工程教育专业认证背景下重磁勘探课程实验教学改革

             侯 征，陈 雄，杨贺龙 

（河北地质大学 河北省战略性关键矿产资源重点实验室，河北 石家庄  050031）

[摘  要]《重磁勘探》课程是勘查技术与工程专业本科生核心课程之一，具有较强的理论性和实践性。按照工程教育专业认证要求,要持续加强学生实践能力和创新能力的培养。本文基于工程教育专业认证背景下的标准，在进一步明确《重磁勘探》课程理论与实验课程教学与毕业要求指标点间的支撑关系基础上，对《重磁勘探》课程实验教学内容、实验教学方法进行改革，着眼于学生实践能力和创新能力的培养，通过实验教学提高学生学以致用，发现问题、分析问题和解决问题的能力。

[关键词]重磁勘探；实验教学；工程教育专业认证；教学改革

[基金项目]2019年度河北地质大学教学改革研究与实践项目“工程教育认证背景下的地球物理勘探专业课程实验教学改革研究与实践”（2019J26）资助

[作者简介]侯征（1980-），男，内蒙古呼和浩特人，博士，河北地质大学地球科学学院副教授，主要从事地球物理教学与科研工作；陈雄（1986），男，河北石家庄人，博士，河北地质大学地球科学学院讲师，主要从事重磁勘探领域教学与科研工作；杨贺龙（1988-），男，山东聊城人，博士，河北地质大学地球科学学院讲师，主要从事地震勘探领域教学与科研工作。

 [中图分类号]G642.0     [文献标识码]A    

工程教育专业认证是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础，是提高我国工程人才培养质量的基础和保障^[1]。河北地质大学勘查技术与工程专业也积极开展工程教育专业认证的相关工作，以此为契机，推动我校勘查技术与工程专业核心课程的实验教学改革，保证毕业生能够满足市场要求，提升毕业生的质量。

《重磁勘探》是勘查技术与工程专业本科生核心课程之一，课程设定教学目标是通过课程教学，使学生系统了解地球重力场和磁场的基础理论，掌握重力和磁法野外勘探工作方法，能够运用重磁数据处理与转换方法及正、反演技术解决各种地质问题，为从事地球物理应用及研究工作打下坚实的基础^[2]。《重磁勘探》课程中的实验教学是整个课程体系中的重要环节。实验教学主要分为两部分内容，一是仪器操作及数据采集，通过实验使学生了解重力仪和磁力仪的基本原理和结构；熟悉目前主流重力仪和磁力仪的操作流程，掌握仪器的各项改正观测和野外数据采集。二是数据处理与解释，通过实验使学生掌握重力数据和磁法数据的预处理及异常获取、重磁异常处理与转换、简单形体的重磁正演计算及重磁异常的反演与解释方法^[3]。实验课与理论课程联系紧密，教学过程要相互呼应，完美衔接，因此要根据课程总学时合理安排实验课程的内容及学时。河北地质大学目前是将数据处理与解释部分单独开设了一门《重磁数据处理与解释课程》（32学时），因此《重磁勘探》课程实验教学内容主要围绕仪器操作及数据采集设计。为了合理安排《重磁勘探》实验教学学时和教学内容，取得实验教学应有期望，河北地质大学勘查技术与工程教研室对《重磁勘探》课程实验教学环节进行了改革和探索。

一、《重磁勘探》实验教学内容设计

按照OBE教学系统运行逻辑关系，课程体系构建要为实现毕业要求服务，按照《工程教育认证通用标准解读及实用指南》2020版给出的毕业要求12个指标点进行对比，《重磁勘探》课程对毕业要求中的指标点4（研究）具有较高的支撑度。河北地质大学勘查技术与工程专业培养方案对指标点4（研究）按照能力形成的逻辑“纵向”又进行了分解，其中分指标点4.3：能够根据勘查方案构建野外工作方法，安全地开展野外观测工作，正确地采集观测数据。则需要设计适宜的《重磁勘探》实验体系及教学内容来实现。实验内容主要结合野外生产流程和相关规范要求进行设计，实验内容包含重力仪器认识与操作、重力仪格值标定、重力仪性能试验、重力基点联测、重力测点布设和重力观测。磁力仪器认识与操作、磁力仪性能试验、磁力测点布设和磁力观测。表1是对《重磁勘探》实验教学内容进行了重新设计，设立了6个实验项目，重、磁方法各设计了3个实验项目，实验内容基本涵盖了野外数据采集工作全过程。

表1 《重磁勘探》实验教学项目设计

二、《重磁勘探》实验教学组织

工程教育专业认证突出的是培养同学能够利用各种工具、手段解决工程中的复杂问题。根据这一指导思想，《重磁勘探》实验教学内容设计要引导学生全面深入了解重磁仪器、野外工作前仪器所需的性能校验内容、数据采集过程等，从而增强学生对《重磁勘探》课程的理解，培养学生解决实际问题的能力。

（一）重力仪器认识、操作和重力仪格值标定实验

重力仪器认识和操作部分，采用演示方法，让学生了解仪器的操作步骤和注意事项。重力仪格值标定采用模拟方法，选定两处位置，作为国家重力标定点，我校仪器为CG-5型重力仪，因此采用双程往返观测法，观测路线：1→2→2→1……，重力格值校正系数按公式（1）计算：

                     （1）

    式中：为某台重力仪的格值校正系数；为重力基本点间的重力差；为某台重力仪观测结果的平均重力差（重力增量值）。

按照规范要求合格读格差的数量不少于6个，实验过程中分小组完成，每小组完成一个独立读格差的观测。

（二）重力仪性能测试实验

重力仪性能测试实验包括三部分内容，静态试验、动态试验和多台仪器一致性试验。正常重力仪静态试验要求连续观测时间不少于24小时,读数间隔为30分钟；动态试验时间不少于10小时，两点间重力差不小于3×10^-5m/s²；一致性试验点数应不少于30个,相邻点间重力值的变化一般要求大于1×10^-5m/s²。因此实验课无论从观测时长还是场地条件，很难满足上述要求，因此重力仪器性能测试实验采用模拟方法开展，采集时间按比例缩短，目的是让同学们了解仪器性能试验的原理，掌握采集过程。

（三）重力基点联测和重力普通点观测实验

重力基点联测实验设定三个基点，采用三程循环法进行观测，观测顺序为1→2→1→2；2→3→2→3。重力普通点观测采用单程观测方法，开始观测前先介绍如何按基点-辅基点-基点的观测次序来检查仪器是否处于正常工作状态。普通点的八方位地形观测利用RTK进行测量，实验内容分组完成，在观测过程中要介绍野外观测中意外情况处理方法。如仪器在工作期间受到碰撞，应返回受撞前测点重复观测3～5个点，检查仪器掉格情况，如掉格不符合要求，则该仪器此闭合单元观测数据作废。

（四）磁力仪器认识、操作和T₀观测实验

磁力仪器认识和操作部分，同样采用演示方法，让学生了解仪器的操作步骤和注意事项。按照规范要求，T₀值观测时，观测时长不短于2小时,且2小时内地磁场平均值变化不超过2nT的时间段，实验课时长难以满足，所以T₀观测实验同样采用模拟方法，让学生了解观测过程即可，T₀值计算由指导教师给学生提供实测数据进行练习。

（五）磁力仪性能测试实验

磁力仪性能测试实验包括主机一致性、探头一致性、噪声水平测试、仪器一致性测试四项内容，实验时采用4台仪器，主机一致性实验每台主机读数30次、探头一致性实验每个探头读数30次、噪声水平测试每台仪器读数100次、仪器一致性测试，测点数50个，点距5米。主机一致性检测示意图绘制、探头一致性差值计算、噪声均方根值计算、多台仪器总均方误差计算内容所需数据可直接使用实验数据，若实验数据干扰太大，也可以由教师提供野外实测数据进行练习。

（六）日变观测和磁法测点观测实验

学生要了解日变站选址要求，掌握以2m为半径的八方位及中心点高差0.5m的测量方式来进行日变站选址的方法。磁法测点观测实习内容主要强调在观测中常见的一些问题，如观测者的去磁、遇到强磁干扰以及磁场梯度变化太大等问题的解决方法。

三、《重磁勘探》实验教学管理

由于地球物理勘探相关仪器设备价格昂贵，实验室常见问题是学生人数和实验教学所用仪器不相匹配，很难做到人人都有操作机会，因此实验教学管理尤为重要。合理的实验教学管理，是实验课能否取得预期效果的重要保障。

（一）实验前的准备

为了保证实验的顺利运行，实验之前实验教师和学生均应作相应的实验准备，包括实验教师对教学内容及材料的准备和学生了解实验方法原理更好进入实验状态的预习准备。针对地球物理仪器操作和数据采集实验，需事先清点、检查、调整好仪器工作状态，在校园内选择好合适的实验地点，并保证理论课程进度要在实验项目开设之前，并及时与学生提前沟通实验内容和注意事项。

（二）分批分组实验

合理调配资源，进行分批分组实验，尽量保证能够满足不同实验项目对仪器设备、场地、人数、环境等的开展要求，保证让每个同学都参与到每个实验项目中来，在团队协作的环境中每个成员完成实际的动手操作、对实验现象的观测和思考^[4]。

（三）启发式实验教学

勘查技术与工程专业最终要求培养的学生利用地球物理勘探方法解决资源勘查或工程勘察问题的能力。梅贻琦先生提倡的“从游”式教育指出：“师生犹鱼，行动犹游泳，大鱼前导，小鱼尾随，从游既久，其濡染观摩之效，不求而至，不为而成”。实验过程中指导教师既要做“从游者”，也要做好的“教练员”和“裁判员”，三者合一，才能做好引导式、启发式的导师——实验教学指导教师。因此在开展实验教学过程中指导教师对学生的启发非常重要。在实验过程中，教师通过实验步骤演示、关键环节提问和引导学生对实验结果数据的初步分析与思考，帮助学生理清思路，促进学生发现问题、分析问题和解决问题的能力^[5]。

（四）课堂实验与开放实验相结合

由于实验设备、场地、学时所限，某些实验项目只能采用演示方式实施，可能会存在不能满足学生充分掌握该项技能方法的要求,有时会遇到学生需要参加学科技能竞赛,或者学生在学习过程中对某些重磁勘探方面的科学问题感兴趣，需要利用实验方法验证，这个时候可以通过开放实验的方式，充分、灵活利用实验平台、设备、场地、学时，让学生进一步深入开展实验,补充课堂实验教学不足。在开展开放实验时要明确课堂实验与开放实验间的差异，课堂实验是开放实验的基础，开放实验是课堂实验的延续和深化。课堂实验以教师为主导，实验的实施方案明确，实验结果可预期，教学秩序可以规范化；而开放实验则以学生为主导，以问题为导向，实验的设计方案可以多样化，在实验中宜充分发挥学生的主观能动性，在实施过程中和教师的指导下可以不断优化方案，实验结果受实验方案的影响大，注重培养学生观测实验结果、分析实验数据、寻找科学规律，从而解决问题的能力。^[6]。

四、学生实验技能考评

《重磁勘探》课程实验作为理论教学的重要一环，实验成绩是本门课程成绩的重要组成部分，占课程总成绩的30%。实验成绩由两部分构成，一是实际操作能力（占实验总成绩50%），从实验步骤的熟悉程度（实验预习）、安全操作意识、操作规范性、实验数据整理、科学性分析等角度开展考核，其中如进行小组实验，则宜适当考虑作为组员的参与度作为评估的一项指标。二是实验报告（占实验总成绩50%），主要考察学生对实验内容和过程的理解能力及对实验数据处理和综合分析的能力，主要考核指标包括报告结构是否完整、图表绘制是否规范、实验结论是否准确、个人总结是否深入。

五、结束语

重、磁勘探是地球物理勘探常用的两种重要方法，《重磁勘探》实验课是掌握这两种勘探方法的重要环节。基于工程教育专业认证的背景下，要不断加强培养学生创新精神和实践能力，实验教学工作将既注重基础的实验，又强化实验的设计性、综合性。

[参考文献]

[1]李亚南，罗润林.工程教育专业认证背景下的地震勘探实验教学改革[J].高教学刊,2018,(11):146-148,151.

[2]张恒磊,胡祥云,张世晖.应用地球物理教学中理解思维的培养—以“磁法勘探”课程为例[J].教育教学论坛,2017,(21):238-239.

[3]罗润林,李亚南，徐志锋,等.《重磁勘探》实验教学探讨与研究[J].高教学刊, 2018,(11)：89-91.

[4]成谷.《应用地球物理》实验课程教学细节设计[J].教育教学论坛,2018,(44):271-272.

[5]胡雄武,吴荣新,张平松,等.启发式教学方法在电法勘探教学中的应用[J].教育教学论坛,2018,(37):151-152.

[6]张新兵,于鹏,赵永辉.开放式地球物理综合实验实习平台建设[J].中国地质教育,2016,(3):57-59.

Teaching Reform of Gravity and Magnetic Prospecting Experiment Course under the Background of Engineering Education Porfessional Certification

HOU Zheng, CHEN Xiong, YANG He-long

(Hebei GEO University, Hebei Key Laboratory of Strategic Critical Mineral Resources, Shijiazhuang, Hebei 050031, China)

Abstract: Gravity and Magnetic Prospecting is a core course of Exploration technology and engineering specialty, which has strong theoretical and practical characteristics. In accordance with the requirements of engineering education certification, emphasis is placed on the cultivation of students' practical ability and innovative ability. On the basis of further clarifying the supporting relationship between the theoretical and experimental teaching of gravity and magnetic exploration and the graduation requirements, the experimental teaching contents and methods of gravity and magnetic exploration are reformed, focusing on the cultivation of students' practical ability and innovation ability. Through experimental teaching, students' ability to discover, analyze and solve problems is improved.

Keywords: gravity and magnetic prospecting; experiments teaching; engineering education porfessional certification; teaching reformation