基于相似性原理的電法探測物理模擬實驗教學(xué)

張新兵，于 鵬，吳健生

同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092

基于相似性原理的電法探測物理模擬實驗教學(xué)

張新兵，于 鵬，吳健生

同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092

摘 要：地球物理電法探測是實踐性很強(qiáng)的課程，實驗教學(xué)是其重要內(nèi)容之一。本文主要討論電法探測實驗教學(xué)建設(shè)的重要性、基于相似性原理物理模擬的主要內(nèi)容和經(jīng)驗，并探析了其在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮的作用。

關(guān)鍵詞：相似性原理；電法探測；物理模擬；實驗教學(xué)

實驗教學(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)生對書本知識的理解，將理論知識轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)識和實踐能力。地球物理專業(yè)是實踐性很強(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)知識的傳授，對這些基本理論和概念進(jìn)行講解時，用到大量的數(shù)學(xué)物理知識，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)生對這些問題會覺得比較枯燥。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，是我們在教學(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，我們對實驗教學(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)校對實驗教學(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，筆者申請了同濟(jì)大學(xué)第6期實驗教學(xué)改革項目“地球物理電法物理模擬實驗教學(xué)建設(shè)”并得到資助，通過該項目的建設(shè)展開實驗教學(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物理模擬實驗建設(shè)

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(biāo)地質(zhì)體，而在實驗室內(nèi)不能對研究對象進(jìn)行直接實驗，這就需要先設(shè)計1個與所研究的地電現(xiàn)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(xiàn)象。這種模擬實驗是根據(jù)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(shè)備等）直接作用于設(shè)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(shù)及電性參數(shù)與實際條件下的參數(shù)之間應(yīng)保持一定的比例關(guān)系，使得模型或者模擬實驗結(jié)果與實際結(jié)果吻合較好。在該模擬實驗建設(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）中存在比較簡單的相似關(guān)系，也就是模型和實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，這類模擬實驗做起來相對感應(yīng)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(shè)內(nèi)容

本實驗建設(shè)主要是建立傳導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)來模擬均勻圍巖。模擬引起異常的地質(zhì)體時，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）槽模型實驗。

寶石的產(chǎn)地同時也決定了寶石的價值，在彩色寶石的鑒定證書里特意標(biāo)明產(chǎn)地一欄，可見產(chǎn)地對于寶石的重要。藍(lán)寶石的產(chǎn)地在中國昌樂、泰國、斯里蘭卡、馬達(dá)加斯加、老撾、柬埔寨，其中最稀有的產(chǎn)地應(yīng)屬于克什米爾地區(qū)。下面小編為您介紹幾個主要的藍(lán)寶石產(chǎn)地。

土（砂）槽模型實驗可以用于研究三度導(dǎo)電空間中場的分布、特別是要求構(gòu)筑地形起伏時土槽模型實驗優(yōu)于水槽模型實驗的情況?？梢栽谕辽爸新裨O(shè)金屬良導(dǎo)體以及不良導(dǎo)體的介質(zhì)，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(jié)果。

（3）導(dǎo)電紙模型實驗。

導(dǎo)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(dǎo)電紙上的一個點(diǎn)代表垂直于導(dǎo)電紙的無限長的一條線；導(dǎo)電紙上的一條線代表垂直導(dǎo)電線的無限長的一個面；導(dǎo)電紙上的一塊有限面積代表垂直導(dǎo)電紙走向無限長的一個柱體；導(dǎo)電紙上的一個點(diǎn)電極，實質(zhì)上是一無限長的線電極。模擬不導(dǎo)電礦體時，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，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，可用導(dǎo)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(jìn)行觀測，然后在水和土中放入不同的模擬異常體進(jìn)行觀測，對比兩種情況下的差異，讓學(xué)生對異常的概念有直觀的認(rèn)識。通過這三組模擬實驗，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了感性認(rèn)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(jīng)驗，為日后應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

二、模擬實驗教學(xué)實施

1.驗證性實驗與開放性實驗結(jié)合

目前我們電法探測實驗教學(xué)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(xué)中堅持這兩種教學(xué)方式結(jié)合，驗證性實驗是基礎(chǔ)，主要是驗證課堂講授的理論知識，同時鍛煉學(xué)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(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，讓學(xué)生來進(jìn)行實驗觀測驗證課堂知識。而開放性實驗則是有學(xué)生主導(dǎo)的實驗，由學(xué)生自己設(shè)計實驗內(nèi)容，包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗所需的儀器設(shè)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(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，有學(xué)生設(shè)計了用導(dǎo)電紙實驗來模擬直流電場的分布，取得了很好的效果。當(dāng)然開放性實驗中為了確保儀器的合理安全使用，實驗的設(shè)計和實施必須有教師的指導(dǎo)和評價。

2.組織與實施

實驗教學(xué)的過程涉及方方面面的工作，有理論課教師教學(xué)與實驗課教師的銜接，有學(xué)生自己的準(zhǔn)備工作，還有實驗儀器與場地準(zhǔn)備。

從學(xué)生的角度來看，要求他們在知識和技能上有較充分的準(zhǔn)備，對專業(yè)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(shè)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(zhǔn)備。實驗中出現(xiàn)的各種實驗現(xiàn)象和結(jié)果要有詳細(xì)的記錄和綜合分析，并寫出綜合實習(xí)報告。

實驗儀器設(shè)備與場地準(zhǔn)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(xué)院正在建設(shè)實驗室，地球物理教學(xué)儀器設(shè)備也在國家“985”項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物理模擬實驗的展開。

三、模擬實驗教學(xué)的成效

該項目通過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

實驗教學(xué)本身的出發(fā)點(diǎn)就是培養(yǎng)學(xué)生的能力，通過對實際問題的思考和實際操作，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的框架去處理實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)中注重知識的傳授，而實驗主要是訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識，觀測地球物理現(xiàn)象并分析引起這種現(xiàn)象的原因和觀測的結(jié)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(shè)中的驗證性實驗均有詳細(xì)的實驗指導(dǎo)，提供了實驗原理、實驗?zāi)康摹嶒灧椒ê蛯嶒灢襟E，這類實驗主要是鍛煉學(xué)生實際動手和操作能力。而開放性的實驗要求學(xué)生自己去設(shè)計實驗內(nèi)容、實驗原理、實驗步驟等，是一種知識的綜合運(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。

項目建設(shè)過程中，有3位同學(xué)申請了學(xué)院和學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新項目，這些創(chuàng)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(jìn)行，目前這些學(xué)生的創(chuàng)新項目都已經(jīng)結(jié)題，得到了很好的評價，學(xué)生在知識的綜合運(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)新項目新的資助，將繼續(xù)在該平臺上開展創(chuàng)新項目的研究。

2.模擬實驗教學(xué)的課堂效果

目前我們已經(jīng)完成電法探測物理模擬實驗建設(shè)的水槽模型、土（砂）模型和導(dǎo)電紙模型的實驗設(shè)計，包括實驗原理、實驗步驟以及數(shù)據(jù)記錄表格等。這些實驗都在涉及的幾門課程中為學(xué)生提供了實驗教學(xué)，如“位場與電磁波理論”、“電磁學(xué)與探測方法”、“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驗來模擬電場的分布，對于“電磁學(xué)與探測方法”的直流電測深的很多內(nèi)容，通過水槽模型和土（砂）槽模型等的驗證性實驗來加深學(xué)生對課堂理論知識的理解。尤其是“地球物理學(xué)概論”，該課程學(xué)校已經(jīng)立項進(jìn)行課程改革，根據(jù)學(xué)校 “卓越課程行動計劃”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)計探究式的開放性實驗，通過這些實驗，大大增強(qiáng)了他們對專業(yè)課程的興趣。

另外該實驗平臺在2011年暑假高中學(xué)生的夏令營中也發(fā)揮了作用，期間創(chuàng)新項目組的同學(xué)給高中學(xué)生演示了部分實驗，激發(fā)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(xué)建設(shè)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(xué)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(yīng)教學(xué)要求。

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中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-9372 （2012）02-0064-03

收稿日期：2012-03-19。

基金項目：同濟(jì)大學(xué)實驗教學(xué)改革專項基金項目“地球物理電法物理模擬實驗教學(xué)建設(shè)”。

作者簡介：張新兵，男，講師，主要從事地球物理數(shù)據(jù)處理與綜合解釋研究工作。

Experimental Teaching Exploration of Physical Simulation in Electricity Prospecting Based on Similarity Principle

ZHANG Xin-bing, YU Peng, WU Jian-sheng
Tongji University, shanghai 200092, China

Abstract:Electricity Prospecting is a practical class, and experimental teaching is the important content. The paper discuss the importance, the main content and experience of experimental teaching of physical simulation in electricity prospecting based on similarity principle. We also probe its effect in training students’ integration capability and innovation ability.

Key words:similarity principle; electricity prospecting; physical simulation; experimental teaching