基于虛擬仿真平臺的地震采集實驗對分課堂教學設計與實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）26-0113-04

Abstract：Accordingtothecurrentsituationofseismicdataacquisitionexperimentteaching，basedonthevirtualsimulation experiment platformandmodularteachingorganization，thePADclass teachingpracticeofseismicdataacquisitionexperiment courseiscarredout.Forthepurposeofexperimentalsafetyandtheintegrityofknowledgesystem，theseismicacquisition experimentisreforedandpracticedinreeaspects：Firstlytheexperimentalcontentsareintegratedandthefourxprtal contentsareintegratedintothreemodules：teachertalk，studentinternalizationandteacher-studentdiscusion.Secondly，the studentsuse8classhourstocompletetheinternalizationandabsorptionoftevirtualsimulationexperimentplatform.Finaly theteachersorganizetheexperimentalgrouptoasembleandpractice thesimple2Dseismicdataacquisitionexperimental equipment.TheexperimentalresultsshowthatthePADclassexperimentaldesignbasedonthevirtualsimulationexperimental platformstrengthenssudentsexperimentalparticipation，cultiatesstudentsindependentthinkingabiltyandimprovsteachs experimental teachingability.Itisabeneficial practical explorationtopromote thegrowthof teachingandlearning.

Keywords：seismicacquisitionexperiment；virtual simulation platform;PADclass；teaching basedonlearning;teaching ability

習近平總書記在全國組織工作會議上引用“耳聞之不如目見之，目見之不如足踐之”-2]，指出實踐決定認識，是認識的源泉和動力，也是認識的目的和歸宿。《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》中提到創新形式、改革教法、強化實踐，推動本科教學從“教得好\"向\"學得好\"轉變[3-。地震采集實驗是勘查技術與工程專業地震勘探原理和地球物理勘探儀器課程的延伸與拓展，依托石油工程與地質國家示范實驗中心開設了四個實驗項目。長期以來，地質資源與地質工程實驗實踐課多采用傳統授課模式（Lecture-basedLearning，簡稱LBL）[7-8]，其教學過程是教師結合多媒體講解理論知識，按照實驗步驟進行演示，學生依據教師演示步驟動手操作，最后根據學生課堂表現和實驗報告給予相應成績。此教學模式在地震采集實驗教學中暴露出諸多問題：一是該實驗課安排在地震勘探原理課程結束后的春季學期，理論與實踐安排跨度半年時間，理論教學和實踐操作不易銜接。同時受學校實驗資源限制，大部分實驗內容需要依托校企合作實驗基地，安排學生野外現場實驗，但由于地震采集實驗設備眾多、采集工序復雜，難以保證學生實驗過程系統性和完整性；二是油田地震隊施工在每年1—3月份，正值東北寒冬季節，勘查技術與工程專業學生在同一時間進人地震隊實驗，給實習基地造成較大負擔，難以保證學生和地震隊實驗安全和質量；三是地震采集質量受多種因素影響，而地震野外采集的復雜性難以實現多次重復實驗，不能達到實驗檢驗理論的教學效果；四是現場實驗最終成績由考勤、實驗報告組成，難以實現量化考核，特別是疫情常態化對實踐類教學提出了前所未有的挑戰。

因此，在保證實驗教學安全前提下，急需設計出既能達到專業實驗教學效果，又能充分發揮學生主動性和創新性的實驗方案9-，在此背景下，基于虛擬仿真實驗平臺的地震采集實驗對分課堂教學模式應運而生，該實驗教學模式極大地提升了學生解決復雜工程問題的實踐能力。

地震采集實驗對分課堂教學必要性

（一）保障實驗教學進程與效果

地震勘探資料采集已經邁入十萬道乃至百萬道的“兩寬一高\"精細勘探階段，震撼的地震采集現場作業面往往達到 40km² 以上的平面滾動施工。地震勘探施工作業區自然環境惡劣，施工作業受季節影響較大，并且，地震勘探資料采集投入不僅耗費大量的人力、物力和財力，而且難以保證地震采集現場實驗教學與教學計劃同步，這就嚴重制約了地震勘探原理專業教學與實驗教學的進程與效果。

（二） 克服惡劣自然環境

地震采集可控震源或炸藥爆炸激發震源施工屬于高危作業，致使地震勘探資料采集的現場實踐教學存在重大的風險，現場實驗教學管控難度大。為了應對這一客觀難題，通過虛擬仿真系統生動形象地展示地震勘探資料采集現場施工各工序作業場景，有效打破時間上和空間上的界限。同時，為了提高實驗教學效果和質量，可以依據學科的教學計劃、學生學習進度與知識掌握程度，靈活機動地分組安排地震勘探資料采集虛擬仿真實驗，在保證實驗教學效果的同時，有效規避實驗教學的各種風險。

（三）踐行以學生為中心教育理念

張學新教授就“對分課堂\"模式提出了教師與學生時間分配解決方案，對分課堂（Presentation、Assimi-lation、Discussion，簡稱PADclass）的基本理念是一半課堂時間交由教師講授（Presentation），另一半時間分配給學生進行討論（Discussion）。“對分課堂\"對教學時間科學分配，避免授課過程中教師獨角戲，突出學生在學習過程中的主體地位，實現了教師講授與學生討論的有效結合[12-16]，為實習實踐類課程提供了借鑒思路。對分課堂中保留了教師傳授這一傳統教學的精華，也保證了知識傳遞的系統性和準確性，教師扮演著“引導者”“評價者”角色，學生則成為實驗課堂中知識體系中的“發現者\"和“交流者”，此授課模式為師生間、學生間的交互學習提供便利，活化了傳統課堂，教學效果得以優化。

二 地震采集實驗對分課堂教學實踐

（一） 實驗內容

地震采集實驗共16學時，包含四個實驗項目： ① 野外地震隊組成； ② 地震采集觀測系統分析； ③ 多次覆蓋地震采集工序實踐； ④ 地震記錄分析。

實驗目標： ① 掌握地震資料采集基本流程，夯實地震反射波傳播理論、多次覆蓋原理，熟悉采集施工工序中測量、鉆炮井、埋置檢波器、鋪設測線等基本操作； ② 能夠依據地質任務設計地震數據采集方案，具備獲取地震勘探新技術的能力； ③ 培養實事求是的科學態度、嚴謹的工作作風、良好的實驗習慣。

（二） 對分課堂設計

圍繞地震采集實驗教學目標和內容，借鑒對分課堂教學理念，突出虛擬仿真實驗平臺優勢，完成地震采集實驗教學改革（圖1）。將實驗時間分解為三個部分，即教師串講、學生內化、師生討論。 ① 教師串講環節2學時。主要包括三方面內容，首先介紹實驗對分課堂教學模式、考核方法；其次是采集實驗涉及的理論知識串講和注意事項；最后是班級分組，以小組為單位進行虛擬仿真平臺內容自學和互學。 ② 學生內化部分共計8個學時。細分為四個模塊，分別為野外地震隊組織、地震采集儀器設備功能認知、采集工序實踐和單炮地震記錄特征分析，考查學生對地震采集野外工作方法掌握情況。 ③ 師生討論部分6學時。教師利用2學時時間，根據虛擬實驗平臺記錄的學習日志，精準把握學生自學情況，組織各小組學習情況進行討論、分析、總結，實施精準教學。再利用4個學時指導學生以小組為單位進行實際采集儀器連接、數據采集，并對實測地震記錄與虛擬平臺中的地震記錄作比較，分析差異。學生在實操過程中依據自學的設備連接、信號激發接收注意事項進行總結思考，編寫實驗報告。

（三）虛擬仿真實驗平臺融入教學組織

地震虛擬仿真實驗平臺采用實際地震勘探資料的研究成果，在360度全景拍攝的基礎上創建以真實野外地震采集過程為參照的虛擬場景，運用三維建模、動畫等技術手段，高度仿真地震采集儀器、采集原理和采集工序，使實驗場景和實驗對象更直觀形象。平臺模擬地震波在地下介質中的傳播特征，將多介質模型參數應用于系統中，能根據參數變化自動生成地震記錄波形圖，便于學生進行分析（圖2）。虛擬仿真實驗模塊設計接軌石油天然氣行業技術標準，內置程序對于涉及實驗安全的關鍵點作為考核點，學生只有在掌握各實驗環節要素后方可完成實驗。對于野外地震采集的高危作業環境來說，借助虛擬仿真技術，學生可以在平臺內反復實踐，讓學生“親臨實境”，逼真的實驗場景調動學生學習熱情的同時，實驗痕跡實時記錄，保證學生對于復雜實驗步驟熟練于心、實驗參數銘記于腦，達到最優學習效果。

在學生內化環節教師將實驗空間向學生開放，學生利用一周的時間完成8學時平臺實驗，教師可以在后臺數據中看到每個學生登錄實驗平臺實驗時長、各模塊操作痕跡，可以掌握學生在實驗過程中的學習數據，便于在師生討論環節總結實驗共性問題，并在儀器實操環節針對性地進行實驗環節設計，實現個性指導。

圖1對分課堂與傳統課堂教學過程對比

圖2地震采集虛擬仿真實驗平臺

（四） 實驗成績評定方式

對分實驗課成績評定以過程性考核為主，虛擬仿真實驗平臺成績60分，實踐操作和實驗報告各20分。虛擬仿真實驗依據學生完成四個模塊實驗的完整性、實驗考核題目的準確性，成績由平臺評定。實踐操作成績評定主要依據教師提供的觀測系統參數完成一次地震采集質量，主要考察儀器設備連接（檢波器-采集站連接、交叉站-電源站等）準確性、地震檢波器埋置方式，最終采用簡單機械震源激發得到的單炮地震數據質量三個方面。一個學習小組能夠獨立、準確完成上述實驗操作，并獲得清晰地震數據得滿分20分。實驗報告依據實驗原理、實驗目的、實驗過程的完整性、圖表規范程度、實驗影響因素分析和心得總結深度等方面酌情給分，滿分20分。

三 實驗效果

基于虛擬仿真實驗平臺的對分課堂教學模式更加符合工程教育理念，相比傳統實驗教學，基于虛擬仿真實驗平臺的地震采集實驗更具有較為突出的優勢。

（1） 靈活教學思政

從教學內容的角度，利用虛擬仿真平臺可以增加與專業課程相關的思政要素作為拓展資源，如幾代石油人在地震采集技術攻關、地震儀器研制、現場資料處理和解釋軟件研發等案例，強化學生專業認同，提升專業學習興趣，激發學生家國情懷和使命擔當；從教學模式的角度，對分課堂教學模式可以有效地促進學生主動思考與內化，嚴格的儀器操作規范、現場作業安全、以人為本等思政元素“潛移默化\"地滲透到實驗教學中。從教學手段上，通過自主研發專業領域的虛擬仿真平臺，擁有該虛擬仿真實驗的全部知識產權，在為學生授予專業知識的同時，更能夠以身作則地引導學生樹立正確的知識產權觀念。

（二） 促進教學相長

基于虛擬仿真實驗平臺的地震采集實驗對分課堂，不僅減少了實驗教學成本，達到了實驗目的，而且起到了教學相長的教學效果。對教師而言，課程講授時間減少一半，教師僅需講授實驗內容的重點、難點，減少教師授課中機械性的、缺乏創造性的教學內容，將更多的時間留給跟蹤學生在虛擬仿真實驗中的內化吸收情況。“對分\"過程釋放的學生活力，助推教師不斷提高教育教學能力。

就學生而言，對分課堂改變傳統學習方式，對分課堂的評價強調過程性評價，學生需要投人足夠的時間進行過程性學習。根據教師串講階段提出的實驗難點、重點進行系統學習，虛擬仿真實驗平臺既能保證全覆蓋地震采集工作內容，學生也可以根據自己興趣點針對性自學，突破了傳統教學框架。線下實操階段在自學基礎上發揮小組個人專長完成團隊實驗操作，培養學生團隊合作能力和工程實踐能力。自2019年虛擬仿真實踐平臺開放以來，學生學習245人次，2022—2024年在“東方杯\"全國大學生勘探地球物理大賽、“創新杯\"全國大學生地球物理知識競賽中獲得國家級獎勵十余項。

四 結束語

從野外地震采集教學現狀出發，開展基于虛擬仿真實驗平臺的地震采集實驗對分課堂設計，教師作為學生自主學習的引導者、實驗環節的串講者，跟蹤學生學習過程并作指導。學生利用虛擬仿真平臺多次實驗高危作業環節，內化吸收實驗要點。虛擬仿真平臺模塊化教學的過程性考核，將實驗自主權交給學生，學生個體的自學程度影響過程考核成績。實驗研討促進教師和學生的知識碰撞，教師通過虛擬仿真實驗平臺過程性考核數據了解學生學習效果，學生根據虛擬-現實實驗對比發現問題，促進學生深度思考，融會貫通地震波傳播原理、野外工作影響因素，將理論知識與實踐相結合，努力做到學有所用、學有所獲。

虛擬仿真實驗平臺解決了野外實習實踐資金設備不足的教學痛點，對分課堂教學模式調動了學生的主觀能動性，培養了學生通過實驗求知探新的能力，增強了師生互動。基于虛擬仿真實驗對分課堂教學是以學生為主、以學定教的一次成功改革實踐。

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