電法探測物理模擬教學

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實驗教學是理工科專業教學中非常重要的內容，其主要目的是為了加深學生對書本知識的理解，將理論知識轉化為感性認識和實踐能力。地球物理專業是實踐性很強的專業，課堂教學以書本為主，注重基本理論和基礎知識的傳授，對這些基本理論和概念進行講解時，用到大量的數學物理知識，并且有非常多的復雜公式推導、方程求解以及物理參數的物理含義的理解等問題，學生對這些問題會覺得比較枯燥。如何提高學生學習地球物理課程的興趣，使學生能輕松地掌握專業知識，是我們在教學中遇到的突出問題。為了較好地解決這一問題，在搞好課堂理論教學的同時，我們對實驗教學環節進行了有益的改革探索，取得了可喜的成效。近年來隨著學校對實驗教學儀器的支持，地球物理儀器設備逐步完善，在此基礎上，筆者申請了同濟大學第6期實驗教學改革項目“地球物理電法物理模擬實驗教學建設”并得到資助，通過該項目的建設展開實驗教學，提高了課程教學效果，并在培養學生綜合能力、創新能力上取得了成效。

一、基于相似性原理的電法探測物理模擬實驗建設

1.電法探測物理模擬實驗的相似性原理電法探測研究的對象是被探測的地下目標地質體，而在實驗室內不能對研究對象進行直接實驗，這就需要先設計1個與所研究的地電現象相類似的模型，然后通過對模型的實驗和觀察，間接地了解被研究的現象。這種模擬實驗是根據相似性原理，用模型來代替被研究的對象，將實驗手段（儀器設備等）直接作用于設計的模型。在電法探測物理模擬實驗中的“相似性原理”是指所用模型和裝置的幾何參數及電性參數與實際條件下的參數之間應保持一定的比例關系，使得模型或者模擬實驗結果與實際結果吻合較好。在該模擬實驗建設中，主要考慮傳導類電法，在該類電法（激電法中的面極化情況除外）中存在比較簡單的相似關系，也就是模型和實際原型之間的幾何參數（現狀、大小、埋深等）的關系與電性參數的關系是彼此獨立的，并且是各自線性的，這類模擬實驗做起來相對感應類電法探測來說就容易多了。

2.基于相似性原理的電法探測物理模擬實驗建設內容本實驗建設主要是建立傳導類電法模擬實驗中的水槽模型試驗、土（砂）槽模型實驗以及導電紙模型實驗3個實驗方法。

（1）水槽模型實驗。水槽模型實驗是常用的一種模擬實驗方法，主要用來解決三度體的問題。在水槽模擬實驗中，通常用水做均勻介質來模擬均勻圍巖。模擬引起異常的地質體時，用金屬或石墨模擬各種形狀的良導體，用環氧樹脂、有機玻璃等模擬絕緣體，有限電阻率用石墨、金屬粉加水泥等制作。這一方法的特點是：作為圍巖的水是均勻的，作為地面的水面是水平的。很適合模擬在均勻各向同性的半無限介質中埋有良導體和不良導體的情況。

（2）土（砂）槽模型實驗。土（砂）槽模型實驗可以用于研究三度導電空間中場的分布、特別是要求構筑地形起伏時土槽模型實驗優于水槽模型實驗的情況。可以在土砂中埋設金屬良導體以及不良導體的介質，通過儀器來測量，并可以考慮不同地形和電阻率對比差異下的觀測實驗結果。

（3）導電紙模型實驗。導電紙模型模擬實驗主要是用于二度地電斷面模擬實驗，也是一種簡便易行的方法。所模擬的主要是二度地電斷面和地形，所模擬的供電場源也是二度的。導電紙上的一個點代表垂直于導電紙的無限長的一條線；導電紙上的一條線代表垂直導電線的無限長的一個面；導電紙上的一塊有限面積代表垂直導電紙走向無限長的一個柱體；導電紙上的一個點電極，實質上是一無限長的線電極。模擬不導電礦體時，可在礦體位置處將導電紙截面挖空即可；模擬理想良導礦體時，用錫箔紙或銅片貼壓在預定位置；模擬有限電阻率礦體時，可用導電紙疊層的辦法。水槽和土（砂）槽的模擬實驗中，先對純水和土進行觀測，然后在水和土中放入不同的模擬異常體進行觀測，對比兩種情況下的差異，讓學生對異常的概念有直觀的認識。通過這三組模擬實驗，學生在課堂學習的基礎上，增強了感性認識，加深了對理論知識的理解，初步熟悉了電法探測的野外工作，積累了實踐經驗，為日后應用打下了良好的基礎。

二、模擬實驗教學實施

1.驗證性實驗與開放性實驗結合目前我們電法探測實驗教學主要有兩大類的實驗：驗證性實驗和開放性實驗。在實驗教學中堅持這兩種教學方式結合，驗證性實驗是基礎，主要是驗證課堂講授的理論知識，同時鍛煉學生的實踐技能，如課堂講授的對稱四極測深知識，在實驗教學中我們用水槽、土（砂）槽模擬來埋設放置不同深度的異常體，讓學生來進行實驗觀測驗證課堂知識。而開放性實驗則是有學生主導的實驗，由學生自己設計實驗內容，包括實驗目的、實驗原理、實驗所需的儀器設備與耗材、實驗步驟等，如電磁場理論中講到場的分布時我們通過適當的引導，有學生設計了用導電紙實驗來模擬直流電場的分布，取得了很好的效果。當然開放性實驗中為了確保儀器的合理安全使用，實驗的設計和實施必須有教師的指導和評價。

2.組織與實施實驗教學的過程涉及方方面面的工作，有理論課教師教學與實驗課教師的銜接，有學生自己的準備工作，還有實驗儀器與場地準備。教師的理論教學是實驗的基礎，無論是驗證性實驗還是開放性實驗都是依據理論知識來設計的。常規的驗證性實驗一般由教師來設定實驗內容、實驗原理、實驗步驟等，其實驗教學要求非常明確，并由教師來制訂實驗規范、考查評價方法，通過教師對學生實驗結果的考評來檢驗效果。開放性的實驗則只是在教師的指導下由學生自主設計實驗相關的各方面內容，教師只是起到參謀的作用，給學生提建議，給予適當的引導，對學生的實驗過程及結果我們通過答辯的形式來進行考核，教師給出相應的綜合評價和改進的建議和措施，學生在此基礎上再進一步完善實驗流程。從學生的角度來看，要求他們在知識和技能上有較充分的準備，對專業理論知識有深入掌握，能理解實驗原理和實驗步驟，熟悉實驗儀器設備的性能和具體安全操作流程，在實驗開始前對于這些知識要有全面的準備。實驗中出現的各種實驗現象和結果要有詳細的記錄和綜合分析，并寫出綜合實習報告。實驗儀器設備與場地準備方面由實驗室來操作，包括需要的實驗儀器與耗材、水、電、場所、物理模擬的模型。目前筆者所在學院正在建設實驗室，地球物理教學儀器設備也在國家“985”項目的支持下逐步完善起來，已經擁有直流電法、激發電法、感應類電法的相關儀器設備，完全能支持基于相似性原理的電法探測物理模擬實驗的展開。

三、模擬實驗教學的成效

該項目通過1年多的建設，在培養學生綜合能力、創新能力等方面取得了明顯的效果。

1.學生能力培養方面實驗教學本身的出發點就是培養學生的能力，通過對實際問題的思考和實際操作，培養學生分析問題和解決問題的能力，特別是突破理論知識的框架去處理實際工作中遇到各種問題的應變能力和創造能力。理論教學中注重知識的傳授，而實驗主要是訓練學生綜合運用所學理論知識，觀測地球物理現象并分析引起這種現象的原因和觀測的結果，從而加深對理論知識的理解和掌握。我們電法探測物理模擬實驗建設中的驗證性實驗均有詳細的實驗指導，提供了實驗原理、實驗目的、實驗方法和實驗步驟，這類實驗主要是鍛煉學生實際動手和操作能力。而開放性的實驗要求學生自己去設計實驗內容、實驗原理、實驗步驟等，是一種知識的綜合運用，能很好地鍛煉學生的綜合分析問題、解決問題和創新的能力。項目建設過程中，有3位同學申請了學院和學校的大學生創新項目，這些創新項目都是在該物理模擬實驗的平臺下來完成的，他們項目過程完全按照開放性模擬實驗的模式來進行，目前這些學生的創新項目都已經結題，得到了很好的評價，學生在知識的綜合運用能力、綜合分析和解決問題的能力、創新能力等方面都有很大的提高。其中1位同學2011年年底又獲得了學校創新項目新的資助，將繼續在該平臺上開展創新項目的研究。

2.模擬實驗教學的課堂效果目前我們已經完成電法探測物理模擬實驗建設的水槽模型、土（砂）模型和導電紙模型的實驗設計，包括實驗原理、實驗步驟以及數據記錄表格等。這些實驗都在涉及的幾門課程中為學生提供了實驗教學，如“位場與電磁波理論”、“電磁學與探測方法”、“地球物理概論”以及“環境與工程地球物理”等課程，取得了很好的教學效果。如“位場與電磁波理論”，我們通過引導學生進行導電紙模型的開放性實驗來模擬電場的分布，對于“電磁學與探測方法”的直流電測深的很多內容，通過水槽模型和土（砂）槽模型等的驗證性實驗來加深學生對課堂理論知識的理解。尤其是“地球物理學概論”，該課程學校已經立項進行課程改革，根據學校“卓越課程行動計劃”要求，我們探索推行啟發式、探究式、討論式、案例式、參與式、小班制等教學傳授方式，由于學生沒有地球物理的專業基礎，因此在探究式的教學板塊中，由教師適當指導，學生自行設計探究式的開放性實驗，通過這些實驗，大大增強了他們對專業課程的興趣。另外該實驗平臺在2011年暑假高中學生的夏令營中也發揮了作用，期間創新項目組的同學給高中學生演示了部分實驗，激發了他們的興趣，從該類模擬實驗中他們大致了解了怎樣用物理觀測手段去觀測地球、研究地球，取得了良好的效果。

基于相似性原理的電法探測物理模擬實驗教學建設雖然取得了初步成果，但仍存在一些問題，首先是師資問題，實驗教學過程組織有一定的難度，需要有較多的師資，也需要教師投入更多的精力。其次是實驗場地問題，難以適應教學要求。