地球物理學本科的思政教育
——以地電學為例

任政勇，潘克家

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；2.中南大學 數學與統計學院，長沙 410083）

近些年來，大學生思想政治教育工作逐漸引起重視，思政教育與思政課程的建設也開始蓬勃發展。隨著時代的發展，思政教育由思政課程轉化為了課程思政，即在日常授課、傳授知識的過程中，兼顧育德與育人，基于社會主義核心價值觀，為學生塑造正確“三觀”，培育思維素養，樹立科學觀念。秉承科學發展觀，將中國夢與課程學習聯系起來，使學生明白自己肩負著中華民族偉大復興的使命。對于育人這一目的而言，思政教育應如水滴石穿，不僅要在馬克思主義理論教育、中國特色社會主義理論等課程中進行集中學習，更應該本著潤物細無聲的原則，在每門學科中貫穿始終，從而使師生在獲取專業知識的同時，也可以進一步進行思想學習。而思政研究也在不斷推陳出新，2021 年11 月8 日上午在黨的十九屆六中全會上，習近平總書記在原本“八個明確”的基礎上進行了補充，以“十個明確”來為新時代中國特色社會主義的發展與建設提供了新的指導方向，與原先的“八個明確”相比，著重強調了應貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念。而知識學習與科學研究也應秉承創新、開放、共享等理念，并響應新時代協調與綠色發展的號召。因此，思政教育也應該與時俱進，增添新的內容與主題。地電學作為本專業的重要組成部分，理應在思政教育中發揮作用，在課堂知識學習、實驗技能訓練、野外課程實踐等環節中，既要完成傳統教學任務，同時也應與時俱進地融合課程思政環節，以時代楷模黃大年同志為榜樣，遵從習近平總書記的指示“我們要以黃大年同志為榜樣，學習他心有大我、至誠報國的愛國情懷，學習他教書育人、敢為人先的敬業精神，學習他淡泊名利、甘于奉獻的高尚情操，把愛國之情、報國之志融入祖國改革發展的偉大事業之中、融入人民創造歷史的偉大奮斗之中，從自己做起，從本職崗位做起，為實現‘兩個一百年’奮斗目標、實現中華民族偉大復興的中國夢貢獻智慧和力量”。

一 地電學課程思政教育的必要性

大學本科的教育，不應僅是專業知識的教育，也應包含思政教育。對剛經歷過高考的學生而言，本科教育還應肩負著培養科學素養、辯證方法和唯物觀的責任。不僅要授人以魚，更應該授人以漁，即在傳授知識的同時，還應該教授發現問題、總結現象、進行猜想與驗證和獲取知識的方式與方法，從而轉變學生的身份，從一個接收者，變為主動發現并學習的探索者，且保持探索精神，不斷地進行學習。在這一過程中，思政教育對于養成良好科研素養、科研道德、科研習慣具有重大指導意義，因此將思政教育貫徹到本科教育的課堂學習中至關重要。

地電學這一學科，屬于地球物理學，而其應用——電法勘探，則從屬于應用地球物理學，二者分屬理學與工學，但在授課時，應該理工交融，打好良好的科研基礎。為了系統地學習電法勘探知識，首先應了解地電學的發展過程。

地電學是在地球表面測量天然或人工產生的電場和磁場，通過電磁感應原理對測量數據進行分析，來研究地球內部的電性、電化學性質等，應用于地質構造研究、環境工程和礦床資源研究等眾多領域，是最古老的地球物理學分支學科之一。因此在世界范圍內具有廣泛的應用，在全球多個高校均有開設地球電磁學相關課程。自18 世紀開始，經過多年的觀測與總結，研究者們發現在地表、大氣和海洋中均有電流的存在，但一直未有系統的學說對這一現象的來源與形成原因進行梳理與解釋。直到19世紀40 年代，Chapman 和Bartels[1]編寫了包含如今地電學知識的著作，其中地電學相關內容以“地電流”為章節名出現，后由Краев[2]等補充完善，地電學正式問世。地電學作為地球科學下固體地球物理學的一門分支學科，通過研究電場及磁場的變化及分布規律，來解釋地球地下結構及物理性質差異等問題，其中產生電磁場的場源可以分為天然源與人工源，也被叫做被動源與主動源。地電學的研究范圍廣泛，上至日地關系、磁層、高空大氣、電離層和星際空間，下至研究地殼分界面、地幔和地核，研究對象的尺度由幾米到上千公里。但地電學最初的研究目的是觀測地球變化的磁場，并嘗試就其來源與形成和變化機制進行解釋。隨著科學與技術的發展，社會對礦產等資源的需求日益增多，地電學的研究重點由地磁領域轉向電法勘探。地電學這一學科的誕生也經歷了發現問題、總結現象和提出猜想并驗證總結的過程，最終轉向了實際應用，以理論結合實踐，實現理工交融，說明科學與技術始終應該服務于人民和國家。

大學本科階段的地電學課程，其主要內容包括電磁場的基本理論、直流電法和大地電磁法、可控源電磁法等。在電法勘探教學過程中，以電磁場基本理論為基礎，學習大地電磁法、瞬變電磁法、直流電法等方法，輔以野外課程實習。將課本上學來的知識進行實踐與驗證，不僅培養了能力和知識，還對素質培養有著極大的促進作用，培養吃苦耐勞精神，明確地電學對于國家的建設、經濟乃至軍事都有著重大意義。因此，在地電學的教學過程中，思政教育是不可或缺的一個環節。

二 地電學課程教學中的思政教育

電法勘探的方法種類繁多，究其物性參數，電導率、磁導率乃至電化學性質均會對電性結構的特性產生較大的影響。此外孔隙度、飽和度等巖石物理參數也會造成極大影響。從電法勘探的源的種類來說，既包含天然源，也包含人工源，在人工源中，又包括直流方法和交流方法，根據其工作環境，又包含陸地、海洋、航空、空間等分類，且根據收發裝置的不同排列方式又有多種分類。

電法勘探的發展，都建立在電磁場的基本理論上，下式為微分形式的麥克斯韋方程組[3]

式（1）描述的是法拉第電磁感應定律，即變化的磁場會產生電場，B 為磁感應強度，E 為電場強度；式（2）描述的是安培定律，即磁場可以由傳導電流和變化的位移電流產生，H 為磁場強度，D 為電位移矢量，Js為外加電流密度；式（3）描述的是高斯定律，說明電場和電荷之間的關系從散度的角度說明電場線是不閉合的，q 為電荷；式（4）說明磁場線始終是閉合的，即不存在磁單極子。將式（2）代入式（1）并結合本構關系，即可得到電場的波動方程

式中：σ 為電導率，ε=εrε0是介電常數項代表著位移電流，而在各種電磁勘探方法中，對于常用的頻段而言可以認為位移電流較小，可以忽略不計，即將式（5）寫為

式（6）即為電場的擴散方程。若假設時諧因子為e-iωt，對（6）做傅里葉變換，可得頻率域的麥克斯韋方程組表達形式

式（7）中μ=μrμ0為磁導率，ω 為頻率，則根據相同的方法，可以得到頻率域的電場擴散方程

電場的擴散方程是關于電場的偏微分方程，在給定初始條件和邊界條件的情況下，即可得到電場的唯一解。對方程兩端做傅里葉變換即可得到對應的時間域電場擴散方程。在模擬一維的簡單層狀模型中的電磁響應時，可以根據麥克斯韋方程組得到解析的電磁場，而在進行二維及三維模擬時，則需要結合空間離散的理論，來進行電磁響應的近似計算，目前主流的三維模擬方法主要包括積分方程法、有限差分法和有限元法、有限體積法等方法。通過將電磁場的基本理論應用到不同的研究方向中，如陸地、井中、海洋、航空乃至地外空間，給出不同的模型及邊界、初始條件，即可得到相應的電磁場分布。

經過一代又一代人的推陳出新，我國在電磁理論領域逐漸從追趕國際先進水平到引領領域發展，如今在海洋、航空、空間物理等研究領域發展迅速。并在習近平新時代中國特色社會主義思想的領導下，提出了環境領域的相關研究。

（一）既要金山銀山，又要綠水青山

二十世紀五六十年代，我國正處于人口眾多，資源貧乏的困境中，地電學在資源普查和金屬礦、非金屬礦物的勘探中都取得了較大成就。此外地電學還在石油、煤礦、天然氣的勘探中也起到了較大的作用，并且還可以被應用于水文地質、工程地質、災害預測及考古等方面，培養出了一批不辭勞苦的物探工作者。

早在二十世紀三十年代，我國的電磁勘探方法就已經產生，但是實際生產中應用較少，野外勘探中地震勘探方法占據主流。隨著電法勘探理論的完善，直流電法、大地電磁法及可控源電磁法被先后投入生產，成為地球物理勘探中方法多樣性最強的一個分支。由于電法勘探對探測目標的電性差異較為敏感，多被用于金屬礦、非金屬礦、石油、天然氣、地熱及可燃冰等資源勘探中，對于深部埋藏的礦體，電法勘探也有著較好的分辨能力[4]。與其他方法相比，電法勘探探測效率高，能夠減少勘查所需工期，從而降低項目成本，在航空電磁及海洋拖曳式電磁勘探方法中，這一優點尤為突出。但我國資源總量有限，且部分資源開發會對生態及環境造成較大的破壞，因此習總書記指出“既要金山銀山，也要綠水青山，綠水青山就是金山銀山”，自此對于資源的勘探與開發也開始轉型，減少破壞性較大的礦產開采行為，提高相關技術的水平減少污染與破壞，并對已開采完的油氣礦藏等進行治理，堅持人與自然和諧共生，且在面臨淺地表資源開采總量有限的情況下，進一步提高對深部找礦的要求，由此地電學的目標領域轉向深部礦產勘探及深部地質構造勘察。

（二）海洋電磁與我國領土主權完整

我國的油氣、礦產勘探經過了多年發展，現在正面臨淺部資源即將開發殆盡，且深部資源勘探、開采較為困難的局面。而海洋面積廣闊，如我國南海海域，蘊藏有大量的石油和多金屬結核資源，還埋藏有當下研究熱門的頁巖氣等重要戰略資源，而電法勘探可以與地震等勘探方法結合，補足地震勘探的缺陷，降低勘探成本。過去電法勘探主要用于陸上探測，很少在海上進行研究，主要有兩種原因：一是地震勘探能成功描述海底地質構造，二是人們認為海水的高電導率不利于電磁法的應用。隨著儀器和海洋地質學的發展，海洋電磁法有了很大的發展，電法勘探在海底金屬礦產勘探方面有著較大的優勢，海底儲存的多金屬結核有著豐富的Mn、Ni、Co、Y 等金屬，并且，在我國海洋區域其預估存量高達5 億多噸，但在地球海洋中多金屬結核總儲量的占比不足千分之一，因此我國目前正在逐步加快對海洋資源的勘查與開采。海洋勘探與陸地相比，存在一層高導海水層，而電磁波在海水中傳播衰減較快，因此要求場源與接收器離海底較近。而在淺海區域，向上傳播的電磁波傳播到海水-空氣界面時會發生反射，這種反射波被叫做空氣波，空氣波對淺海地區有效信號有較大的影響，而時間域方法則能夠較好地壓制淺海空氣波的影響。與海底沉積層相比，金屬等高導介質的異常相對高阻介質更加明顯，相對易被可控源法、大地電磁法等電磁勘探方法識別[5]。

南海具有重大的科研和經濟價值，在構造格局上，由歐亞大陸、太平洋和印度洋三大板塊交界，海底地質活動復雜，幾乎一切類型的構造運動、沉積作用、巖漿活動、變質作用和成礦作用都有發生；另外南海油氣田眾多，目前已發現油氣田350 個，并且在南海的斷裂帶上，通過勘探綜合分析，推斷含有豐富的頁巖氣及可燃冰資源。南海自古以來作為我國不可或缺的領土，神圣不可侵犯，但屢遭外國勢力的覬覦，頻頻在我國領海投放間諜裝置，乃至靠近臺灣海峽，意圖破壞我國領土及主權完整。黃大年同志在重力梯度儀方面的研究使得我國沿海安全得到提升，同時電法勘探對金屬裝置的拖曳探測十分有效，在維護祖國領土主權完整、不受他國干涉方面貢獻了一份力量。

（三）空間物理與中國夢

理論的驗證，需要硬件設備的支撐，同時，硬件水平的升級也會促進理論研究的發展，理論與硬件水平的相互促進在空間物理的研究中尤為明顯。我國航天事業發展迅猛，空間物理的進展也較為迅速，對于電離層物理、中高層大氣物理、地磁與磁層物理、太陽活動與太陽風及行星物理等的研究開始追趕國際先進水平，我國航空航天事業、氣象監測等技術也邁向國際頂尖行列。

空間物理學以空間中等離子體中粒子、磁場、電場、波動及其他物理參量的直接探測資料為基礎建立了整個空間的形態模型，主要包括日球層物理學、磁層物理學、高層大氣物理學、行星和彗星物理學等領域的研究。與其他方法相比，以地球全球為研究對象的全球電磁測深方法的場源由太陽風引起的磁層環電流及地球主磁場共同構成，此外還應考慮海水、地殼中的高導體等良導介質感應產生的電磁場的影響。全球電磁測深法的探測深度為400～1 600 km，最深可達下地幔，遠超過其他電磁勘探方法，可以對地幔的電性結構進行探測與解釋，填補當前研究領域中對地幔這一深度結構的研究空白。此外，“子午工程”以東經120°附近的15 個監測臺站來搭建觀測網絡，觀測范圍完整地覆蓋了我國領土，并向南北兩極進行了延伸，促進了我國電離層物理、中高層大氣物理、地磁與磁層物理等方面的研究。“嫦娥工程”中，歐陽自遠院士認為目前獲取的數據，可以滿足我國對月球相關研究的十年發展[6]。“澳科一號”衛星則是世界唯一利用中低傾角軌道監測南大西洋異常區地磁場與空間環境的科學探測衛星[7]。中國火星探測計劃中，“天問一號”已經成功著陸火星，并對火星的地磁場、磁場指數及電離層中的電流進行了數據采集。基于地電學的理論基礎，我國已成功開展了大氣及空間物理的科研突破，并開始向深空探測發展。

這一系列航天事業的進步，極大地促進了空間物理的發展，電法勘探作為其中重要的一員，發揮了極大的作用。如今，“澳科二號”衛星的發射也已提上了日程，我國空間站已攜航天員成功返航，且已經開始部署下一步航天站科研計劃，這表示中國的空間探測正向著更深更遠處進發，這需要我們培養更多的空間物理領域的優秀人才，同時也標志著中華民族中國夢正在一步一步地實現。

三 結束語

傳統的地電學本科教學在知識的傳授方面足以勝任，但在喚起學生的學習興趣、科研熱情與愛國情懷方面仍需進步。為了改變這一現象，本文將思政教育與地電學本科教學結合在一起，既完成了包含電磁場基本理論、大地電磁法、直流電法和全球電磁測深法等地電學本科知識教學，也完成了思政課程的授予，激發了學生的主觀能動性和民族自豪感，并使其深思自己肩負的使命，在學到課本上的知識的同時，更進一步認識到了自己的責任，培養科研氛圍，調動科研熱情，學習大年精神，去做祖國發展浪潮中的一朵小小的浪花。

經過教學實踐，本文提出的結合思政教育的教學方法，能夠有效地激發學生的學習興趣，達到令學生自主學習的目的，并通過使學生意識到民族自豪感和自己肩負的時代任務，喚起了科研熱情，加強了學生繼續深造的想法，推動科研發展，并不斷推陳出新，為實現中國夢，實現中華民族偉大復興貢獻自己的力量。