面向煤及煤层气工程专业的《地震勘探》课程教学研究

[收稿日期]20150217 [基金项目]湖北省高等学校教学研究项目(2013151)三 [作者简介]宋先海(1973),男,博士,副教授,现主要从事地震勘探等方面的教学与研究工作;E -m a i l :s o n g x i a n h a i w c y

@s i n a .c o m 三[引著格式]宋先海.面向煤及煤层气工程专业的‘地震勘探“课程教学研究[J ].长江大学学报(自科版),2015,12(16):73~76.面向煤及煤层气工程专业的‘地震勘探“

课程教学研究

宋先海 (中国地质大学地球物理与空间信息学院,湖北武汉430074

)[摘要]面向煤及煤层气工程专业的‘地震勘探“课程在我国起步较晚,尚处于探索和实践阶段三为使该

课程更好地与煤及煤层气工程专业紧密衔接,为煤田有效勘探开发利用服务,结合中国地质大学近年来

开设该课程的教学实践,阐述了煤及煤层气工程专业开设‘地震勘探“课程的必要性;分析了该课程特

点所引发的如何与煤及煤层气工程专业紧密衔接二教材及教学资源的选取和课程对数学物理基础要求高

等教学问题;并针对有关教学问题,分析总结了该课程建设中教师队伍二优秀教材及教学资源的选取二

教学内容二教学方法二教学条件和教学效果等方面宝贵的教学实践经验,以期为国内相关专业的教学与

应用提供一定的参考和借鉴三

[关键词]‘地震勘探“

;煤及煤层气;教学方法;教学质量[中图分类号]N 4[文献标志码]A [文章编号]16731409(2015)16007304

我国煤炭储量远远高于目前已查明的石油二天然气储量,煤炭生产在我国国民经济建设中具有举足轻重的地位三在机械化采煤生产中,由于采煤机械化对地质条件的要求远远超过普采或炮采的要求,当前提交的地质勘探资料已远远不能满足现代化矿区开采对地质条件的要求,导致长期以来煤矿建设对采区地质条件的分析研究程度不够三

因地震勘探具有高精度二高分辨率和探测深度大的优点,所以其一直是各种地球物理勘探方法(如

重力勘探二磁法勘探二电法勘探和测井勘探)中的主要研究方向[

1~3]三鉴于地震勘探与煤及煤层气工程专业的紧密联系,国外一些著名大学很早就针对煤及煤层气工程专业开设该课程三然而,在国内仅有中

国矿业大学(北京)二中国矿业大学(徐州)二河南理工大学(原焦作工学院)等为数不多的高校为煤及

煤层气工程专业的本科生开设了该课程,中国地质大学于2011年开始为煤及煤层气工程专业的本科生开设该课程,教学研究与实践尚在探索中三

1 课程特点引发的教学问题

‘地震勘探“课程对数学物理基础要求较高,公式推导较多,且面向煤及煤层气工程专业的‘地震勘探“

,其开设的目的是为煤田综采设计二提高煤炭工作面的生产效率二避免煤矿瓦斯和突水突泥危险事故发生二保证矿井的高效安全生产等提供有力的地质保障三因而必须注重课程与煤田勘探开发的针对性,以加强地震勘探与煤及煤层气工程专业的衔接,这就要求授课教师不仅要熟悉地震勘探的内容,还要具备煤及煤层气工程的专业背景,并能将两者有机融合起来三

1.1 与煤及煤层气工程专业的衔接

在地震勘探专业课的教学实践中,学生往往不知道如何灵活应用所学的地震勘探专业知识来解决煤及煤层气工程专业中的具体问题三究其原因,是地震勘探专业课教师没有对煤及煤层气工程专业中需要衔接的知识点进行系统地归纳和梳理,没有很好地融入煤及煤层气工程专业问题,专业针对性不强,学生又没有很好地联系地震勘探专业课的知识点,结果导致学生对地震勘探知识的掌握脱离了煤及煤层气工程专业的应用背景,对知识的应用目的不明确,学习积极性不高,最终导致教学效果大打折扣三四

37四长江大学学报(自科版) 2015年6月第12卷第16期(理工上旬刊)J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y (N

a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) J u n .2015,V o l .12N o .16

四47四理工上旬刊*理工学教育2015年6月1.2教材及教学资源的选取

现有的地震勘探教材中尚无专门针对煤及煤层气工程应用的教材,教材的侧重点二应用部分及习题

往往针对地球物理勘探专业而设计,很少涉及煤及煤层气工程专业问题三如果直接使用这些教材来对煤

及煤层气工程专业的学生进行讲授,容易造成地震勘探专业课与煤及煤层气工程专业相脱节,学生难以

将地震勘探知识与其专业背景联系起来三

1.3课程对数学物理基础要求高

学生在学习‘地震勘探“课程之前,需要具备弹性波理论二宏观场论二大学物理二信号分析与处

理二高等数学二线性代数二数学物理方程二矢量分析二复变函数和矩阵理论等基础知识,并能灵活运用

这些数学物理知识三国内大多数高校只针对地球物理专业开设该课程三然而课程中引入的一些概念,如

旋度运算二弹性模量二波场延拓二偏移成像二地震子波二导波和相长干涉等,相对比较抽象,尤其对于

煤层气专业的学生理解起来比较困难三坐标转换时二维和三维应力分量的变化则需要学生具有较强的空

间想象能力三课程中涉及大量的公式推导,如波动方程二佐普利兹(Z o e p p r i t z)方程二煤层槽波频散方程,需要学生具备较强的大学物理二矢量分析二线性代数二微积分和偏微分方程基础知识三课程内容联

系紧密,若其中一个知识点没掌握好则影响后续的学习,导致煤及煤层气工程专业数理基础较薄弱的学

生容易产生畏难心理,学习兴趣不高,且随着课程内容逐步深入,学生难以跟上课程进度,会逐渐失去

学好该课程的信心三

2具体措施

为了提高教学质量,增强与煤工系专业的融合,完善该课程建设,地球物理与空间信息学院重点围

绕教师队伍二教学内容二教学方法二教学条件和教学效果5个方面开展了相关改革与实践工作三

2.1加强教师队伍建设,努力提高教师综合素质

地震勘探专业为学院的优势学科,近年来学院加强了‘地震勘探“课题组教师队伍建设三该课题组

现有教师15名,其中正教授5名二副教授5名二讲师5名;13名教师具有博士学位二2名教师具有硕士学位;10名教师出国访问交流1年以上三教师队伍专业职称二学历分布二年龄层次和队伍结构更加趋于合理,教师队伍稳定二专业知识雄厚三通过出国访问交流二组织观摩国家级和省级教学名师授课,通过学习国内外国家精品课程二国家精品视频公开课二国家精品资源共享课和中国大学MO O C(M a s-s i v eO p e nO n l i n eC o u r s e,即大规模在线开放课程)等网络资源,教师队伍的国际视野二综合素质和授课水平得到了明显提高三

2.2优选国内外教材,充分利用网络教学资源

为了解决优秀教材及教学资源选取的难题,为煤及煤层气工程专业的学生量身定制出适合他们的教

材和教学资源,要求教师不能照搬硬套二固守陈规,要积极借鉴国内外优秀的教学经验二教材和网络资

源对该课程进行拓展和优化,在对国内外众多教材的内容进行优选和对比后,选定中南大学出版社出版

的熊章强等编写的‘地震勘探“(第2版)为主要教程三为紧密结合煤炭地质问题,辅以美国勘探地球物理学会S E G(S o c i e t y o fE x p l o r a t i o nG e o p h y s i c i s t s)出版的由Y i l m a z编写的‘S e i s m i cD a t aA n a l y s i s: P r o c e s s i n g,I n v e r s i o n,a n d I n t e r p r e t a t i o no f S e i s m i cD a t a“,即‘地震数据分析:处理二反演和解释“,在该学术专著中,有大量与煤田勘探开发密切相关的处理和分析实例三有机整合这2部教材,使课程既具有地震勘探专业课的特色,又突出了课程在煤及煤层气问题中的应用三

除此以外,对国内外国家精品课程二国家精品视频公开课二国家精品资源共享课二中国大学M O O C 和国内外重要学术论文等其他网络辅助学习手段也加以充分利用三如美国科罗拉多矿业学院(C o l o r a d o S c h o o l o fM i n e s)开设的煤田地震勘探(S e i s m i cC o a lE x p l o r a t i o n)课程十分注重在教学中将地震勘探的专业理论与煤及煤层气工程专业知识紧密结合起来,其培养的学生不仅具有扎实的专业基础知识,又具有较强的实际动手能力二分析问题和解决问题能力三

2.3优化教学内容,突出与煤及煤层气工程专业的融合

该课程作为一门专业应用课,具有很强的专业针对性和实践性,要求学生能用所学知识解决相应的

煤及煤层气勘探开发问题三而专业针对性和实践性往往是教学中容易忽视的一点,导致地震勘探基础理

论与煤及煤层气工程专业相脱节三为此,在教学内容方面,授课教师要深入理解该课程在煤及煤层气工

程专业课程体系中的重要作用,明确该课程的煤系地层应用背景,围绕为煤及煤层气工程专业服务而进行教学内容的选择和优化,形成适用于煤工系专业的地震勘探知识脉络,除讲授传统的地震勘探基础理论二地震波理论时距曲线二地震资料野外采集二地震资料数字处理和地震资料解释外,还要拓展与煤层应用紧密相关的知识结构三

如学生学习了多波地震记录后,往往不知道这与其煤层勘探有何联系三授课教师要将多波地震记录

与煤系地质特征紧密联系起来三当陷落柱(无炭柱)

二采空区和煤矸石出现时,地震记录就会变得极为复杂,此时会出现多波地震记录三授课教师就要结合实例重点讲解在地震记录上通过地震波的运动学和动力学特征识别一次反射波二多次反射波二折射波二绕射波二直达波二面波二声波和微震等不同地震波的方法三一次反射波时距曲线近似为双曲线,其主频在30~60H z 左右,直达波时距曲线为其渐近线;直达波二折射波时距曲线为直线,主频在20~50H z 范围左右;声波其特点是视速度稳定(340m /s 左

右),频率高(主频在100H z 以上)

,振幅低,延续时间长,在地震记录上呈现强而尖锐的波至;面波其传播速度略小于横波速度,在地震记录图中面波的特点是分布范围广二频率低二周期大二能量强,其能量沿垂直方向迅速衰减,沿水平方向衰减缓慢,呈发散的扫帚状;微震(风干扰)其特点是能量低二频带宽(频率在60~250H z ),无规律三这样学生就会感觉到其学习的地震勘探专业基础课与其专业应用密切相关,也能学会如何灵活运用三

另外,有针对性地召开小范围的教学研讨会,使相关课程的教师深入了解彼此的教学内容和教学要求,对知识点进行系统的归纳梳理,打通知识脉络,建立合理的课程教学内容,并结合学生的学习效果和反馈信息及时进行调整和优化教学内容,使各门课的知识点之间紧密衔接二环环相扣二相辅相成,避免重复教学和难以衔接三

2.4 采用多样化教学方法,提高教学效果

教学方法的一般特点包括多样性和整体性[4~6],在‘地震勘探“的教学中,尤其要注重教学方法的多样性,具体包括以下5方面三

1)采用启发式和互动式教学 针对该课程对数理基础要求高二公式推导多的特点,在教学方法上可较多采用启发式和互动式教学,以提高学生的参与度三引导学生自主进行部分公式的推导,以加深理解和记忆三在授课的过程中,尽可能设置一系列问题,引导学生分析思考地震勘探公式的基本原理二物理含义以及推导过程中的技巧和容易忽略的因素,加强课堂的互动性,注重培养学生积极主动分析问题和解决问题的能力三

2)黑板板书和多媒体有机结合 在讲授的过程中,在公式推导部分可多利用板书,在黑板上推导的过程中注意与学生沟通和互动,带动学生思考,使学生紧跟上老师的思路,形成师生互动三对于公式推导,板书方式比多媒体方式更易于让学生理解和接受三然而在讲解地震子波二一个反射波记录道在煤层中形成的物理过程二大地滤波作用对纵向分辨率的影响或煤层中槽波传播的波场特征等内容时,利用多媒体进行动画展示具有传统板书无法比拟的优势,其更直观二形象二生动,更易于学生理解和接受三因而在授课中应根据课程的内容特点将黑板板书和多媒体有机结合,充分利用各自的优势,以达到最佳教学效果三

3)进行 前情提要 和课堂提问 针对课程具有连贯性强的特点,在每次课开始时可将上次课的核心内容做一个整体简要回顾,在巩固知识的同时也加强了知识点的衔接性三除此之外,还应结合课堂提问了解学生的理解程度,随时调整讲课的节奏和进度,对难点进行深入讲解三

4)定期对重点作业进行讲解和安排辅导答疑 对课程的重点环节布置一定量的作业,如地震波不同速度的计算二佐普利兹方程的编程与分析二槽波频散曲线的绘制等,使学生及时复习所学知识,授课教师要认真批改作业,从作业中了解学生对知识的掌握程度,发现薄弱环节三针对大部分同学未能掌握和理解的内容,在课堂上要再次进行深入讲解分析三鉴于课程难度较大二概念抽象的特点,该课程要特别注重多安排课下的答疑环节,以便对学生的问题给予及时解答与帮助,使学生及时跟上教学进度,不因对某个问题的疑惑而影响后续的学习三

5)利用网络资源作为辅助教学方法 在每次上课之前要求学生通过国内外国家精品课程(如长江大学毛宁波教授主讲的‘地震勘探原理“)二国家精品视频公开课(如长江大学毛宁波教授主讲的‘透

视地下油藏 找寻石油的地震方法“)二国家精品资源共享课(如长江大学毛宁波教授主讲的‘地震

四57四第12卷第16期宋先海:面向煤及煤层气工程专业的‘地震勘探“课程教学研究

四67四理工上旬刊*理工学教育2015年6月勘探原理“二中国地质大学张玉芬教授主讲的‘地球物理勘探概论“)二中国大学MO O C等丰富的网络资源进行提前自学和预习,这样学生在课堂中听课时就会带着问题有针对性地进行学习,提高学生的自学能力和教学效果三

2.5完善教学条件,增加教学实践环节

地震勘探是地球物理与空间信息学院学科优势方向三近年来,通过仪器设备修缮购置项目和优势学科创新平台建设的大力投入,引进了国内外多套先进的地震勘探仪器设备和工作站,已建成了湖北省地球内部多尺度成像重点实验室二地球物理实验室二地震波超声模拟实验室和地震资料处理与解释实验室三这些重要的实验室二先进的地震勘探设备和工作站为该课程提供了良好的教学条件和硬件支撑,为增加教学实践环节提供了保证三

如在增加实践教学环节方面,为培养学生野外资料采集能力二分析问题和解决问题能力,笔者首先利用反射波正演模拟软件,给学生们模拟演示和讲解了地震地质模型的建立二多次覆盖观测系统设计方法和正演模拟产生了多炮多次覆盖地震记录,用以模拟野外实际采集过程,并给学生们演示了反射波地震资料整个处理与解释的常规流程;其次,让每位同学利用电脑按老师讲解的方法自己亲自动手设计地质模型二多次覆盖观测系统,并正演模拟产生多炮多次覆盖理论地震记录,同时对其模拟产生的地震记录进行处理解释,让学生们对野外整个采集过程和地震记录处理解释有个初步的认识;然后,结合学院地震勘探仪器实验室和资料处理与解释实验室教学资源,让学生们参观了地震仪器设备实验室和资料处理工作站,并结合实物讲解了美国G E O D E地震采集仪二不同频率地震检波器二地震采集电缆的性能指标二仪器连接及注意事项,随后在实验室的配合下在中国地质大学附近的南望山树林里带领学生们分组进行了现场踏勘二测线布置和实测地震资料的采集;最后,每个班都以小组为单位将其采集的各条测线地震资料进行二维和拟三维地震构造解释;最后进行分组讨论自己的心得体会二感想认识和存在的问题三实践教学环节中将以学生为主体,教师提供辅助和引导,这样不仅可锻炼学生的实践动手能力,还能充分激发学生的学习兴趣三

2.6检查教学效果,不断总结教学经验

为了检查和保证教师 教 和学生 学 的效果,培养学生实际应变能力和动手能力,教师可通过课堂考勤(10%)二课堂回答问题(10%)二课后作业(10%)二教学实践参与积极性(10%)二实验报告(10%)二口试测验(10%)和期末考试(40%)等多种方式来检查和评价教学效果三在第1节 绪论 和平时课堂教学中,教师就可把考核方式告诉学生,从而让学生上课按时出勤;课堂通过预习和复习积极回答问题;课后认真完成作业;积极参加教学实践,努力编写实验报告;有效地把握重要的概念二定理二原理和知识点,完成口试测验和期末考试三该评价方式更加注重学生学习的过程监控,避免出现学生平时不注意学习二考前突击的情况,从而有效培养学生学习的积极性二主动性和创造性三

3结语

‘地震勘探“作为一门面向煤及煤层气工程专业的课程,除具有常规‘地震勘探“课程特点外,还具有其特殊的煤及煤层气工程专业要求三为此,中国地质大学地球物理与空间信息学院近年来加强了教学组教师队伍建设,提高了教师国际视野和综合素质;调整和优化了教学内容,突出了与煤及煤层气工程专业的融合;采用了多样化的教学方法,提高了教学效果;完善了教学条件,增加了教学实践环节;通过教学效果检查,不断总结教学经验三同时,教师和学生也充分利用校内外国家精品课程二国家精品视频公开课二国家精品资源共享课和中国大学MO O C等网络资源作为补充,不断提高教学效果,努力培养学生独立分析问题和解决问题的能力三

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[编辑]辛长静