地學儀器方向梯進式實踐教學路徑探索

肖慧，徐哈寧，原源，李廣

（東華理工大學 地球物理與測控技術學院，江西南昌 330013）

隨著我國礦藏資源的勘采工作從淺部轉向深部，勘采難度日益增加，迫切需求大量具有開拓精神、實踐能力且能吃苦耐勞的地學方向的應用型創新人才[1,2]。

東華理工大學地學儀器方向長期肩負培育地、勘儀器類高素質人才的使命，也承擔著研制開發新型地學儀器的科研重任[3,4]。在“雙一流”建設的背景下，地學儀器方向科研成果十分豐碩[5]，為“科研反哺教學”孕育了肥沃的土壤。近年來，基于礦藏勘采對人才的需求[6,7]，地學儀器方向及時轉變教學觀念，圍繞應用型創新人才培養這一目標，結合自身科研優勢，積極探索“梯進式科研反哺”融合“線上線下”混合式實踐教學路徑。本文結合學校自主研發的分布式電法勘探儀——“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”的科研實例，介紹地學儀器方向實踐教學的成功經驗。

1 “梯進式科研反哺”實踐教學背景

電法勘探儀是通過觀測電場與地下介質分布的對應關系，達到勘查地下地質結構的一種地學儀器。

國內電法儀器以二維電阻率采集作為主流方法，但自然界中地質結構通常是三維的，日益復雜的地質勘采迫切需要能夠在三維空間內提取電阻率信息的三維電法勘探[8]。在此背景下，學校地學儀器方向歷經5年，研制開發了ECUTRES-III三維電阻率成像系統。這套系統包括一臺主控機、16臺子站和256個智能電極（見圖1），采用“E-SCAN”三維觀測方法、分布式智能電極以及三維反演快速算法等先進技術，滿足復雜地質環境下對目標體的三維精確勘測，屬于國際領先水平[9]。“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”在勘探工作中有三個過程：（1）測量之前的準備工作，包括電極的布陣、子站與主機的通信調試和每個子站與下串16個電極之間的通信調試；（2）測量過程中海量數據的并行采集；（3）測量結束后，地下目標體電性特征數據的反演以及反演結果的解釋。整個測量過程至少需要33個懂方法、會操作的技術人員協作完成，從創新性和實踐性兩方面都非常適合本科生實踐教學。

圖1 ECUTRES-III三維電阻率成像系統

針對部分高校地學儀器類實踐教學內容滯后、缺乏先進性和創新性等問題[10]，學校地學儀器方向從科研成果中挖掘有創新性和實踐性的教學內容，將來自三維電法勘探的新技術、新方法和新成果融入本科實踐教學中，根據學生不同階段的學習能力特點，分層次實施“基礎認知→系統訓練→野外實戰→社會拓展”的梯進式培養（見圖2），為學生構建“想→學→做→用”的層進式實踐平臺。

圖2 “梯進式科研反哺”實踐教學框架

2 “梯進式科研反哺”融合“線上線下”混合式實踐教學路徑

基于互聯網教學平臺，地學儀器方向將線上線下相結合，按照“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”的工作過程，由淺入深指導學生完成階段性實踐任務，逐層推進學生形成自己的知識體系和動手能力，形成了“梯進式科研反哺”融合“線上線下”混合式實踐教學模式（見圖3）。圖3是一個批次（班級）的完整實踐教學過程，每批次約32名學生，分成1、2、3.....15、16小組，每組2人，分別負責1號、2號、3號.....15號、16號子站的線路。整個教學過程包含4個實踐階段，每個實踐階段包含3個教學環節：教學準備—教學實施—教學檢查。

圖3 “梯進式科研反哺”融合“線上線下”混合式實踐教學模式

教學準備環節（線上）：教師在網絡教學平臺發布實驗環境、實驗內容、實驗原理、實驗任務和實驗操作規程等，學生在線上學習教師發布的實驗資料，每個小組交流討論后提交一份實驗實施計劃書，教師審閱修改后可安排進入第二個環節。

教學實施環節（線下）：學生按照各自的實驗計劃書，在實驗現場動手完成實驗任務，教師對學生進行現場指導，引導學生解決實驗過程中遇到的問題，并根據實驗完成情況予以考評。

教學檢查環節（線上）：學生將實驗過程所測的數據進行處理后生成相應圖表和結論，撰寫實驗報告并上傳線上平臺，教師批閱后再反饋給學生，根據報告完成質量予以評分。

下面以“基礎認識實踐—系統應用實踐—野外綜合實踐—社會拓展實踐”為鏈條介紹具體的實踐教學過程。

2.1 基礎認識實踐

基礎認識實踐在學校教學實驗室開展，此階段學生尚未接觸該領域的前沿科技，因此注重培養學生對新科技、新方法的思考和理解能力，即能力層次中的“想”這一環節。實踐內容包括“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”的理論認知、基本操作和基本檢測，采用翻轉課堂的方式開展。

線上教學準備，教師提前2周在學習平臺發布“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”的理論體系講解，并在線上答疑，然后提前一周在線上平臺發布實驗內容，包括“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”的整機操作方法、系統空載通信測試、采集子站空載電位測試以及采集子站短路電位的測試。學生按要求預習資料并提交實驗計劃書。

線下實驗教學，教師在現場進行實驗指導和實操考核。首先16個小組在掌握理論的基礎上協作完成整機系統操作和系統空載通信測試。上述操作通過后，各小組進行子站空載電位測試和子站短路電位的測試，每組重復測量5次。

線上匯報檢查，學生將實驗所測數據整理繪圖、歸納總結并在學習平臺提交實驗報告，教師批閱后給予評分。從子站空載電位測試結果（見圖4）和子站短路電位測試結果（見圖5）可以看出：學生所測空載本底電位介于-20mv～20mv之間，短路本底電位介于-8mv～6mv之間，數據符合系統測試要求，每次測量結果基本穩定，說明學生已經理解系統理論，熟悉儀器基本操作，可以進入下一個實踐環節。

圖4 子站空載電位多次測量結果（單位：mv）

圖5 子站短路電位多次測量結果（單位：mv）

2.2 系統應用實踐

系統應用實踐安排在校內科研試驗基地——三維電法水池開展（見圖6），水池可進行多種模型體實驗，尺寸為：6 000mm，6 000mm，3 000mm (長 寬 深)。此階段訓練學生對三維電法儀器的勘測實操能力，是梯進層次中“真練”環節，教學任務比較繁重，是實踐教學中最關鍵的環節。教學內容有：（1）水池自然電位測量（無模型）；（2）水池高阻體（銅球模型）電位測量；（3）水池低阻體（塑料球）電位測量。下面以高阻體模型（銅球）為例說明教學過程：

實驗準備工作分為“線上→線下→線上”三個過程：教師提前2周在學習平臺發布實驗任務、講解實驗規程、介紹水池環境和基本參數，學生在線上自主預習實驗資料；教師提前一周帶領學生前往水池，講解總體實驗方案后，指導各小組勘測水池具體尺寸，根據水池參數計算并設計各自小組電極布陣的方法及坐標；16個小組在學習平臺提交各自的實驗計劃書，教師審閱修改后反饋給學生。

水池模型勘測工作量很大，需要兩天才能完成一個實驗，教師全程現場指導學生操作。在測量的前一天，教師帶領學生做實驗準備工作：各小組按照實驗計劃書中計算的水池電極坐標，布置完成16×16的電極測量網格（見圖6），然后對256個電極按行列式1-1、1-2、……、16-15、16-16進行編號。測量當天，各小組現場進行系統空載通信測試、采集子站空載本底電位測試以及采集子站短路本底電位的測試，測試無誤后再進行高阻體銅球模型測量。實驗中銅球直徑38.2cm，處于電極網格中央，埋深8cm。一次完整的測量共計得到65 280個數據。

圖6 三維電法水池電極布陣

實驗之后，所測數據由學生帶回實驗室，教師線上指導學生采用pole-pole裝置模型形成三維電法反演數據格式。各小組完成數據處理后，整理圖表并在線上提交實驗報告，教師批閱評分。本文隨機選擇第2組學生報告中的反演結果（見圖7）。

圖7 銅球模型測量數據反演效果

圖7中a圖是x、y方向的電阻率垂直切片，可看到接近球體位置時，呈現出明顯的圓形低阻異常，可精確推斷球體的位置和大?。籦圖是立體效果圖，可見球體形態反演的效果明顯，達到銅球模型實驗效果預期。

2.3 野外綜合實踐

野外綜合實踐是培養學生地質勘探實戰能力，檢驗學生“真做”的重要環節。地學儀器方向利用科研項目的野外測試平臺，建立了3個野外實踐基地，并根據實踐基地具體情況制定相應的教學計劃和教學內容。下面以江西省撫州市臨川溫泉教學實踐基地為例，該基地地下熱水豐富，在熱水流經區與無熱水區，地層的電性差異較明顯，視電阻率值變化較大[11]，是十分理想的地下異常體勘探環境，非常適合開展野外地質儀器實踐教學。

實驗準備工作分為線下和線上，與水池實驗類似，這里不再贅述。實驗過程中，教師在現場作為指導兼指揮，帶領學生在選定的測區，將16路子站及其電纜充分展開，形成覆蓋150m×150m實驗區的16道測線，每個小組負責一道測線，師生之間通過對講機遠程交流，現場勘測見圖8。

圖8 野外現場勘測

測量工作結束后，學生對數據進行誤差處理和視電阻率的反演，撰寫實驗報告并線上提交教師批閱評分。本文隨機選擇第10組測線的反演效果（見圖9），可以清晰看出試驗區深部低電阻率部位涌動比較明顯，能夠反映出實際地質體在深層有地下熱水流通，與溫泉測區真實地質特征相符。

圖9 第10組測線視電阻率反演圖

2.4 社會拓展實踐

“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”已成功研發5年多，被廣泛應用于城市地質災害監測、礦產資源勘查、煤礦安全隱患檢測等領域。地學儀器方向充分發揮科研成果服務社會的能力，帶領學生多次參加服務和支援地方經濟建設的實踐工作，為學生搭建了“真用”的拓展實踐平臺。

江西氣候濕熱多雨，地形多為丘陵山地，滑坡地質災害頻發。在南昌市昌西大道某處有一邊坡滑坡隱患點，該隱患點前緣臨空面5米處是一個工廠外圍墻，坡體中部和前緣靠近圍墻處是村民種植的經濟適用山茶樹，滑坡體下緣的昌西大道是外地進昌的主要干道。滑坡體前緣邊緣存在明顯裂隙，為預防隱患滑坡對經濟建設和人民財產造成損失，師生團隊采用自主研發的“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”，對該隱患點常年定期監測（見圖10），并以任務驅動的方式開展拓展實踐訓練。

圖10 隱患點定期監測

社會拓展實踐讓學生親眼見證科技成果對區域經濟發展的保護和助推作用，使學生感到學有所用、學有所成，所產生的價值體現會反饋到以后的學習中，激發學生的求知欲和探索欲。2020年，師生團隊采用自主研發的“科研神器”—ECUTRES-III分布式電法儀在江西多地科技抗洪的事跡[12,13]，受到了央視新聞頻道、江西衛視、江西日報等多家媒體聚焦報道，這些來自社會各界的高度評價能夠增強學生認識社會、理解社會、服務社會的意識和能力，潛移默化中助推教學達到“價值引領”和“知識傳授”的統一。

3 結語

地學儀器方向以“ECUTRES-III三維電阻率成像系統”的科研成果和科研平臺為基礎，結合自身專業特色，將科研項目的新技術、新方法和新成果融入實踐教學中，按照四層梯進的培養方式和“線上線下”混合的教學舉措，有效促進了實踐教學對科研的反哺，給予學生“真想—真學—真做—真用”的實踐平臺。近年來基于該實踐平臺，地學儀器方向在各類大學生科技競賽中屢獲佳績，2017年到2020年，參加大學生“挑戰杯”競賽和“互聯網+”大賽項目，先后榮獲國家級獎6項、省級獎10項、校級獎20余項，多數畢業生成長為既有專業技術能力、又有價值辨識素養的優秀技術人才。這些教學成果充分說明了地學儀器方向“梯進式科研反哺”實踐教學路徑的科學性和先進性，值得在類似高校實踐教學中推廣。