時在課堂上表揚作業突出的學生，培養學生的榮譽感。經常布置一些有一定難度的題目讓學生做。做出來的學生在課程成績中給于加分。通過這些手段激勵學習興趣，推動學生的學習熱情。

利用先進的網絡教學平臺以及微信，QQ等通信工具和學生進行互動，回答學生問題，多和學生溝通，培養師生感情，即使說的不是有關學習的事情也能激發學生的學習動力。

經常表揚學生，盡量少批評學生，即使是批評，也要給與鼓勵。當然也要嚴格教學紀律，否則學生會有不好好學也行的想法，一定要有好的教學紀律，才有好的教學效果。

二、編制合適的教材

地球物理反演由于理論較為復雜，已經出版的相關書籍大多內容太多，太深，作為教材不太適合本科教學。具有成就動機的學生能堅持學習，喜歡挑戰解決疑難問題，喜歡體驗解決問題后的成就感。學習內容和目標過于簡單往往沒有挑戰性，而難以實現的學習目標容易讓學生產生氣餒畏難情緒，均難以激發學習興趣。所以為培養學習興趣，促使學生成就感的產生和體驗，教師設置適合學生難度的教材就非常重要。

因此作者自編了《地球物理反演教程》用于本科教學，內容作了精簡，講解更為詳細，易于理解，舍去過于復雜的理論推導，著重概念的講解，保留一些基本的公式推導，能讓學生快速建立反演的知識體系。為了理論聯系實際，在書中還附上三個反演的源程序。目前教材已經出版，并應用了兩屆了，相比采用過于復雜的書籍，學生學習起來較為容易，老師講解也更加簡潔清楚，不會把學生淹沒在大量復雜公式推導之中。有了合適的教材，學生學習更有自信心，從而更有學習的興趣。

為了提高學生的學習興趣，編制的反演教材不僅僅有專業理論知識，也加入了一些科學史和科學家的介紹，例如在編寫Backus-Gilbert連續反演理論這一章時，由于涉及到泛函求極值的問題，泛函就是函數的函數。如果直接講述將十分枯燥難懂。因此筆者把泛函的幾個簡單的例子列了出來，如在古代迦太基人建造城市時允許居民占有一天所犁出的溝所圍成的土地。一般一個人在一天犁出的溝的長度是一定的。問題變為在周長相同的情況下什么形狀所圍成的面積最大。在這里面積就是一個泛函了，而它的自變量也是函數（形狀函數），不同的形狀產生不同的面積。此外還以最速降線問題說明泛函求極值問題。最速降線問題提出的第二年就由牛頓、萊布尼茲、雅各布·伯努利和約翰·伯努利本人先后給出了解答。歐拉（瑞士人，約翰.伯努利的學生）在1728年開始涉足這個領域，不久他把最速降線問題加以推廣，并且考慮了摩擦和空氣阻力。接著他又致力于尋找解決這類問題的一般方法。經過16年的不懈努力，終于獲得成功。1744年，歐拉的《尋求具有某種極大或極小性質的曲線的技巧》在都柏林正式出版，變分法作為一個新的數學分支誕生了。由于這部杰作，歐拉也立刻被公認為當時最偉大的數學家。10年后，19歲的拉格朗日（法籍意大利人）受到歐拉方法的啟發，開始研究變分法，經過4年的努力找到了解決這類問題的最佳方法。不久23歲的拉格朗日由歐拉推薦當選為柏林科學院的外籍院士。由于在書中增加了這些內容，不但使教材具有一定的趣味性，還能用年輕的拉格朗日的例子使學生產生代入心理，激發學習熱情。

三、理論聯系實際

如果在授課時只是講解理論知識，公式推導，這樣會比較枯燥，學生的學習興趣也會下降，從而影響學習效果。為了提高學生的學習興趣，必須理論聯系實際，把書上的公式變為實實在在能進行反演解釋的程序。對課程的主要反演方法，筆者基本都用FORTRAN進行了實現，對于簡單的反演方法給出源程序，并指導學生進行修改完善。對于復雜的反演程序，也在課堂上展示給學生，并講解關鍵的程序段，讓學生產生“原來如此”的想法，培養學生學習興趣，增加學習信心。在理論教學的同時也要重視實驗教學，安排了三個實驗，讓學生能自己動手編簡單的反演程，對于較復雜的反演程序也讓學生親自動手反演操作，理解具體反演參數的設定對反演效果的影響。通過實踐，學生能更好的理解和鞏固所學知識，同時能解決具體的反演問題，獲得成就感，反過來提高學生的學習興趣。此外，一定要結合具體的生產實踐來講解反演的運用，過程，效果，展示不做反演和作了反演的對比，讓學生認識到反演的重要性，同時由于是具體的實例，學生更能理解反演的整個過程。只有認識到反演有重要作用，能解決重要的問題，提高勘探效果，他們才會對這門課程感興趣，才能更好的學習這門課程。

四、提高教師個人素質

一門好的課程需要好的老師來講授，如果教師教得不好，學生不會有學習興趣。在教學過程中，教師應該總是起著主導作用，因為教師對所教的內容是已知者，他肩負著社會的委托，按照既定的培養目標來培養和教育人，因此教學任務的確定、教學內容的安排、教學方法和教學組織形式的選擇以及學生學習主體作用的發揮程度都由教師來決定。在學習過程中師生雙方雖然都必須發揮主觀能動性，但兩者的地位是不同的，教師起著主導作用[6]。

在教學過程中衡量教師主導作用發揮好壞的主要標志在于：把發揮教師主導作用和調動學生學習主動性結合起來，使得教和學之間積極配合，協調一致。因為教師的主導作用，就是要把課程的要求變成學生的需要，把社會意識和他人的經驗轉化為學生個人的知識、智慧和思想，培養他們的創造才能，這就要把學習的主動權交給學生，激發他們的學習興趣和求知欲望，引導他們獨立思考和認真完成學習任務。根據學生認識規律，組織他們生動活潑地主動學習，是教師應當掌握的教學藝術，也是在教學過程中堅持發揮教師主導作用之所在。

教師要不斷充實自己，不但要吃透課程的專業知識還要學習新的教育理論，認真備課，準備PPT，精心設計安排課堂活動，在課堂上不能光是老師講課，學生聽課，一定要增加互動環節，要多提問（包括教師提問也包括學生提問），多布置課堂練習，討論等環節，讓學生能參與進來。要和學生在課堂和課后多多交流，這樣才能了解學生的學習情況，及時反饋。有時學生的問題是課本上沒有解答的，教師需要查閱文獻進行研究，這樣又能促進教師個人的學術水平，反過來更好地進行教學。這樣在教學的過程中老師和學生都獲得提高。多從學生的角度思考問題，弄懂學生的學習難點和學習興趣點并以此合理的安排教學工作，在課堂上介紹目前本專業的最新進展，開闊學生的視野，激發學生的好奇心和求知欲。當然這需要教師有極強的概括能力，因為這些新的方法往往比較復雜，直接講授學生很難理解，只有吃透新方法的核心，用簡單的敘述講解這些方法的基本思路，讓學生不用專注于復雜的公式推導也能理解這些方法的原理。只有這樣才能提高教師的教學水平，提高教學的效果。

五、結束語

一門課程的教學效果的好壞和學生的學習興趣有極大的關系，作者在地球物理反演課程的教學實踐中，從激發學生學習興趣入手，在激發學生學習動機、編制合適的教材、理論聯系實際、提高教師個人素質四個方面進行教學安排，提高了教學效果。

參考文獻：

[1]歐東新.地球物理反演教程[M].北京：地質出版社，2015.

[2]李長偉.“地球物理反演”課程的教學實踐探索[J].才智，2012，13：234.

[3]馮德山，王菁.《地球物理數據處理與反演》課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2014（10）：29-30.

[4]楊玲玲.高職學生學習動機培養與激發淺論[J].人才資源開發，2016（2）：233-234.

[5]王景新.高職高專學生學習動機的激發與培養[J].信息記錄材料，2018，19（4）：204-206.

[6]王廣忠，馬傳普.高等學校教師教學指導[M].重慶：科學技術文獻出版社重慶分社，1989.