“云端+仿真+基地”三位一體油氣地震勘探實驗教學實踐

劉淑芬，石穎

（東北石油大學 油氣資源與勘查實驗教學中心，黑龍江大慶 163318）

2020 年5 月，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，明確指出“要科學設計課程思政教學體系”“結合學科專業特點分類推進課程思政建設”[1]。相比以講授為主的理論課程，實驗教學具備更大的思政空間。實驗課程要落實“把思想政治工作貫穿教育教學全過程”，創新教學方法，將課程蘊含的思政元素有效融入教學過程，實現育人和育才的協同統一[2-3]。

油氣地震勘探實驗作為勘查技術與工程專業核心課程地震勘探原理配套的綜合性實驗，內容涵蓋地震勘探的全過程，包含了豐富的理論知識[4-7]。借助網絡化教育環境，創建“知識傳授”與“價值引領”并行的混合式實驗課堂[8-10]，使學生不僅能夠掌握油氣勘探專業知識和技能，同時能夠培養工匠精神，更好地滿足個人發展和社會發展需要[11]。

1 油氣地震勘探實驗介紹

油氣地震勘探實驗面向勘查技術與工程、資源勘查工程、地質學3 個本科專業，每屆面向9 個班、200余名學生開設，實驗包含地震波場理論、地震資料采集、地震資料處理和資料解釋4 個模塊，共計12 學時。依據各專業培養目標差異，實驗項目內容設置、學期安排均有所不同。

1.1 實驗發展階段

東北石油大學自1959 年成立物理勘探教研室，就開設了地球物理勘探相關實驗項目。長期以來，地震資料采集實驗主要在大慶油田地球物理勘探公司地震隊完成，但受到野外地震資料采集高危環境、施工條件等因素的限制，實驗過程主要為現場參觀、視頻觀摩。地震資料處理、解釋實驗部分由于時間限制，主要安排在大三短學期第2 周完成。2021 年，學校油氣地震勘探虛擬仿真實驗平臺上線，設置了地震波場模擬、地震資料采集、地震資料處理、地震資料解釋4 個模塊、19個實驗項目，解決了油氣地震勘探實驗項目受時空限制的問題，為開展“虛實結合、云端+線下”混合式實驗教學設計奠定了基礎。

1.2 實驗教學目標

（1）知識學習。①掌握地震資料采集、資料處理和解釋基本流程，熟悉地震資料采集施工工序中鉆炮井、埋置檢波器、鋪設測線等基本知識；②掌握地震資料處理靜校正、動校正、速度分析、水平疊加、偏移歸位等基本技術；③掌握地震面貌形成過程、地震資料綜合解釋方法。

（2）能力培養。①能夠設計地震數據采集方案，明確數據處理參數，掌握地震處理流程、資料綜合解釋方法，具備獲取地震勘探新技術的能力；②具備發現問題、設計實驗方案，撰寫實驗報告及多文化交流能力；③具備科學研究的基本方法和創新探索意識及創新研究的初步能力，能利用科學原理解釋相應的工程問題。

（3）素質目標。①具備實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風、良好的實驗習慣；②具有高度的社會責任感，堅定“我為祖國獻石油”的理想；③具備較深的專業背景，有不斷學習和適應發展的潛力，敢于“突破傳統、勇于創新”。

2 油氣地震勘探實驗教學設計

通過對實驗教學內容、教學模式、課程資源和評價標準等的“再設計”，將思政元素潛移默化地融入實驗[12-14]。

2.1 整合教學內容

從保證知識體系完整、符合工程實踐實際的角度出發整合實驗教學內容（見圖1），將4 部分實驗的19個知識點整合為14 個，將地震波場特征與地震資料采集部分的觀測系統實驗進行整合，將資料處理部分的8 個知識點整合為3 個，調整資料解釋部分4 個知識點的實驗內容。

圖1 “云端+仿真+基地”油氣地震勘探實驗教學設計

在思政內容選擇上：可從家國情懷、行業精神等方面挖掘素材，如在地震波場特征部分，教師可將我國著名的地球物理學家秦馨菱、國家技術發明一等獎獲得者何繼善、勘探地震學科奠基人許云的事跡引入課堂，利用榜樣的力量激發學生的愛國熱情，培養學生的科學精神。在地震資料采集部分，教師可介紹我國在1959 年利用綜合物理勘探（重力、磁力、電法勘探和地震勘探）發現了大慶油田，從而實現石油全面自給；到20 世紀80 年代后期，塔里木盆地依靠地震勘探，發現了庫車氣田等。

2.2 優化教學模式

采集實驗現場作業涉及大量的技術裝備投入、上千人的作業隊伍，同時面臨變幻莫測的作業環境等，這些因素決定了地震勘探資料采集實驗需要耗費大量的人力、物力和財力，對部分高校來講難以提供足夠的實驗平臺支撐學生開展地震勘探資料處理與解釋操作。因此，探索“云端+仿真+基地”三位一體混合式教學模式，不僅能夠規避現場教學的風險，而且可以在虛擬環境中融入石油天然氣的國家和行業技術標準、地球物理行業的標準體系，還能夠增加實驗素材，擴大實驗課程容量，保證實驗教學的廣度、深度。

2.3 配套課程資源

要保證學生“學懂、學通、學透”，除了編著涵蓋全部教學環節的實驗指導書，還需多維度配套教學資源，促進實驗過程“入眼、入腦、入心”。為此，東北石油大學建設了“油氣地震勘探虛擬仿真實驗”網絡教學平臺和中石油東方地球物理勘探有限責任公司實踐基地、數字化資源庫等配套教學資源。“云端+仿真+基地”結合的實驗教學平臺可以讓學生多方位觀摩地震采集儀器，動手操作、反復訓練。同時，教師把石油勘探故事等音視頻資源、時事熱點上傳到云端教學平臺，配置數字化教學資源，激發學生的學習興趣。

2.4 革新評價標準

采用過程性考核與實驗報告1∶1 比例的方式確定實驗成績，提高實驗過程考核權重。云端教學模式使得學生在實驗過程中的資源學習、操作規范程度等都留有痕跡，在一個實驗周期內保證課程成績（云端成績）隨時可查詢、多次實踐成績可更替，如在地震資料解釋實驗過程中，選取目的層層位標定時，學生可嘗試不同速度值，實驗結束后給出的實驗成績綜合考慮了實驗時長和實驗結果，學生可以選擇多次實驗，以縮短實驗時間和改進實驗效果。通過此種評價方式，一方面讓學生牢記了實驗流程，可以取得更好的實驗成績；另一方面也培養了學生追求卓越、不斷摸索的科研素養。同時，學生可通過云端平臺反饋實驗中遇到的問題并提出教學建議等，師生共同促進教學目標的達成。

3 地震資料采集實驗教學案例

地震勘探資料采集現場面臨較大的安全風險，且管控難度大，因此，現場實驗教學難度較大。虛擬仿真系統能夠立體、生動、形象地展示地震勘探資料采集現場作業的技術原理、設備與儀器的操作使用、作業現場等，并打破時空界限。教師依據實驗計劃及學生學習進度與對知識的掌握程度，靈活地安排學生進行地震勘探資料采集仿真實驗與線下實驗基地現場觀摩教學，可有效規避現場實驗教學的風險，保證實驗的教學效果，保障實驗教學與人員的安全。

3.1 教學素材

地震資料采集工序包含測量布點放樣、表層調查鉆井下藥、擺放接收電纜、爆炸錄制地震信號、測線清理共5 個關鍵步驟。每一個步驟的實施都有嚴格的要求，需要遵循《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T 18314—2009）、《地震資料采集技術規范》（SY/T 5454—2003）等17 條國家和行業標準。

一次地震信號采集過程往往需要在40km2以上的平面滾動施工，震源組負責地表震源定位與激發、放線組埋放檢波器、儀器組記錄地震信號，需要數十人合作完成。在滿足勘探任務要求的前提下，激發地震信號采用機械震源裝置，可以避免以炸藥為震源裝置的安全風險和土壤污染問題。

埋放檢波器要遵循“1 清—2 鉆—3 插—4 蓋”四步法原則：首先清除埋放點位附近的雜草、浮土，保證檢波器鉆孔和插值在硬土層中（“1 清”），再用微型鉆孔設備，完成與檢波器直徑相符的鉆孔工作（“2 鉆”），隨后將檢波器插入鉆好的檢波器孔，并保證耦合良好（“3 插”），最后采用沙袋（重量不低于2kg）將檢波器蓋嚴（“4 蓋”）。每個檢波器都要嚴格按此操作流程進行，保證信號接收效果。

3.2 實驗設計

在采集實驗中，教師要求學生熟練掌握采集儀器性能和采集工序及注意事項，要求學生通過多次練習準確配置營地、車輛等基本設施，形成對野外資料采集環境的基本認知；要求學生能夠獨立完成一次采集工序操作，能夠在原始地震記錄中區分有效波與干擾波。

虛擬仿真實驗、實驗基地觀摩、儀器實操的混合式教學設計，能夠為學生提供沉浸式的學習環境，展現接近真實情境的地震隊工作場景，模擬儀器連接、施工工序。學生在實驗基地現場觀摩真實儀器、設備，并由現場工程師講解設備用途和使用方法，與采集工程師面對面交流。通過對資料采集實驗任務的整體規劃，合理安排虛擬仿真實驗、云端操作規范學習、線下基地現場實驗任務，學生在各環節中反思、總結，促進能力的提升，能夠更好地保證教學目標的實現。

3.3 實驗效果

基于上述設計思路，結合學生課程評價數據，混合式教學對學生學習態度、學習投入和綜合素質方面的促進作用明顯。

（1）轉變學習態度。混合式教學設計融合了大量課程資源，其中的名人傳記、行業前沿、名校鏈接等資源可以開闊學生視野，調動學生學習興趣。學生通過多元化資源完善知識結構，明確學習方向，學習態度從“要我學”向“我想學”轉變，激發學習動力，提升學習效果。

（2）促進主動學習。學生在進行虛擬仿真實驗時，逼真的實驗場景能夠有效調動學生的學習熱情，與此同時，實驗痕跡被實時記錄，學生可以多次重復實驗，對于復雜的實驗步驟能夠熟練掌握，提升學習效果。

（3）提升綜合素質。教師在引導學生對野外地震采集工作方法進行學習時，要突出安全、環保、行業傳承理念，以人為本，樹立綠色教學理念。采集系列實驗要求學生認真對待每一步操作，以保障實驗的連續進行，從而促進學生養成嚴謹的科研精神，腳踏實地、細致精準、務實扎實的工作作風。

4 結語

基于虛擬仿真技術、云端資源等現代教學技術，教師可以不斷提高教育教學能力。經過教學實踐證明：“云端+仿真+基地”三位一體的混合式實驗教學能夠有效調動學生的學習興趣，培養學生的科學素養。