電法探測(cè)物理模擬教學(xué)

1、電法探測(cè)物理模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理工科專業(yè)教學(xué)中非常重要的內(nèi)容，其主要目的是為了加深學(xué)生對(duì)書本知識(shí)的理解，將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐能力。地球物理專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，課堂教學(xué)以書本為主，注重基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)的傳授，對(duì)這些基本理論和概念進(jìn)行講解時(shí)，用到大量的數(shù)學(xué)物理知識(shí)，并且有非常多的復(fù)雜公式推導(dǎo)、方程求解以及物理參數(shù)的物理含義的理解等問題，學(xué)生對(duì)這些問題會(huì)覺得比較枯燥。如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)地球物理課程的興趣，使學(xué)生能輕松地掌握專業(yè)知識(shí)，是我們?cè)诮虒W(xué)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(xué)的同時(shí)，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了有益的改革探索，取得了可喜的成效。近年來隨著學(xué)校對(duì)實(shí)

2、驗(yàn)教學(xué)儀器的支持，地球物理儀器設(shè)備逐步完善，在此基礎(chǔ)上，筆者申請(qǐng)了同濟(jì)大學(xué)第6期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目“地球物理電法物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)”并得到資助，通過該項(xiàng)目的建設(shè)展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高了課程教學(xué)效果，并在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新能力上取得了成效。 一、基于相似性原理的電法探測(cè)物理模擬實(shí)驗(yàn)建設(shè) 1.電法探測(cè)物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似性原理電法探測(cè)研究的對(duì)象是被探測(cè)的地下目標(biāo)地質(zhì)體，而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不能對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，這就需要先設(shè)計(jì)1個(gè)與所研究的地電現(xiàn)象相類似的模型，然后通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)和觀察，間接地了解被研究的現(xiàn)象。這種模擬實(shí)驗(yàn)是根據(jù)相似性原理，用模型來代替被研究的對(duì)象，將實(shí)驗(yàn)手段（儀器設(shè)備等）直接作用于設(shè)

3、計(jì)的模型。在電法探測(cè)物理模擬實(shí)驗(yàn)中的“相似性原理”是指所用模型和裝置的幾何參數(shù)及電性參數(shù)與實(shí)際條件下的參數(shù)之間應(yīng)保持一定的比例關(guān)系，使得模型或者模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合較好。在該模擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)中，主要考慮傳導(dǎo)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(jiǎn)單的相似關(guān)系，也就是模型和實(shí)際原型之間的幾何參數(shù)（現(xiàn)狀、大小、埋深等）的關(guān)系與電性參數(shù)的關(guān)系是彼此獨(dú)立的，并且是各自線性的，這類模擬實(shí)驗(yàn)做起來相對(duì)感應(yīng)類電法探測(cè)來說就容易多了。 2.基于相似性原理的電法探測(cè)物理模擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)建設(shè)主要是建立傳導(dǎo)類電法模擬實(shí)驗(yàn)中的水槽模型試驗(yàn)、土（砂）槽模型實(shí)驗(yàn)以及導(dǎo)電紙模型實(shí)驗(yàn)3個(gè)實(shí)驗(yàn)方法。

4、（1）水槽模型實(shí)驗(yàn)。水槽模型實(shí)驗(yàn)是常用的一種模擬實(shí)驗(yàn)方法，主要用來解決三度體的問題。在水槽模擬實(shí)驗(yàn)中，通常用水做均勻介質(zhì)來模擬均勻圍巖。模擬引起異常的地質(zhì)體時(shí)，用金屬或石墨模擬各種形狀的良導(dǎo)體，用環(huán)氧樹脂、有機(jī)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(diǎn)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(zhì)中埋有良導(dǎo)體和不良導(dǎo)體的情況。 （2）土（砂）槽模型實(shí)驗(yàn)。土（砂）槽模型實(shí)驗(yàn)可以用于研究三度導(dǎo)電空間中場(chǎng)的分布、特別是要求構(gòu)筑地形起伏時(shí)土槽模型實(shí)驗(yàn)優(yōu)于水槽模型實(shí)驗(yàn)的情況。可以在土砂中埋設(shè)金屬良導(dǎo)體以及不良導(dǎo)體的介質(zhì)，通過儀器來測(cè)量，

5、并可以考慮不同地形和電阻率對(duì)比差異下的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 （3）導(dǎo)電紙模型實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)電紙模型模擬實(shí)驗(yàn)主要是用于二度地電斷面模擬實(shí)驗(yàn)，也是一種簡(jiǎn)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(chǎng)源也是二度的。導(dǎo)電紙上的一個(gè)點(diǎn)代表垂直于導(dǎo)電紙的無限長(zhǎng)的一條線；導(dǎo)電紙上的一條線代表垂直導(dǎo)電線的無限長(zhǎng)的一個(gè)面；導(dǎo)電紙上的一塊有限面積代表垂直導(dǎo)電紙走向無限長(zhǎng)的一個(gè)柱體；導(dǎo)電紙上的一個(gè)點(diǎn)電極，實(shí)質(zhì)上是一無限長(zhǎng)的線電極。模擬不導(dǎo)電礦體時(shí)，可在礦體位置處將導(dǎo)電紙截面挖空即可；模擬理想良導(dǎo)礦體時(shí)，用錫箔紙或銅片貼壓在預(yù)定位置；模擬有限電阻率礦體時(shí)，可用導(dǎo)電紙疊層的辦法。水槽和土（砂）槽的模擬實(shí)驗(yàn)中，先對(duì)純

6、水和土進(jìn)行觀測(cè)，然后在水和土中放入不同的模擬異常體進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)比兩種情況下的差異，讓學(xué)生對(duì)異常的概念有直觀的認(rèn)識(shí)。通過這三組模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，初步熟悉了電法探測(cè)的野外工作，積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為日后應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。 二、模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施 1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與開放性實(shí)驗(yàn)結(jié)合目前我們電法探測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有兩大類的實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中堅(jiān)持這兩種教學(xué)方式結(jié)合，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)，主要是驗(yàn)證課堂講授的理論知識(shí)，同時(shí)鍛煉學(xué)生的實(shí)踐技能，如課堂講授的對(duì)稱四極測(cè)深知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中我們用水槽、土（砂）槽模擬來埋設(shè)放置不同深度的異常體，讓

7、學(xué)生來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)驗(yàn)證課堂知識(shí)。而開放性實(shí)驗(yàn)則是有學(xué)生主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備與耗材、實(shí)驗(yàn)步驟等，如電磁場(chǎng)理論中講到場(chǎng)的分布時(shí)我們通過適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，有學(xué)生設(shè)計(jì)了用導(dǎo)電紙實(shí)驗(yàn)來模擬直流電場(chǎng)的分布，取得了很好的效果。當(dāng)然開放性實(shí)驗(yàn)中為了確保儀器的合理安全使用，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施必須有教師的指導(dǎo)和評(píng)價(jià)。 2.組織與實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程涉及方方面面的工作，有理論課教師教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課教師的銜接，有學(xué)生自己的準(zhǔn)備工作，還有實(shí)驗(yàn)儀器與場(chǎng)地準(zhǔn)備。教師的理論教學(xué)是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，無論是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)還是開放性實(shí)驗(yàn)都是依據(jù)理論知識(shí)來設(shè)計(jì)的。常規(guī)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一般由教師來設(shè)定實(shí)驗(yàn)

8、內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求非常明確，并由教師來制訂實(shí)驗(yàn)規(guī)范、考查評(píng)價(jià)方法，通過教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的考評(píng)來檢驗(yàn)效果。開放性的實(shí)驗(yàn)則只是在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的各方面內(nèi)容，教師只是起到參謀的作用，給學(xué)生提建議，給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果我們通過答辯的形式來進(jìn)行考核，教師給出相應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)和改進(jìn)的建議和措施，學(xué)生在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)流程。從學(xué)生的角度來看，要求他們?cè)谥R(shí)和技能上有較充分的準(zhǔn)備，對(duì)專業(yè)理論知識(shí)有深入掌握，能理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的性能和具體安全操作流程，在實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)于這些知識(shí)要有全面的準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)

9、果要有詳細(xì)的記錄和綜合分析，并寫出綜合實(shí)習(xí)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與場(chǎng)地準(zhǔn)備方面由實(shí)驗(yàn)室來操作，包括需要的實(shí)驗(yàn)儀器與耗材、水、電、場(chǎng)所、物理模擬的模型。目前筆者所在學(xué)院正在建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，地球物理教學(xué)儀器設(shè)備也在國(guó)家“985”項(xiàng)目的支持下逐步完善起來，已經(jīng)擁有直流電法、激發(fā)電法、感應(yīng)類電法的相關(guān)儀器設(shè)備，完全能支持基于相似性原理的電法探測(cè)物理模擬實(shí)驗(yàn)的展開。 三、模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效 該項(xiàng)目通過1年多的建設(shè)，在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新能力等方面取得了明顯的效果。 1.學(xué)生能力培養(yǎng)方面實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身的出發(fā)點(diǎn)就是培養(yǎng)學(xué)生的能力，通過對(duì)實(shí)際問題的思考和實(shí)際操作，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，特別是突破理論知識(shí)的

10、框架去處理實(shí)際工作中遇到各種問題的應(yīng)變能力和創(chuàng)造能力。理論教學(xué)中注重知識(shí)的傳授，而實(shí)驗(yàn)主要是訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，觀測(cè)地球物理現(xiàn)象并分析引起這種現(xiàn)象的原因和觀測(cè)的結(jié)果，從而加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。我們電法探測(cè)物理模擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)均有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，提供了實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，這類實(shí)驗(yàn)主要是鍛煉學(xué)生實(shí)際動(dòng)手和操作能力。而開放性的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自己去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等，是一種知識(shí)的綜合運(yùn)用，能很好地鍛煉學(xué)生的綜合分析問題、解決問題和創(chuàng)新的能力。項(xiàng)目建設(shè)過程中，有3位同學(xué)申請(qǐng)了學(xué)院和學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，這些創(chuàng)新項(xiàng)目都是在該物理模擬實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)下來

11、完成的，他們項(xiàng)目過程完全按照開放性模擬實(shí)驗(yàn)的模式來進(jìn)行，目前這些學(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)目都已經(jīng)結(jié)題，得到了很好的評(píng)價(jià)，學(xué)生在知識(shí)的綜合運(yùn)用能力、綜合分析和解決問題的能力、創(chuàng)新能力等方面都有很大的提高。其中1位同學(xué)2011年年底又獲得了學(xué)校創(chuàng)新項(xiàng)目新的資助，將繼續(xù)在該平臺(tái)上開展創(chuàng)新項(xiàng)目的研究。 2.模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂效果目前我們已經(jīng)完成電法探測(cè)物理模擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)的水槽模型、土（砂）模型和導(dǎo)電紙模型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟以及數(shù)據(jù)記錄表格等。這些實(shí)驗(yàn)都在涉及的幾門課程中為學(xué)生提供了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如“位場(chǎng)與電磁波理論”、“電磁學(xué)與探測(cè)方法”、“地球物理概論”以及“環(huán)境與工程地球物理”等課程，取得了很好的教學(xué)效果。如“位場(chǎng)與電磁波理論”，我們通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行導(dǎo)電紙模型的開放性實(shí)驗(yàn)來模擬電場(chǎng)的分布，對(duì)于“電磁學(xué)與探測(cè)方法”的直流電測(cè)深的很多內(nèi)容，通過水槽模型和土（砂）槽模型等的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來加深學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的理解。尤其是“地球物理學(xué)概論”，該課程學(xué)校已經(jīng)立項(xiàng)進(jìn)行課程改革，根據(jù)學(xué)?！白吭秸n程行動(dòng)計(jì)劃”要求，我們探索推行啟發(fā)式、探究式、討論式、案例式、參與式、小班制等教學(xué)傳授方式，由于學(xué)生沒有地球物理的專業(yè)基礎(chǔ)，因此在探究式的教學(xué)板塊中，由教師適當(dāng)指導(dǎo)，學(xué)生自行設(shè)計(jì)探究式的開放性實(shí)驗(yàn)，通過這些實(shí)驗(yàn)，大大增強(qiáng)了