地质学类专业地球物理课程教学软件设计开发与实践改革*

周文纳 赵姣龙 吴 浩 刘成英

（兰州大学 地质科学与矿产资源学院／甘肃省西部矿产重点实验室，甘肃 兰州 730000）

地质学类专业本科一、二年级通常不涉及计算机编程、数值计算、数字信号处理、场论等课程的学习，因此大学三年级进行地球物理课程学习时，学生对正反演计算、数据处理等课程内容的学习存在较大的困难［1-2］。 同时，受教学学时限制，教师很难在课堂有限的时间内训练学生编程来实现相关内容的计算，进而从根本上理解地球物理相关计算的实际意义和应用效果。 因此，在此教学环节中往往存在理论和实践结合不紧密，却又难以通过理论教学进行有效弥补的问题［3］。 为了强化地球物理课程计算部分的教学，必须结合相关数据处理软件进行教学，才能从根本上加深学生对概念和计算方法的理解［4-6］。 但现有的地球物理数据处理与解释软件大多为商业软件，其成本过高，且专业软件主要是针对地球物理专业的学生设计，功能繁杂、涉及内容过多，地质学类的学生很难在有限的学时内学习和掌握。 为此，鉴于学时限制与地质学类学生专业基础的实际情况［7］，依托常用的数据计算软件平台的优势［8-9］，笔者开发了专门针对地质学类专业学生的教学软件，并应用于课堂实践教学。 教学软件的直接应用，不同于地球物理专业学生自己编写程序实现教学内容的学习［10-13］。 该软件具有功能简单、模块完善的特点，学生可进行简单学习即可完成操作。 该软件可以从根本上提高学生对地球物理数据处理及相关概念的理解和学习，进而实现地球物理课程实践教学的改革。

一、地质学类专业地球物理勘探课程软件开发设计的必要性

（一） 地质学类专业地球物理课程设置及学时的限制

地质学类专业本科课程中一般都有地球物理课程的设置和教学要求，但与地球物理专业的课程设置不同，其地球物理课程往往不会按照重力、磁法、电法、地震等多门课程分别开设。 地质学类专业的地球物理课程通常作为一门综合课程开设，要求在一个学期较少的学时内，完成地球物理勘探的各个方法的教学。 具体体现为：将重、磁、电、震等多种地球物理方法集合于一门课程，通过理论教学使得地质学类专业的学生短时间内实现从总体上了解地球物理勘探方法，并进行数据处理的相关应用和地质解释。 虽然整体课程对理论学习的要求没有地球物理专业学生高，如通常并不要求学生可以进行编程计算，或者进行数据实际处理。 但作为一门必修或限选课程，也要求学生必须掌握各类方法的基本概念、数据处理的基本方法、数据处理后的地质解释，并要求学生理解数据处理可以达到的效果，同时要求学生深入理解数据处理中的参数影响和实际案例的对应分析。 显然，在有限的学时内完成大量的教学内容存在一定的困难。

（二）地球物理课程中涉及大量模拟计算内容

在整个地球物理的教学中，除了讲述和学习基本的概念外，必须涉及重、磁数据的正演模拟、重磁数据的基本处理方法（求导、延拓、滤波）、电法正演模拟、电测深曲线的分析、地震时距曲线分析以及地震数据的处理方法等基本内容。 这些内容涉及大量的公式、计算以及数值模拟，所包含的参数也较多，仅靠课本教学、多媒体讲述往往难以达到应有的教学效果。 另外，在不进行实际操作的情况下，很难让学生深入地理解课程的主要内容和实际意义。

（三）商业软件功能繁杂且经济成本较高

对于地球物理专业的学生而言，课程中所涉及的数据处理和理论计算都有相应的软件辅助完成相关的教学内容，从而使学生掌握软件操作的同时，达到概念融会贯通、理论与实践相结合的目的。 在完成理论学习的同时，又掌握了软件的基本操作，可在将来的工作中直接使用相关软件。在课程中又可以深刻理解不同参数、不同处理方法对处理结果的影响、变化规律等内容。 相应的，地球物理专业也要求学生掌握软件的学习，可以进行实际的数据处理。 另外，因地球物理专业学生各类方法的学习学时较长，可以通过长时间的训练进行编程、软件学习，进而取得良好的教学效果。 对于地质学类专业学生，完成课程的深入学习，软件的实际操作显得十分必要。 只有通过软件的实际操作计算，才能使学生对数据处理中参数的选择、方法在实际中的应用有更深刻的理解。然而，现有的软件大多是商业软件，其成本过高且功能复杂，在短时间内又不容易掌握。

可以看出，在有限的学时与教学成本的控制范围内，针对地球物理课程中所涉及的大量计算内容，设计和开发一套针对地质学类专业学生的简单且可以直接使用的教学软件显得十分必要和紧迫。 为此，将上述这些主要的教学内容以软件的形式进行界面化和可视化，并将简单的教学软件引入课堂教学，让学生通过实际操作进行深入理解正演模拟、数据处理等内容，进而高效地完成教学工作，对学生综合能力的提升具有重要的意义。

二、教学软件主要模块及基本功能

为了实现实践教学的有效应用，开发了针对地质学类专业的地球物理教学软件。 该软件可在普通微机上Windows7 及以上操作系统上均可以运行。 方便安装和运行，其主界面如图1 所示。

图1 地球物理教学软件主界面

该软件主要功能有重磁数据的正演计算、重磁数据处理、电法和地震的相关计算及显示的教学内容。 其中，对于重磁的正演计算，有常见的正演模型如球体、水平圆柱体、台阶模型等，同时包含了重磁数据的基本处理，主要有高斯滤波、化极处理、延拓计算、求导计算以及边界识别等，方便学生学习基本的数据处理，为后续数据解释奠定基础。 在电法部分，主要是针对计算复杂的电测深曲线，开发了计算和分析功能，方便学生针对不同的模型理解测深曲线的变化。 在地震部分，开发了地震波时距曲线进行实践教学，帮助学生深入理解该部分计算内容。 其主要的功能如图2 所示。

图2 软件主要功能模块分解

进行重力正演模型的教学时，可以分别点击“球体”“水平圆柱体”“台阶”等正演模型，进而输入相关的正演参数，获取正演的计算结果。 学生可以利用该软件进行简单的操作，完成改变正演参数对获取异常值变化规律的直观理解，从而深入掌握正演计算中各个参数的意义，也可以进一步分析异常正演的影响因素，理解反演中解的非唯一性等特点，从而为后续地质解释奠定基础。通过软件的简单操作和计算，可以达到事半功倍的教学效果。

该软件的操作简单，且为中文界面，学生只需要根据基本的提示输入相关参数，即可获得球体的重力异常、水平和垂向导数异常，同时可以直接显示主剖面的图像，并输出对应的网格化数据（数据文件格式为.grd）。 学生可以利用软件，自己修改参数，从而深入理解不同的正演参数对异常的影响，为后期的课程学习提供良好的帮助。同样，其他的正演计算也可以进行类似的参数输入、异常图像预览以及数据的导出。

同样的，如图3a 所示，在重磁数据处理功能中，结合教材教学内容的讲述，学生可以结合软件深入理解每一种常见的数据处理方法所需要注意的事项，并对数据处理的结果进行分析，对比发现数据处理前后异常的变化规律，这对后续学习地质解释有着重要的意义。 相对于传统单纯进行理论学习和概念的强化教学，通过软件操作能够让学生直观地感受数据处理的整个过程，从而建立完整的数据处理概念。

在以往教学中，教师对延拓、求导等数据处理方法的概念进行阐述，其处理效果也只是利用已有的图件进行展示，学生难以从根本上理解异常的变化特征以及每一种方法处理数据的效果。 在学习过程中因无法深入理解，且无法实际感受参数对结果的影响而容易产生抵触情绪。 然而，利用软件进行实际操作时，输入向上延拓的距离，即可对比延拓前后异常的变化特征，通过多次输入不同的距离，可以展示不同延拓距离对异常特征的变化规律（图3b）。 该软件可以从根本上解决上述问题，既调动了学生的主观能动性，又激发了学生的学习兴趣。

图3 地球物理教学软件重磁数据处理模块示意图

在电法勘探与地震勘探部分的教学中，针对教学中计算较为复杂的电测深曲线分析，同样可以利用该软件的实际操作完成教学，方便学生深入理解电阻率变化、深度分析不同对测深曲线的影响（图4a）。 该软件同时也进行地震时距曲线的分析，如图4b 所示，可以通过炮检距、层厚、层厚度、临界角等参数的设置，获得时距曲线，为教学带来极大的便利，给学生学习提供良好的帮助。利用该软件可以有效地完成数值计算、参数对计算结果的影响变化规律，从而简化教学中的公式，提高学生的学习兴趣。

图4 地球物理教学软件电法及地震主要教学模块

三、教学改革实际应用案例

以重力球体正演为例，分析软件开发设计在教学应用中的优势。 重力球体正演部分，教材内容比较简单，仅依托于教材往往不容易理解和讲解。 教材中直接给出正演计算公式，并给出了球体重力异常的平面等值线示意图，简单分析了埋深、密度差、球体半径等对异常的影响，但没有异常随参数变化的图示特征。 因此，学生并不能充分理解为什么球体埋深变化、密度差变化或者球体半径变化时，产生的重力异常会发生改变。 此外，也难以直观地感受每一个参数变化对异常的影响。 在以往的教学中，有时老师会引入动图进行演示，在一定程度上可以表征参数和异常变化的对应关系，但并不能从根本上说明每一种参数的变化对异常形态和幅值大小的直接影响，也难以完整地展示不同参数对异常影响的具体效果。学生在不进行编程的前提下，难以从根本上理解该部分的内容，从而导致正演部分的教学缺少实质性的进展，只是停留在基本的概念认知中，严重影响了后续教学内容的学习，同时也导致在学习后续反演、地质解释时，无法进行前后的串联，致使整个教学效果不好。

在引入教学软件后，以上问题可迎刃而解。如图5 所示为该软件重力异常球体正演计算模块。 在该模块中，左上角为参数输入部分，学生只需要输入各个参数即可获得重力异常的平面展示、重力水平导数和垂直导数，进而获取主剖面展示结果。 在此基础上，学生可以通过改变参数获取不同的正演模拟结果，从而观察正演结果的变化规律，对比不同的参数对结果的影响。 此外，该软件的界面比较简单，基本上不需要占用过多的时间学习软件操作，学生可以很快掌握正演部分的内容。 可见教学软件的开发和引入可以让学生花费更少的时间，同时又能更加深入地掌握所学内容。 通过该部分正演模拟的实际操作，学生掌握不同参数对结果的影响，可以深入理解后续课程中反演“非唯一性”，地质解释“多解性”等问题。 因此可以看出，教学软件的引入对地球物理实践教学具有重要的意义，不仅丰富了课堂的内容，激发学生自主学习的兴趣，同时又可以让学生深入理解整个课程的教学内容，起到串联整个教学内容的作用。

图5 球体正演模拟及结果预览

四、结束语

通过开发地质学类专业地球物理勘探课程教学软件并在课堂教学中进行应用，将教材上不能动态演示的图片、概念以及数学分析转化为学生可以动手操作、实际模拟的实践过程，极大地丰富了教学内容，提高了教学效果。 通过地球物理教学软件的开发与应用，学生可以直接进行课程中重、磁、电、震等教学内容的深入学习和理解，激发学习的主动性。 该软件界面和操作都较为简单，极易学习和使用。 同时，自主完成教学软件的开发和使用，避免了商业软件昂贵的价格和复杂的功能，便于学生学习和快速掌握，为教学提供了极大的便利，可以实现教学的实践改革。