MATLAB在地球物理專業(yè)《磁法勘探》課程教學(xué)中的應(yīng)用

馬歡 郭越 吳萍萍 賈建鵬

摘要：《磁法勘探》是一門理論性和實踐性較強的地球物理專業(yè)課程。由于課程內(nèi)容抽象，不易理解，如果僅通過理論課程很難系統(tǒng)地認(rèn)識磁法勘探和數(shù)據(jù)處理過程，所以本研究將計算機軟件MATLAB融入本課程教學(xué)中，不僅加深學(xué)生對理論知識的理解，更能培養(yǎng)學(xué)生編寫代碼、數(shù)據(jù)處理和解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：地球物理;磁法勘探;MATLAB

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）21-0186-02

一、《磁法勘探》課程教學(xué)難點

在《磁法勘探》課程教學(xué)中，部分理論公式推導(dǎo)復(fù)雜，而且地磁場內(nèi)容較抽象。因此，在教學(xué)過程中會遇到以下難點：

1.概念抽象?！洞欧碧健氛n程中涉及到地球磁場、磁力儀與磁測工作方法、磁異常的處理、解釋及應(yīng)用等知識點，表現(xiàn)為概念多且抽象。比如課程教學(xué)中涉及地磁要素和磁化率的概念，任意一點的地磁場是矢量，巖石的磁化率為張量。對于剛接觸專業(yè)課的大學(xué)生來說，對這類概念的理解是非常困難的。

2.公式推導(dǎo)復(fù)雜?！洞欧碧健氛n程有關(guān)磁異常的處理部分采用數(shù)學(xué)解析或數(shù)值模擬方法計算其磁場多參量，分析研究其空間分布特征。比如空間域和頻率域磁異常的公式推導(dǎo)就涉及到求偏導(dǎo)、傅里葉變換、矩陣的乘積運算等數(shù)學(xué)物理理論基礎(chǔ)知識。所以在開始學(xué)習(xí)《磁法勘探》課程之前，需要學(xué)習(xí)大量的基礎(chǔ)課程。比如《高等數(shù)學(xué)》、《線性代數(shù)》、《概率論與統(tǒng)計》、《復(fù)變函數(shù)與積分變換》、《大學(xué)物理》、《數(shù)學(xué)物理方程》、《數(shù)字信號處理》等課程。同樣，這些基礎(chǔ)課程內(nèi)容也是抽象的。如果對這些基礎(chǔ)知識掌握不牢固，將更難理解《磁法勘探》中的數(shù)學(xué)物理過程，從而不利于學(xué)生在課程教學(xué)活動中接受新知識。

二、《磁法勘探》課程教改嘗試

1.MATLAB簡介。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于數(shù)據(jù)可視化、算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，目前已成為國內(nèi)外科研工作的主流軟件。MATLAB的主要優(yōu)點有：（1）界面友好，程序調(diào)試方便，易于學(xué)習(xí)和掌握。（2）庫函數(shù)豐富，且功能強大，調(diào)用簡單，這就使得使用者不必再像C語言和Fortran語言那樣編寫各種冗長的子程序。例如，求解磁位過程中的解線性方程組，在MATLAB中只需一個命令調(diào)用函數(shù)即可，簡化了程序的編寫。（3）具備圖形處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化，不但可以繪制各種各樣的曲線、曲面、圖表，而且還可以制作動畫。雖然MATLAB與C語言和FORTRAN等基礎(chǔ)語言相比，其計算效率不高，但在《磁法勘探》課程的教學(xué)過程中所需要的程序計算量往往很小，低配置的計算機也只需要數(shù)秒鐘，因此不會帶來問題。目前，國內(nèi)很多大學(xué)已有大量教學(xué)工作者將MATLAB應(yīng)用于課堂教學(xué)和實踐教學(xué)[1-3]。

2.引入MATLAB軟件，加深對相關(guān)概念和公式理解。MATLAB廣泛應(yīng)用于仿真模擬、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)清洗、圖形處理等科研領(lǐng)域，將其引入到《磁法勘探》的課堂教學(xué)中，學(xué)生可以利用該軟件編寫代碼實現(xiàn)磁異常公式，分析不同幾何形狀或磁化方向地下介質(zhì)的磁異常分布特征，也可以使用該軟件處理實測數(shù)據(jù)。例如：實現(xiàn)日變校正等實測數(shù)據(jù)的整理計算、利用MATLAB成圖分析各磁力儀的一致性。課堂中融入MATLAB，將理論與實際相結(jié)合，有助于學(xué)生深入理解所學(xué)概念和理論公式。

三、MATLAB在《磁法勘探》課程中的應(yīng)用

1.磁力儀一致性實驗。動態(tài)一致性實驗是為了測試多臺儀器在同一測點上的一致性，舍棄一致性較差的磁力儀，以保證后續(xù)測量任務(wù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。例如：磁力儀一致性實驗中，使用4臺磁力儀依次在40個點進行地磁場測量，再通過MATLAB軟件導(dǎo)入測量的地磁場數(shù)據(jù)，并繪制每臺磁力儀的數(shù)據(jù)曲線進行比對。如圖1（a）所示，其橫坐標(biāo)為點號，縱坐標(biāo)為測量的地磁場數(shù)據(jù)，圖例為儀器編號。就圖1（a）中4條曲線來看，C-C儀器在12號點數(shù)據(jù)一致性較差，PM-3-2儀器在15和35號點一致性較差?？梢钥闯?，通過在課堂上學(xué)習(xí)MATLAB繪圖，不僅將課堂理論知識加以鞏固，而且還能對磁法勘探一致性實驗有感性的認(rèn)識，更有可能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.球體磁異常特征分析。磁異常特征分析是《磁法勘探》課程中的重點和難點，這部分運用數(shù)理知識較多，公式復(fù)雜，不容易理解[4]。在這部分利用MATLAB繪制磁異常圖，以增加學(xué)生對規(guī)則形體磁異常特征的感性認(rèn)識。例如：利用MATLAB編寫代碼實現(xiàn)規(guī)則形體的Za磁異常正演數(shù)值模擬。首先通過MATLAB編程實現(xiàn)Za磁異常公式，得到Za磁異常正演模擬結(jié)果，再調(diào)用MATLAB繪圖函數(shù)得到Za磁異常等值線平面圖。假設(shè)在地下均勻半空間介質(zhì)中放置一個球形磁異常體，埋深15m，磁化方向中偏角和傾角都是45°。Za磁異常等值線平面圖如圖1（b）所示，等值線特征表現(xiàn)為等軸狀，負(fù)異常值包圍著正異常值。這樣在課堂上融入MATLAB，讓學(xué)生自己動手動腦進行MATLAB編程，不僅能鞏固課堂理論知識，而且還能對磁異常正演模擬有更深刻的認(rèn)識和把握。

四、結(jié)論

隨著社會、計算機科學(xué)技術(shù)發(fā)展，教學(xué)僅僅停留在書本上顯得效果不佳。就地球物理專業(yè)《磁法勘探》課程概念抽象、公式復(fù)雜的特性而言，需要一種有效的手段輔助理論課程教學(xué)，讓學(xué)生更容易理解本課程的理論知識。MATLAB作為一種計算機編程軟件，相比其他編程軟件功能多，函數(shù)調(diào)用簡單，而且學(xué)習(xí)方便。在《磁法勘探》的課程中融入MATLAB，讓學(xué)生動手學(xué)習(xí)MATLAB代碼編寫，既能鍛煉計算機編程能力，又可以鞏固理論課知識。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐少芳.MATALB在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].亞太教育，2016，（13）：120.

[2]曹玉東，孫福明，王冬霞.數(shù)字圖像處理與MATLAB互補教學(xué)模式實踐[J].課程教育研究（新教師教學(xué)），2015，（18）：29.

[3]鄭晶，姜天琪，姜喆.基于matlab的數(shù)字信號處理軟件平臺在地球物理學(xué)科教學(xué)中的嘗試與探索[J].教育教學(xué)論壇，2014，（42）：267-268，262.

[4]管志寧.地磁場與磁力勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.