基于科教融合的“巖石物理學”課程設計與探索

彭 誠，鄒長春，肖 亮，徐敬領

（中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院 北京 100083）

2020年7月29日，習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創新人才、提高創新能力、服務經濟社會發展、推進國家治理體系和治理能力現代化方面具有重要作用。我國已經進入了尋求高質量發展的新階段，科技創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年教育部發布的《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》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”作為加強學術學位研究生知識創新能力的重要舉措。

科教融合不僅是研究生教育中培養創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辦學的核心理念[1,2]。通過將教師從事科學研究的思路與具體的科研工作融入研究生的教學之中，一方面能夠讓教學過程帶有探索性、實踐性，引導學生思考問題，激發學生的創新意識，提高課程的教學質量；另一方面也能夠讓實際的教學聚焦于國家經濟與社會發展關注的科技攻關方向，讓學生的學習過程與我國的發展過程建立聯系，提供課程思政的有利窗口，培養學生立志報國的情懷。然而，科教融合在實際的教學中具有實踐途徑多樣化的特點，不同的學科與課程都需要根據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和一流學科建設（“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教師團隊”，積極探索面向新時代的地球物理領域高素質創新人才培養模式。論文以中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院開設的研究生選修課“巖石物理學”為例，開展基于科教融合理念的研究生課程設計，以期為相關領域內的教學改革提供參考。

1 課程內容優化研究

巖石物理學是物理學的一個獨立分支，專門研究巖石的物理現象、物理性質、結構、相互作用和運動規律等，是利用地球物理手段解決資源、能源、環境、災害等問題的基礎。由于巖石物理學課程具有涉及的基本概念分散（來自物理學、地球物理學、巖石學等），涵蓋的物理知識點多（包括了力學、聲學、電學、磁學、放射學等），需掌握的技能實踐性強（實驗和數值模擬分析是巖石物理學研究中常用的手段）等特點，讓學生在小課時的背景下全面掌握巖石物理學的知識與技能極具挑戰[4，5]。因此，“巖石物理學”課程在教學內容方面應根據人才培養目標與教學對象的不同有所側重，并根據教學的側重點進行系統的課程設計。

中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院開設的研究生選修課“巖石物理學”主要面向地球物理學、地球探測與信息技術、資源與環境工程等專業，旨在培養能夠從事礦產資源、工程地質、生態環境等領域地球物理工作的高素質創新人才。通過考查往屆畢業生的就業情況、研判本行業的未來發展趨勢，課程組制訂了“巖石物理學”課程的教學目標：使學生掌握巖石力學、聲學、電學、核磁共振等相關的基本概念、基本原理與主要方法技術；使學生能夠借助巖石物理學知識，對專業內遇到的主要巖石物理現象與地球物理的相應特征進行恰當分析，并解釋其形成原因；使學生能夠利用巖石物理學的基本原理，針對地球物理勘探中遇到的典型問題提出相應的解決方案。為了培養學生的工程實踐動手能力，讓學生掌握巖石物理學領域的關鍵技能方法，課程組在本課程內設計了數值模擬訓練與巖石物理實驗課程。本課程一共設置了32個課時，其中28個課時為課堂講授學時，數值模擬訓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課時，實際的教學工作安排在實驗室內開展。根據上述教學目標，對巖石物理學的知識進行重構，建立了本課程的教學內容體系（表1）。考慮到課時有限，本課程的教學內容以巖石力學、聲學、電學、核磁共振的理論、方法和應用為主。

表1 “巖石物理學”課程的教學內容與課時分配

2 教學模式研究

2.1 理論課教學模式

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

針對上述問題，論文基于“巖石物理學”課程的特點與科教融合理念，對理論教學、案例分析、學生實踐等三部分進行重組，最終形成了“問題引導-理論與案例結合”的教學模式。在該模式中，知識講授是以專業內關鍵的科學技術問題為引導，讓學生從解決問題的角度去學習新的知識點；以流程齊全的典型科研工作為案例，讓學生在系統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生實踐，設計了多個課堂練習環節（包括數值模擬訓練），教師指導學生利用Matlab等平臺編程實現經典的巖石物理模型，并結合案例中的實測數據與數值模擬開展分析討論。對于該教學模式，科研案例的選取非常關鍵。好的科研案例不僅能夠提高理論課教學質量，還能夠拓展學生的視野。對于不同的教學內容，教師需要根據所在課題組的科研工作，合理地配備相應的資源。

中國地質大學（北京）在巖石物理學研究方面具有較好的科研隊伍與科研平臺。中國地質大學（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、電學、核磁共振等參數的測量研究。依托該實驗室，中國地質大學（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、科學鉆探等的巖石物理學研究，致力于解決深海、深地、深時等領域的關鍵問題。目前，課題組擁有前沿的攻關項目，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課程教學提供了豐富的教學資源。

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

巖石力學：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力狀態為目標，講解研究思路；結合巖石力學理論，指導學生對測井資料進行分析，確定水平最大主應力與水平最小主應力方向。

巖石聲學：①基于前人測量的泥質砂巖聲波速度數據，以建立能夠進行準確預測聲波速度的巖石物理模型為目標，指導學生利用Matlab編程對比Wyllie、Wood、Xu-White等模型的預測效果，并從中優選最佳的模型，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模型研究進展。

巖石電學：①基于實際鉆井的測井數據，以常規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以實驗室內水合物合成動態監測為目標，介紹電阻率層析成像技術的研究進展；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優選方法；②以巖石孔隙結構表征為例，介紹基于核磁共振數據的孔隙結構分析方法與研究進展。

通過上述設計，課程組將多個領域的前沿科研工作融入了“巖石物理學”理論課教學中，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-理論與案例結合”教學模式的關鍵部分，它們引出問題，同時也串聯起了課程講授的主要知識點。該教學模式利用優秀的科研成果支撐教學，在實現“科研反哺教學”的同時，也促進了教研相長。

2.2 實驗課教學模式

巖石物理實驗教學能夠幫助學生理解理論知識、提高學生的實踐能力、培養學生發現并解決問題的能力，是“巖石物理學”課程教學的關鍵一環[6-11]。本課程設計了4學時的巖石物理實驗，具體內容包括：在課程開始前，教師對學生進行安全培訓與考核，學生考核合格后進入實驗室；教師帶領學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、SCMS-DS巖心聲電測量系統、SCMS-CS巖心孔滲聯測系統等開展教學，學生在教師的指導下操作儀器、開展實驗，這部分也是巖石物理實驗課的核心環節。

傳統的實驗教學通常遵循“理論方法介紹-實驗步驟演示-學生實際操作”的模式。在該模式中，教師首先向學生介紹實驗目的、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，最后讓學生根據教師的演示過程對實驗儀器進行操作。在該模式下，大部分學生往往只是根據教師的演示過程重復操作了一遍儀器。這種教學模式雖然能夠讓學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，其教學模式可以總結為“情境設置-方案制訂-教學與操作-總結”。在該模式的實驗教學中，教師首先設置具體的科研情境：研究區在哪里？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？相比于傳統教學模式中直接告訴學生實驗目的，預設情境使得教學更有科研代入感，有助于引發學生的思考。然后，針對這一預設情境，教師引導學生思考并提出巖石物理實驗方案。該實驗方案包括實驗目的、實驗步驟、實驗任務分解等。在對實驗方案進行充分討論之后，教師根據這一方案指導學生開展巖石物理實驗。根據實驗任務分解情況，學生需要分成多組，每組學生領有特定的實驗任務，組內每個學生又有相應的分工。因此，學生不僅要熟練掌握完成分配任務的必要技能，而且要與其他小組的學生配合，在相互協作的過程中達成實驗總目標。相比于教師演示、學生操作的傳統教學模式，學生為主、教師為輔的實驗教學能夠提高學生學習的自主性。實驗完成之后，圍繞學生自己測量的數據與本實驗的研究目的，教師組織學生展開分析與討論。每一個學生小組分別介紹其任務完成情況，其余小組學生參與學習討論。最后，教師對本次實驗進行歸納總結，對學生實驗結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。該模式能夠讓學生在特定的科研情境下自主學習、相互協作，在整個過程中，教師都是以“顧問”的形式協助學生設計并完成實驗。這不僅能夠激發學生的積極性，而且有助于培養學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、更有效地考查學生對知識點的掌握，保障教師“教”和學生“學”的質量，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、讀書報告等多種方式來檢查教學效果。課上提問的作用不僅在于讓教師實時了解學生對知識點的掌握情況，而且能夠調整課堂氣氛、引導學生思考、增加互動討論。在基于科教融合的教學過程中，綜合了實際問題、具體方法與真實數據的課堂練習能夠讓學生模擬科研工作，加深對重要知識點的理解，培養科研思維。讀書報告是期末的最終考核方式，其題目是開放性的，即學生通過本課程學習之后，可以針對自己感興趣的方向自擬題目。學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研學習，也可以是學習課堂上沒有涉及的其他巖石物理性質（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。這種方式不僅能夠對學生的課堂知識掌握情況進行考核，而且兼顧了學生的自主性。

4 結語

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

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

（2）針對本課程的特點，構建了“問題引導-理論與案例結合”的理論課教學模式與“情境設置-方案制訂-教學與操作-總結”的實驗課教學模式。

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