一流課程建設背景下勘探地震學課程教學改革探索與實踐

李鵬 劉財 劉洋 王典 徐馳

摘? 要：高等教育是支撐、推動和引領國家現(xiàn)代化發(fā)展的重要力量，課程建設是高等教育發(fā)展的源泉，在以落實立德樹人為根本任務，全面開展一流本科課程建設的背景下，開展教育教學改革是優(yōu)化課程的重要驅(qū)動力。勘探地震學課程，從分析傳統(tǒng)教學的局限性出發(fā)，提出“一引領，三結(jié)合，主體性，一體化”的教學改革理念，建設優(yōu)質(zhì)豐富的課程資源，實施“四維、六化、全程性評價”的創(chuàng)新改革舉措，進行系統(tǒng)的教學模式改革，打造優(yōu)質(zhì)課程，培養(yǎng)復合型、高素質(zhì)、創(chuàng)新性專門人才。該文為相關專業(yè)課程進行教學改革提供參考，對進行高質(zhì)量課程建設具有一定的指導意義。

關鍵詞：一流課程；勘探地震學；教學改革；課程思政；虛擬仿真；開源、模塊化；類比教學法

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）09-0026-04

Abstract： Higher education is an important motivation that supports， promotes and leads the China's development of modernization. Curriculum construction is the source of higher education development. Under the background of carrying out first-class undergraduate curriculum construction with the implementation of moral education as the fundamental task， conducting education and teaching reform is an important driving force for curriculum optimization. This paper starts from analyzing the limitations of traditional teaching of Exploration Seismology ， proposes the teaching reform concept of "One Guidance， Three Combinations， Subjectivity， and Integration"， builds high quality and abundant curriculum resources， implements the innovative reform measures of "Four-Dimensional， Six-Standardized， and Whole-course Evaluation"， enforces systematic exploration of teaching mode reform， and creates high-quality courses， in order to cultivate compound， high-quality， innovative professionals. This paper provides a reference to the teaching reform of relevant professional courses and has certain guiding significance for the construction of high-quality courses.

Keywords： first-class curriculum; Exploration Seismology; teaching reform; curriculum ideology and politics; virtual simulation; open source and modular; analogical teaching method

高等教育培養(yǎng)的是具有社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才。一流大學需要一流的本科專業(yè)支撐，一流專業(yè)要有一流的課程支撐，課程建設是高等教育發(fā)展的源泉，課堂教學是本科教育最基本的構(gòu)成單元[1]。教育部于2019年10月印發(fā)了《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），以落實立德樹人，深入挖掘課程中蘊含的思政元素，建設適應新時代要求的一流本科課程為指導思想，從而形成多類型、多樣化的教學內(nèi)容與課程體系，從課程這一人才培養(yǎng)的核心要素入手，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]。

勘探地震學是通過人工方法激發(fā)地震波，研究地震波在地層中傳播的情況，以查明地下的地質(zhì)構(gòu)造為尋找油氣田或其他勘探目的服務的一種物理勘探方法[3]。該課程是地球物理學類專業(yè)本科生的學科基礎必修課程，也是地質(zhì)類、能源類專業(yè)的核心課程，吉林大學勘探地震學課程，一直以來積極開展授課內(nèi)容梳理和教學改革，在“研、嚴、妍”人才培養(yǎng)理念的指導下[4]，發(fā)展以理學科學研究為核心，理工相結(jié)合的課程模式。吉林大學勘探地震學獲批首批國家級線下一流本科課程（2020），吉林省課程思政示范課程（2021）；課程配套的虛擬仿真實驗“地震波動理論實驗”與“地震勘探野外采集實驗”獲批國家虛擬仿真實驗教學一流課程（2021、2023）。

一? 勘探地震學傳統(tǒng)課堂教學的局限性

教學團隊基于多年的教學實踐、定期的教學研討，通過教學反思和學情分析，發(fā)現(xiàn)課程傳統(tǒng)教學的局限性如下。

以往專業(yè)課程教學主要將關注點聚焦在培養(yǎng)學生的學科理論知識及專業(yè)方法技能，對正確的情感價值觀育人重視不足。價值引領或是生硬，或是思政元素浮于表面。

課程預備知識包括數(shù)學、物理、數(shù)理方程、場論和計算機編程等眾多學科，知識結(jié)構(gòu)復雜[5]；作為專業(yè)核心課程，涵蓋波動理論、采集、處理和解譯四大部分內(nèi)容，包含大量的數(shù)學公式推導、物理模型構(gòu)建。特別是波動理論、波動現(xiàn)象部分，傳統(tǒng)的教師“理論灌輸”式授課、學生“腦補想象”式學習，抽象、晦澀，降低了學生的學習興趣。

傳統(tǒng)課堂的數(shù)據(jù)采集部分教學，主要是儀器設備介紹、觀測系統(tǒng)設計、野外工作圖片展示等。野外采集生產(chǎn)性實習由于安全、成本、工期等問題高校教學難以實現(xiàn)；教學性實習要在所有專業(yè)課學習完成之后的大三暑期進行，實操即時性不強，會有“紙上談兵”之感。

地震數(shù)據(jù)較為復雜，對處理結(jié)果質(zhì)量要求較高，涉及的處理環(huán)節(jié)較多，環(huán)環(huán)相扣；對于本科大三學生，編程掌握程度有限，逐步逐項完成編程計算需要消耗大量時間，可行性和完成度均不理想。

本課程是對公共課和專業(yè)基礎課的綜合運用，以往采用“教師講、學生聽”的教師主導模式，如何調(diào)動學生的積極性，激發(fā)學生的學習動力，提升學生的主體地位，急需解決。

一般課程采用“平時成績+期末考試”的簡單評價體系，且為了實現(xiàn)考試答案標準化，題型較為單調(diào)，而平時成績僅考核出勤及作業(yè)的質(zhì)量，難以全面衡量真實學習效果。

二? 教學改革理念

遵循以“三全育人”為目標，以“立德樹人”為根本任務，堅守以學生為中心的理念，堅持以本為本的原則，教學團隊提出“一引領，三結(jié)合，主體性，一體化”的教學改革理念，即：“傳承黃大年精神，弘揚科學家精神”的價值引領，“以理強工、以工促理、理工結(jié)合”的專業(yè)特色課程內(nèi)容體系，虛擬仿真技術支撐的“虛實結(jié)合”教學環(huán)境，“科研反哺教學，科研教學有效結(jié)合”的前沿性教學內(nèi)容，“提升學生主體性，學習主動化”的教學氛圍，“理論-實訓實驗-實踐一體化”的系統(tǒng)教學思維。在課程思政育人引領下，形成全過程、立體、多樣化的系統(tǒng)教學模式，塑造具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的新型課堂，為國家培養(yǎng)地球物理學領域有理想的復合型、高素質(zhì)、創(chuàng)新性專門人才。

三? 課程資源建設

針對不同內(nèi)容環(huán)節(jié)，挖掘、提煉思政元素，根據(jù)課程“理工結(jié)合”特性、地學專業(yè)行業(yè)特點，圍繞“黃大年精神”，利用豐厚的吉林大學“三源色”精神底蘊，建立課程思政元素庫，形成了“理論課堂-實訓實驗-實踐實習”的課程思政一體化。

依托國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺，基于地震波動力學原理建立地震波動理論虛擬仿真實驗，基于地震數(shù)據(jù)野外采集工作原理建立地震勘探野外采集實驗，將乏味的理論講解轉(zhuǎn)化為學生主動探索、即時實操學習。

積極開展常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法的案例庫（如預測反濾波、偏移等）、基于科研項目的資料庫（如中值類濾波等）和基于大創(chuàng)活動的學生成果庫（如壓縮感知去噪、層位追蹤解釋等）等資料庫建設，有效提升學生學習主動性。同時數(shù)據(jù)處理算法編程部分，除理論授課外，采用課題組參與建設的國際知名開源地球物理軟件——Madagascar，為學生提供開源、模塊化數(shù)據(jù)處理實驗實訓平臺。

課程內(nèi)容主要分為原理部分與數(shù)據(jù)處理兩大部分，涉及采集、處理、解釋三大環(huán)節(jié)，基于數(shù)學、物理、地學等多學科交叉融合，概念定理多、公式方程復雜，理解難度大。基于知識遷移理論，采用類比化教學法，總結(jié)不同的類比方式，建立勘探地震學教學內(nèi)容類比知識點庫，改善學生學習效果。

四? 勘探地震學課程教學改革探索

（一）? 教學改革思路

針對傳統(tǒng)教學的局限性，課程從教學目標角度，提升課程思政育人；從教學內(nèi)容角度，以虛擬仿真實驗為支撐，虛實結(jié)合，以Madagascar平臺為支撐，進行開源編程訓練，達成理論-實訓實驗-實踐一體化；從教學方法角度，改善“教-學”模式，實施科學問題引導、類比化授課；從考核評價角度，突破傳統(tǒng)，進行全程化形成性考核。實現(xiàn)“四維”（教學目標、教學內(nèi)容、教學方法和教學評價）、“六化”（課程思政共情化、抽象理論可視化、采集過程動態(tài)化、處理流程開源模塊化、科學問題導向化和知識內(nèi)容類比化）、“全程性評價”的全過程、立體、多樣化、系統(tǒng)的教學模式改革。

（二）? 創(chuàng)新改革措施與實踐

1? 課程思政共情化

通過分析新時代大學生的思想、性格特點，改變傳統(tǒng)思政教育“背書”“講道理”的生硬模式，開展了“如鹽入水”“潤物細無聲”的課程思政教學，營造一個具有堅韌的價值觀、積極的人生觀、正確的世界觀的課堂氛圍。特別從身邊人、身邊事出發(fā)，結(jié)合專業(yè)需求、知識背景，使學生共情，主動樹立個人志向與報國理想。著名的地球物理學家黃大年老師，生前就工作在吉林大學地球物理學專業(yè)教研室，他秉持科技報國理想，為我國教育科研事業(yè)作出了突出貢獻。將課程中涉及的油氣資源勘探、深部勘探等方面內(nèi)容，結(jié)合黃老師相關科研項目，實施案例教學，即達成了科研反哺教學，教學與科研結(jié)合；又實現(xiàn)了課程思政育人，傳承黃大年精神、弘揚科學家精神。課內(nèi)外充分利用線下黃大年紀念室，線上黃大年紀念館數(shù)字展館、黃大年茶思屋以及虛擬仿真實驗中心、虛擬仿真實驗網(wǎng)絡平臺等，進行“沉浸式”課程思政，使學生親身感受黃大年精神，身臨其境體驗虛擬仿真先進方法技術，融合吉林大學“紅白黃”三源色精神，培養(yǎng)學生的職業(yè)理想、家國情懷。

根據(jù)地球物理學專業(yè)特色，挖掘“理工結(jié)合”的課程思政元素。理學，結(jié)合地震學研究地球內(nèi)部構(gòu)造、動力學波動方程推導等內(nèi)容，注重科學思維方法的訓練，引導學生探索未知、追求真理；工學，結(jié)合反射波法勘探資源、折射波法解決工程問題、地震數(shù)據(jù)解釋工作等內(nèi)容，注重強化學生工程倫理教育，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學生立志破解地球物理學領域的“卡脖子”問題。作為石油技術類課程，課程內(nèi)容科技含量高，涉及學科知識多，服務的社會面寬，讓學生感覺到學習本專業(yè)和課程的榮譽感和自豪感。

2? 抽象理論可視化、采集過程動態(tài)化、處理流程開源模塊化

抽象理論可視化。原理部分傳統(tǒng)授課，主要針對地震波的傳播規(guī)律，探討地震波的動力學、運動學特征。方程的推導、波場的表征，是純理論的數(shù)學內(nèi)涵、物理機制的推演和分析，對大地濾波作用下地震波傳播過程，只有定性描述，缺乏形象直觀的認識。以往的多媒體資料，也只對應某一種介質(zhì)、某一種地質(zhì)模型，學生只是被動“接受”。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、計算機技術的發(fā)展，虛擬仿真技術逐漸滲透到教育領域。虛擬仿真教學是在計算機上搭建虛擬實驗環(huán)境，實現(xiàn)真實實驗過程的重現(xiàn)。為了讓學生更直觀地理解地震波動現(xiàn)象與地震勘探技術，揭示復雜波動理論的物理含義，在考慮背斜、斷層等典型地下地質(zhì)構(gòu)造以及非彈性各向異性等巖石物性特征的基礎上，利用虛擬仿真技術模擬地震波在復雜地下介質(zhì)中的傳播過程，打開理解波動理論物理定理定律的“黑匣子”，讓學生觀察體會、解釋分析模擬的地震合成記錄、波場快照，獲得對波動理論的形象化認識。通過交互操作，使學生主動、可視化地探究不同地質(zhì)模型、不同介質(zhì)參數(shù)條件下各種波場的動力學、運動學規(guī)律，增加了課程內(nèi)容的高階性，提高學生的學習興趣，增強學習效果。

采集過程動態(tài)化。野外數(shù)據(jù)采集部分傳統(tǒng)授課，主要是從理論上講授觀測系統(tǒng)，對野外儀器設備（震源、檢波器等）、野外工作方法進行介紹和展示。且課堂學習在本學年第一學期9月，由于場地、時間、整體地球物理系實踐教學安排等客觀因素的限制，教學性實習實操需要在第二學期結(jié)束的暑期7月才能進行，數(shù)據(jù)采集即時實操難以達成；同時野外采集的生產(chǎn)性實習具有高風險、高成本、工期長和不可逆等特點，對于高校教學，在野外進行真正的陸地地震勘探和海洋地震勘探數(shù)據(jù)采集實習的可行性較低。課程內(nèi)容設計了野外采集虛擬仿真實驗，基于虛擬仿真技術建立了陸地地震勘探和海洋地震勘探野外數(shù)據(jù)采集過程，從陸地炸藥埋置與激發(fā)到數(shù)據(jù)采集；從海洋空氣槍激發(fā)到拖纜的釋放與數(shù)據(jù)采集；從震源及檢波器的工作原理到觀測系統(tǒng)的設計，提供了完整的設計、交互操作訓練，實現(xiàn)了采集過程動態(tài)化。即時地建立了從理論到實訓實操的聯(lián)系，修復了從理論到現(xiàn)場實踐的“掉線”現(xiàn)象，增加了課程內(nèi)容的創(chuàng)新性。

處理流程開源、模塊化。勘探地震學數(shù)據(jù)處理，主要是對地震野外采集的原始數(shù)據(jù)，進行各環(huán)節(jié)相應的數(shù)字處理，提高信噪比、分辨率和保真度，并對地下構(gòu)造和地質(zhì)體成像，便于進行地質(zhì)解釋。傳統(tǒng)授課，只是對各種處理方法原理的推導和處理效果展示。即使進行編程實現(xiàn)，一般也是采用C語言或者MATLAB。一方面由于數(shù)據(jù)處理過程較為復雜，本科大三學生，編程掌握程度有限，實現(xiàn)難度較大；另一方面，地震數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)較多、環(huán)環(huán)相扣，若逐步逐項編程實現(xiàn)，需消耗大量時間，其可行性和完成度都不理想。以往一般是只選擇處理流程中的某一個問題，布置編程作業(yè)，不利于學生對整個數(shù)據(jù)處理流程的系統(tǒng)性完整認識。課程采用國際知名開源地球物理軟件——Madagascar為數(shù)據(jù)處理編程訓練平臺，其先驗性強、模型種類多、數(shù)據(jù)充足，更重要的是代碼開源、處理模塊豐富。處理流程的開源、模塊化，提升了數(shù)據(jù)處理部分學習的探究性，學生積極性高，授課方式也從教師主導過渡到教師協(xié)助。達成了對速度分析、校正、疊加、濾波、反濾波和偏移等各個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性、完整性數(shù)據(jù)處理編程訓練，優(yōu)化了課程內(nèi)容的挑戰(zhàn)度，同時提高了處理全流程實現(xiàn)的可行性。

3? 科學問題導向化、知識內(nèi)容類比化

科學問題導向化。SCIENCE雜志創(chuàng)刊125周年之際，公布了125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題。在這一背景的驅(qū)動下，基于本課程的章節(jié)內(nèi)容，總結(jié)提煉出“勘探地震學”的科學問題（如地震波傳播過程中能量如何變化？地震波的傳播路徑如何確定等），圍繞相應的科學問題，結(jié)合PBL教學方法，指導學生對相應知識點搜集資料、開展調(diào)研，進行研討式學習。引導學生界定問題、分析問題、解決問題，教師只起到參與討論、協(xié)助思考、引導制定方案的作用。在科學問題為導向的學習背景下，經(jīng)過探究性、主動式學習，充分使學生深度認識勘探地震學的科學內(nèi)涵，調(diào)動學生的積極性與求知欲，改變教師“灌輸式”“填鴨式”的教學模式。

知識內(nèi)容類比化。勘探地震學是一門基礎理論與應用技術相結(jié)合的專業(yè)課程。知識結(jié)構(gòu)的復雜性以及較強的專業(yè)性，增加了學習的理解難度，降低學習興趣。類比教學法是建立兩類具有相似屬性事物之間聯(lián)系的推理方法。運用類比法，有效幫助學生改變心理模式和思維模式，提高對專業(yè)內(nèi)涵的理解，培養(yǎng)學生的知識遷移能力，提高學習興趣。對不同的知識點，采用不同的類比方式：舊知識類比，例如將地震波的傳播中的反射、透射、折射與光學傳播中的反射、折射、全反射類比；自然現(xiàn)象類比，例如將地震波傳播的動力學、運動學特征與水波、聲波傳播規(guī)律類比；生活、科普常識類比，例如將波導效應與光纖寬帶類比，將地震數(shù)據(jù)的預測濾波問題與天氣預報類比；不同學科類比，例如將地震成像與醫(yī)學CT技術類比。通過類比教學，幫助學生貫通知識間的聯(lián)系，形成系統(tǒng)的知識體系，逐步構(gòu)建良好的認知結(jié)構(gòu)。降低了理論的抽象性，提升了學習的趣味性；降低了理解難度，提升了學習效率；減少了被動性接受，增加了主動性思考。

4? 形成性考核，課程評定全程化

課程評定方式的設定以提升學生能力為中心，以形成性考核評價體系為手段，打破傳統(tǒng)固有模式，注重考核學生多方面、多環(huán)節(jié)的全過程課程學習內(nèi)容掌握程度。一方面對期末考試試卷題型進行擴充和調(diào)整，增加綜合分析等高階性題型的比重，更好考察學生對知識和能力目標的達成情況；另一方面引入分組討論等七大形成性評價板塊，使學生更加注重日常能力的提高和知識的遞進。最終成績=學生分組討論×5%+文獻閱讀及報告×5%+研究型任務×10%+虛擬仿真實驗×10%+施工方案設計×5%+處理流程設計×10%+信息解譯任務×5%+期末閉卷考試成績×50%。增加了課程環(huán)節(jié)的豐富度，培養(yǎng)學生學習的計劃性與主動性。

五? 結(jié)束語

教育的宗旨是要培養(yǎng)高質(zhì)量專門人才，培養(yǎng)高質(zhì)量專門人才需要一流的高等教育，一流的高等教育的核心需要一流的、持續(xù)發(fā)展的課堂教學做支撐。在一流課程建設的背景下，吉林大學勘探地震學教學團隊，基于科學的教學理念、優(yōu)質(zhì)的教學平臺、先進的技術手段，經(jīng)過多年持續(xù)不斷的完善，打造了豐富的線下、線上、課內(nèi)及課外課程資源。以課程思政育人為綱，以“兩性一度”為目標，以虛擬仿真技術為支撐，以學生為中心，根據(jù)新時代大學生的思維特性，進行了全過程、立體、多樣化和系統(tǒng)的教學模式改革，打造“金課”課堂。今后仍要不斷研究、探索、實踐，開拓創(chuàng)新，進一步發(fā)展數(shù)字教育，當好學生成長的引路人[6-10]，培養(yǎng)能擔當中華民族偉大復興重任的一代新人。

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