地球物理學研究生課程教學改革的探索與思考

王彥國 李曼 胡斌 郝夢成 江麗

摘? 要：研究生教學是高層次人才培養的重要組成部分，隨著研究生規模的增加，研究生教學質量逐漸被重視。從地球物理學研究生教學過程中存在的主要問題出發，以“位場數據處理與反演”課程為例，對研究生課程教學改革進行探索。通過增添實踐實驗實習環節，提高研究生實踐動手能力與實踐創新能力;通過規范教學環節與考核制度，提高研究生教學培養質量;通過跟蹤學術前沿動態，提高研究生的學術視野與學術創新能力;采用“學術講座”形式和“翻轉課堂”模式，提高研究生獨立思考與創新能力。

關鍵詞：地球物理學;教學改革;實踐教學;創新能力

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2021）08-0125-04

Abstract： Postgraduate teaching is an important part of talent cultivation with high level. As the number of graduate students increase， postgraduate teaching quality has gradually taken seriously. We explore postgraduate teaching reform based on main problems of geophysical postgraduate teaching and taking "Potential Data Processing and Inversion" course as an example. The practical ability and practical innovation ability are improved through more practice， experiment and internship. The cultivation quality of postgraduate teaching is improved when the teaching links and examination systems are more standardized. In addition， the academic vision and innovation would are much better by tracking academic frontier. Moreover， the independent thinking and innovation ability of graduate students are further raised if academic forum and flipped classroom are adopted in postgraduate teaching.

Keywords： geophysics; teaching reform; practical teaching; innovation ability

研究生教育是教育事業的重要組成部分，是教育體系的頂端，是國家人才競爭與科技競爭的重要支柱，21世紀全球范圍內科技創新速度加快，高層次人才重要性日益突出，研究生教育是培養高層次人才的主要途徑。在研究生教育中，研究生教學是人才培養過程中的一項重要環節，研究生課程體系的科學構建和高水平運行是決定高校人才培養質量的關鍵，也是科學能力培養、科學精神傳承和學校教育思想付諸實踐的橋梁與支柱[1]。隨著國內研究生招生規模的逐步擴大，研究生教學質量也越來越受重視，各大高校均加強了研究生課程建設與改革，也取得了可喜的效果[2]。但是，我國研究生教育在教育理念、課程設置、教學方式、教學實踐及社會應用方面還存在一定差距，學習和借鑒國外先進的教育教學經驗，結合國內教育情況，探索出一條適合中國特色的研究生教育教學之路是當務之急[3]。

地球物理學是一級學科碩士授權點，是一個多層次、多類型的地學學科，研究生培養肩負著區域地質調查、礦產資源勘查、能源預測、工程勘查等多方面高層次人才產出的重要任務。東華理工大學地球物理學碩士點下設核地球物理與儀器、環境與工程地球物理、勘探地球物理及海洋地球物理四個研究方向，主要培養具有較強的獨立從事生產和科學研究的能力、高素質專業人才。《位場數據處理與反演》是地球物理學研究生的一門重要專業課，主要講述重磁勘探中解析延拓、導數換算、分量轉換、化磁極、異常分離等基礎數據處理方法，及場源參數估計、場源快速成像、場源物性反演及界面正反演等方法。隨著計算科學的發展，非線性反演方法及人工智能等逐漸滲透到位場數據處理之中，促進了位場數據處理方法的快速發展[4]。然而，位場數據處理方法快速更新，新興學科蓬勃發展，學科交叉也日益突出，但研究生課程內容仍是主要的傳統方法與技術，并未隨著方法技術的發展而實時更新。另外，高校、任課教師及研究生對研究生課程教學的重要性不夠重視，在研究生的教學理念、課程設置、教學方式及實踐教學等方面與西方發達國家還存在著很大差距[5]。從多年的研究生教學與人才培養經驗出發，以地球物理學研究生教學課程《位場數據處理與反演》為例，剖析了目前地球物理學研究生課程教學中存在的不足，并對課程改革進行了探索與思考，期望通過一系列改革措施能夠提高地球物理學研究生的教學質量以及提高研究生實踐能力、創新能力與學術水平。

一、地球物理學研究生教學中存在的主要問題

近些年來，我國高等教育教學改革不斷，教學方式也逐漸豐富多彩，但是研究生知識面過窄、知識結構過于單一的狀況卻未得到徹底改變，與當前現代化科技發展，新興學科、交叉學科的日益壯大及專業方法技術的快速更新等仍不匹配[6]，這些問題主要表現在以下幾個方面：

（一）課程內容的陳舊性，與本科教學內容重復率高

目前不少高等院校研究生課程基本相同，課程內容也沒有太大變化，而且多數知識點一成不變，并未隨著地球物理學科的發展而持續性更新，另外，課程內容與本科課程存在較大重復。以《位場數據處理與反演》為例，主要講授的數據處理方法中，導數換算、解析延拓、化磁極、異常分離等基礎數據處理與本科的《重磁勘探》基本完全一樣[7]，另外本科課程中的一些常用數據處理方法，如：重力歸一化總梯度、歐拉反褶積、重磁對應分析、邊界識別方法及界面正反演方法，同樣也是研究生課程中涉及的。研究生課程本身課時量較少，而相當一部分內容卻與本科課程重復。從人才培養高度上來說，顯然課程設置與課程內容并未與本科形成明顯差距。

（二）課程教學的傳統性，與本科教學模式雷同

在地球物理學研究生教學過程中，不少研究生教師仍然是以課堂講述，知識傳授為主，仍是以教師的教為主，學生的學為輔，仍以灌輸法為主要教學手段。這種教學手段對于一些本科生課程來說是有效的，但是研究生教學仍采用該模式，不利于研究生與任課教師之間的學術交流，不利于研究生從課程中領悟科學研究的意義，不利于研究生自主思考與創新意識培養。

（三）研究生實踐教學缺失，研究生實踐動手能力偏差

地球物理學專業是一門實踐性較強的學科，實踐教學應在研究生培養中占據重要地位。如果所有專業課都沒有實驗課、上機課，研究生培養過程中沒有集中的實踐教學，研究生就沒有實踐經驗，沒有充分的實踐創新思維培養，那么學生就很難進行本專業知識的深入科學研究和從事相關行業工作。然而，國內很多高校的地球物理學研究生專業課都沒有設立實驗課，整個研究生階段也沒有集中性的野外實踐環節，研究生實踐能力較差，甚至動手能力不及本科生[8]。不少研究生在整個研究生學習階段都沒有過一次有意義的實踐活動，甚至一些研究生畢業后最基本的野外工作技能都不具備。另外，一些研究內容是純粹的理論算法研究，一些完全與實際脫溝，有些研究基本上是“紙上談兵”，在國內并無實用價值。

（四）研究生教學過程隨意性強，研究生學習過程惰性強

雖然研究生課也有相應的課表，但是研究生教學隨意性偏大，任課教師有著比較靈活的調課、停課、代課等現象，未能給學生傳遞較好的嚴謹教學態度。同時，學生選擇的課程中，有相當一部分課程與自身研究方向不一致，學生基本不會重視這些課程，存在隨意曠課、上課不聽講等現象。這些現象都是高校對研究生教學不重視的結果，很多師生都認為研究生應該把基本所有時間放在自己的研究方向上去，沒必要過于關注其他課程的知識內容，不認為能從這些課程知識學習中學到創新思考的方法與經驗。另外，研究生專業課的考核模式主要是讀書報告形式，學生隨便提交一份報告，實際上很多都是一篇簡單的文獻綜述而已，但任課教師基本上給定的成績都是80分以上，這根本無法體現學生的真實學習情況。

二、研究生教學改革的探索與建議

近年來，隨著研究生專業學位教育綜合改革、“雙一流”學科建設、規范和加強研究生培養管理等多項方案或措施的出臺與實施，各大高校進一步重視了研究生教育教學改革與完善，并取得了可喜效果。不過，研究生教學體系仍不完善，教學改革仍需進行。本文從目前地球物理學研究生教學過程中面臨的問題出發，提出了以下四點關于研究生課程教學改革的建議（課程教學改革過程見圖1）。

（一）重視實踐教學，提高研究生實踐能力

地球物理學是數學、物理、地質相結合的一門綜合性學科，研究生不僅需要掌握扎實的基礎理論知識，還需要運用數學手段進行數據處理工作，更需要較強的野外地質工作能力[8]。這種特殊專業的研究生培養需要特殊的教學模式來匹配，不能與純數學、物理類等基礎學科的研究生培養模式完全相同。加強實踐教學，對于地球物理學專業人才的野外工作能力、創新思維能力與綜合應用能力至關重要。在研究生專業課程中，需減少純理論教學，增添實踐教學內容，加大實踐教學比重，提高研究生的實踐能力與創新能力。如清華大學創辦了基地實踐課程，校企雙方老師共同設計課題并讓研究生在實踐基地內完成;南京大學實踐類課程包括案例課程、工作坊課程和行業嵌入課程，并要求實踐課程課時比例不低于30%，這都是重視實踐教學的有力體現[9]。這里仍以《位場數據處理與反演》課程為例，如果在課程中增添一些有意義的實驗課，比如“重力或磁法數據及其梯度數據的采集與對比分析”實驗，其一，有助于學生進一步鞏固學習野外數據采集流程;其二，有助于學生了解重磁數據與梯度數據的不同之處，并能夠對重磁數據轉換得到的梯度數據和采集的梯度數據進行對比分析，讓學生直觀了解到數據轉換與真實測量數據的差異，更有利于學生進行獨立思考和創新能力的提升。再比如“位場異常分離方法的對比分析”上機實驗，可以讓學生直觀了解到不同場分離方法的優缺點，比純粹的理論教學更能讓學生了解不同方法的物理意義及存在缺陷的問題所在。這樣的教學形式顯然更有助于學生去理解教學內容，同時也能培養學生科學研究能力和創新思考能力。

（二）教學過程與考核模式規范化，提高研究生教學質量

研究生課程學習不僅可以擴充研究生專業領域知識，而且能夠從不同專業課程中獲得創新靈感，西方發達國家從本科到博士研究生都非常重視課程教學[10]。事實上，不同地球物理方法中常用的數據處理方法在其他地球物理方法中可能也是行之有效的，比如模擬退火算法最早用于地震中，后來發現在重、磁、電中也有很好的效果，相關成像法最先用于自然電位異常成像中，后來應用到了重、磁異常的成像中，偏移成像法是地震常用的方法，也被很好地應用了重、磁場源成像之中。因此，研究生和指導導師都不能狹義的認為與自己研究方向無關的課程，就沒有必要認真學習。所以，研究生教學需要進一步重視，研究生教學過程也需要更加規范化。針對研究生教學過程，需要建立一套完整有效的教學檢查與教學評估制度，針對研究生學習效果，制定能夠體現研究生學習質量的考核標準與措施[5]。只有高校、任課教師、導師及研究生都重視了研究生教學，才能全面提高研究生的教學質量。

（三）課程內容前沿化與綜合化，重視研究生創新思維培養

研究生教學內容與教學方式需要與本科有顯著的差異，需要體現出研究生教學的特色和高度。課程內容不應與本科課程大比例重復，教學方法也應具有創新性。課程內容更應隨著時代發展而進行相應更新，確保研究生學習的知識具有前沿性，這不僅能讓研究生掌握知識，了解最新的前沿動態，對于學生來說還是一種知識儲備，同時對他將來的科學研究生活有很大的幫助，因此研究生授課過程中需要增添一些目前理論研究中比較有代表性、有價值的前沿性研究內容[11]。另外，教學內容不應該只是介紹方法原理與優勢，而應該采用“學術講座”模式講述方法的發展、物理意義、模型及實例分析、優缺點評價及未來發展趨勢，培養學生的創新意識與創新靈感。同樣以《位場數據處理與反演》為例，可以用2學時講授基本的位場數據處理與轉換，并指出如向下延拓、化極及異常分離等方法面臨的問題及目前解決方案;用2學時講授歐拉反褶積、重力歸一化總梯度及重磁對應分析等本科涉及的常用處理方法，簡單介紹基本原理，重點介紹方法的應用效果、存在問題及改進措施;把更多的課時用于新方法、新技術的講解上，如相關成像法、局部波數法、梯度張量特征值法、場源參數估計法、光滑約束反演法、聚焦反演法、稀疏約束法及地球物理聯合反演法。課堂也不應主要采用“填鴨式”教學方式，這種模式會嚴重禁錮學生的創新思維[12]，而應采用“學術講座”及“學術研討”等模式來講述新方法新技術，不僅開闊了學生的學術視野，而且能夠時刻傳遞創新思維，激發學生的創新靈感，提高學生的創新能力。

另外，隨著科學技術的發展及學科交叉的趨勢，國外高校越來越重視課程的多學科綜合一體化，在研究生課程上十分重視跨學科、相關學科和新興學科的設置與講授。多學科交叉可以較好地借鑒其他學科的研究，思考本學科的問題與思考，融合其他學科的研究方法，達到對研究對象的新認識，多學科交叉是現代科技創新的源泉，也是學科增長點最重要的來源之一[13]。因此，為了借鑒國外在學科交叉方面的研究及教學，在課程教授過程，也需要引入和運用交叉學科及新興學科。如在重、磁反演方法講授中，應讓學生了解到單一方法反演的缺點和多學科多方法聯合反演的優勢，通過單一的重或磁反演，再到增添電磁、地震、地表地質及鉆孔巖芯約束的反演，讓學生逐步認識到不同方法的聯系與區別，深刻深入到多學科交叉聯合應用的優勢。從而讓學生加強學科間、不同研究方向間的聯系與應用，強化學生綜合應用分析能力和跨學科創新能力的培養。

（四）課程教學以“翻轉課堂”教學模式為主，培養研究生的創新能力

一般情況下，每門研究生課程的選課學生基本在10-20人之間，有些課可能人數更少。學生人數少，容易開展“翻轉課堂”教學與學術研討。翻轉課堂是信息現代化與課堂融合的產物，不僅彌補了傳統教學的不足，而且運用了現代信息技術的特點，使所有學生都能參與到自主學習與個性化學習中[14]。另外，研究生相對本科生來說，其智力成熟度更高，自主學習能力及主觀能動性也更強，更加適合開展翻轉課堂教學。學生獨立完成文獻查閱與綜述，根據自身的研究成果制作PPT，講授出自己的認識與體會，任課教師與其他同學可以與之進行充分交流、溝通與提出建議。采用這種教學模式，不僅可以讓學生進一步明確自己下一步的研究重點，還能從任課老師或其他學生那里獲取新的靈感;不僅讓學生具備了較強的自學能力，還能激發學生的學習興趣與創新思維。從而達到培養學生獨立思考和創新思維的目的，使學生具備獨立開展學術研究的能力，對研究生各個方面能力的培養都有著積極促進作用。

三、結論

研究生教育教學是人才培養過程的重要環節，課程教學改革是推進研究生教育教學不斷完善與發展的重要手段。本文通過對地球物理學研究生課程教學中存在的課程內容理論化、教學方式單一化、課程內容陳舊化及教學過程隨機化等四個主要問題進行剖析，認為加強實踐教學可以提高研究生實踐動手能力和實踐創新能力;重視研究生教學環節，加強研究生教學管理，規范研究生考核制度，是提高研究生教學質量的關鍵保障;研究生教學內容前沿化與學科交叉綜合化，教學過程采用“翻轉課堂”教學模式和“學術講座”形式，可以激發學生的學習興趣，開闊學生的學術視野，提升學生的創新水平和科學研究能力。通過一系列的課程教學改革措施，實現高質量人才培養目的。

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