大學(xué)課程可視化對比教學(xué)的探索

胡明順 董守華 潘冬明 黃亞平

[摘 要]采用抽象概念可視化教學(xué)的措施，可以讓學(xué)生的思維可視化，并對容易混淆的概念進(jìn)行對比，以幫助學(xué)生在短時間里準(zhǔn)確地理解概念的本質(zhì)屬性。文章以地震勘探資料數(shù)據(jù)處理課程中的“動校正”和“靜校正”這兩個較抽象概念為例，介紹了可視化對比教學(xué)的過程設(shè)計及其教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]抽象概念;可視化教學(xué);對比教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）09-0087-03

從狹義上說，可視化教學(xué)是指將抽象難以理解的概念，利用一系列連續(xù)動態(tài)圖形顯示的方法，把本來不可見的思維呈現(xiàn)出來，直觀清晰地刻畫其本質(zhì)含義的一個過程[1-2]。從廣義上說，可以將可視化教學(xué)理解為增加學(xué)生“看”的比重，讓學(xué)生從單純的以“聽”為主過渡到“聽看”結(jié)合。這樣更加有利于對知識難點的理解和記憶，有效提高信息加工及信息傳遞的效能，因此，可視化教學(xué)是一種有效教學(xué)策略[1]。

開展可視化教學(xué)需要教師課前做大量的教學(xué)準(zhǔn)備工作，利用先進(jìn)的可視化軟硬件及相關(guān)專業(yè)軟件，將課程難點進(jìn)行分析、設(shè)計并制作成可視化視頻或動畫教學(xué)資源[3]。這要求教師必須對某個概念在充分理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行拆分設(shè)計，才能打造出富有邏輯、簡單易懂的圖示過程。實際上，這與虛擬仿真技術(shù)十分類似。一般地，虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)通常還需專業(yè)的動畫制作公司參與，建設(shè)成本較高，但在實踐課程教學(xué)中非常有意義[4]。在一般的課程課堂教學(xué)中，教師利用課程相關(guān)專業(yè)軟件和多媒體制作軟件，便能制作出較好的可視化教學(xué)材料[5]。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

中國礦業(yè)大學(xué)地震勘探資料數(shù)據(jù)處理課程是地球物理學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)本科主干課，是地震勘探系列課程的關(guān)鍵課程，在地震勘探三大環(huán)節(jié)中起著承上啟下的橋梁作用。地震勘探資料數(shù)據(jù)處理課程主要講述反射地震數(shù)據(jù)常規(guī)處理的基本方法、原理及具體算法，包括地震數(shù)據(jù)的預(yù)處理、反褶積、速度分析、動校正和靜校正、水平疊加和偏移成像，并引導(dǎo)學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，了解地震數(shù)據(jù)處理在地震勘探三大環(huán)節(jié)中的重要橋梁作用，深刻理解地震數(shù)據(jù)處理的目的和意義，掌握常規(guī)反射地震數(shù)據(jù)處理的流程和主要處理技術(shù)的算法原理。

該課程涉及大量較為抽象、較難理解或容易混淆的概念，以往大都采用數(shù)理推導(dǎo)的方式進(jìn)行概念的講解，取得的效果并不佳。本文依托教改項目，探索了應(yīng)用可視化對比教學(xué)的手段，對地震勘探資料數(shù)據(jù)處理課程中“動校正”和“靜校正”這兩個較難理解且容易混淆的概念進(jìn)行較為有效的教學(xué)設(shè)計。

二、“動校正”和“靜校正”的定義

大多數(shù)地震數(shù)據(jù)處理的教材和文獻(xiàn)認(rèn)為：對反射地震數(shù)據(jù)，由于炮檢距的存在，使得反射波存雙程時與零炮檢距地震道的反射波雙程時存在一個時間差，這個時間差通常稱為正常時差，將非零炮檢距正常時差消除的過程稱為動校正[6]。而消除近地表地形、井深和低降速帶等速度橫向變化引起的反射波旅行時差，消除這些時差，使反射波恢復(fù)雙曲線形態(tài)的過程稱為靜校正[6]。如果僅僅從“動校正”和“靜校正”這兩個概念的字面定義來理解，一般很難讓學(xué)生領(lǐng)會這兩個概念的本質(zhì)含義，更難體會二者的聯(lián)系與區(qū)別，本文將闡述如何利用可視化對比教學(xué)的措施來提高教學(xué)效果的過程。

三、“動校正”含義的可視化表現(xiàn)

經(jīng)過先修課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)熟悉采用地面單炮激發(fā)、多道接收的方式來采集地震數(shù)據(jù)。教師可以利用地震波正演模擬軟件，按照一定的觀測系統(tǒng)進(jìn)行地震波模擬。如圖1（a）所示為建立的具有5層水平層狀介質(zhì)的地質(zhì)模型，在橫坐標(biāo)x=0m處激發(fā)地震波，地面0～6000m范圍為接收排列，道距100m，共61道接收。圖1（a）中的箭頭代表地震波向地下傳播，遇到界面反射，由地面x=6000m處的檢波器接收的反射波路徑示意圖。箭頭可以制作成動畫，也可以將波場延拓的快照圖片制作成動畫，讓學(xué)生進(jìn)一步熟悉地震數(shù)據(jù)采集和地震波傳播的過程。

由上述正演模擬結(jié)果可以得到模擬單炮地震數(shù)據(jù)，如圖1（c）所示。共有61道地震數(shù)據(jù)組成，橫坐標(biāo)表示的是炮點到檢波點的距離，最左側(cè)炮檢距為0m，最右側(cè)炮檢距為6000m，縱坐標(biāo)是反射波旅行時間?？梢钥吹?，記錄中每一道數(shù)據(jù)有6個反射波，除了最小時間的波組是炮點到檢波器直接到達(dá)的波，其余5組波由上至下分別對應(yīng)地質(zhì)模型中的5個反射界面。此處可以通過動畫強(qiáng)調(diào)顯示，提出問題：為什么同一反射地質(zhì)界面對應(yīng)的反射波在時間上存在一個差距，與地質(zhì)模型的水平反射界面不一致？

以問題為導(dǎo)向的方式有助于讓學(xué)生積極思考，進(jìn)入思維可視化的階段。提醒學(xué)生圖1（c）所示的單炮記錄各地震道在采集參數(shù)上有何區(qū)別，引出其反射波時間存在差異的根本原因在于每個地震道的炮檢距不同，這是造成同一反射界面反射波存在時差的根本原因。學(xué)生很自然就會想到，這種情況的出現(xiàn)不能直接從圖1（c）所示的反射波空間形態(tài)來反映實際地下地層產(chǎn)狀。如果有辦法能夠消除炮檢距不為零的各地震道的時間差，使得各地震道的炮檢距相同，均為零，其結(jié)果是否就能與實際地質(zhì)產(chǎn)狀吻合呢？

如果消除這種時間差，這個時間差如何計算呢？這就需要在基于反射波時距曲線方程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引出正常時差的概念。先修課程中已經(jīng)給出反射波的時距曲線方程為[t=x2+4h2v]，其中[t]為反射波雙程旅行時，[x]為炮檢距，[h]為反射界面深度，[v]為反射界面以上介質(zhì)的均方根速度，呈雙曲線形態(tài)。 當(dāng)炮間距為0時，其反射波雙程時[t0=2hv]。因此，正常時差為[Δt=t-t0≈x2（2v2t0）]?？梢钥闯?，只要當(dāng)炮檢距、速度和反射目的層深度已知，即可計算出正常時差的大小。同樣可以理解為炮間距、速度和深度是影響正常時差的三個因素。那么這三個因素影響正常時差大小的規(guī)律如何呢？

繼續(xù)采用可視化動畫進(jìn)一步闡述該現(xiàn)象。從圖1（c）所示的記錄來看，不同深度的反射波同相軸雙曲線曲率是不同的，淺部反射同相軸曲率大，開口小，深部反射同相軸曲率小，開口大。也就是說，其他參數(shù)相同的情況下，淺部反射波的正常時差要大些。還可以直觀地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)炮檢距增大時，正常時差會增大。

根據(jù)上述正常時差的定義，可以計算出每一道數(shù)據(jù)、不同深度的采樣點的動校正量（正常時差）。很容易理解，同一地震道相鄰時刻的采樣點的動校正量是有可能不同的。而且，由于一般情況是淺部采樣點的動校正量要大于深部采樣點的動校正量，因此，動校正的結(jié)果都是將相鄰采樣點的時間間隔拉大，在波形上顯示出拉伸畸變的現(xiàn)象。如圖1（d）所示為圖1（c）經(jīng)過動校正后的單炮記錄，其動校正量計算過程中使用的速度參數(shù)為如圖1（b）所示的速度模型，該速度模型為對應(yīng)地質(zhì)模型的均方根速度。

從動校正后的記錄可以看出，淺部、大炮檢距區(qū)域的波形拉伸劇烈，這就是動校正拉伸畸變現(xiàn)象。經(jīng)過動校正，不同炮間距、不同深度的反射波同相軸均被拉平，與地質(zhì)模型地層產(chǎn)狀變得相同。上述講解的大部分內(nèi)容都可以以動畫的形式展示給學(xué)生。

四、 “靜校正”含義的可視化表現(xiàn)

“靜校正”的概念同樣可以采用可視化表現(xiàn)手法來清晰闡述。同樣采用以問題為導(dǎo)向的思路進(jìn)行講解，而且要充分利用對比分析的教學(xué)方法。上述“動校正”實施的前提假設(shè)條件為地表是水平的，激發(fā)接收均在地表，淺地表速度橫向無變化。當(dāng)不滿足這些假設(shè)條件時，經(jīng)過動校正后，反射波同相軸是否同樣能準(zhǔn)確反映實際地質(zhì)情況呢？為了解答這個疑問，采用地震波模擬軟件，建立復(fù)雜地表條件模型，如圖2（a）所示。

圖2（b）是模型圖2（a）對應(yīng)的模擬單炮記錄。通過圖示指出，其目的反射波同相軸連續(xù)差，不呈雙曲線形態(tài)。在此基礎(chǔ)上，若直接做動校正處理，其結(jié)果無法反映地質(zhì)模型的水平反射界面。該問題的存在關(guān)鍵在于其地表條件較復(fù)雜，影響了反射波的傳播路徑和旅行時間。為此，是否有辦法可以消除這種影響呢？

為消除這個影響，必須弄清楚造成該問題的具體影響因素。通過提示引導(dǎo)指出：地形、激發(fā)接收井深和淺地表速度橫向變化是引起反射波不呈雙曲線連續(xù)同相軸特征的三個關(guān)鍵因素。當(dāng)滿足淺地表速度較低的條件時，淺部地震波傳播路徑可以認(rèn)為是垂直上下的，因此可以認(rèn)為每一地震道僅受相應(yīng)檢波點垂直下方介質(zhì)因素所影響。那么如何消除這個因素呢？實際上就是去尋找因為地表條件引起反射波旅行時差。如何定義這個時差呢？需要給出一個靜校正地質(zhì)模型，如圖2（c）所示。該靜校正參考模型首先給出了一個水平基準(zhǔn)面，讓所有炮點和檢波點都位于這個基準(zhǔn)面上，另外把低速帶也去除了。

綜上，要計算出復(fù)雜地表條件模型與靜校正模型二者反射波的旅行時差，需要明確地質(zhì)模型的速度結(jié)構(gòu)。這個參數(shù)可以采用折射波分析法或初至層析等方法獲得淺地表速度結(jié)構(gòu)分布，先不在此做深入闡述。當(dāng)確定了速度結(jié)構(gòu)后，通過簡單計算可以得到二者的旅行時差，這個時差就稱為靜校正量。圖2（d）所示的為消除靜校正量后的單炮記錄，其反射波恢復(fù)了雙曲線特征。

五、“動校正”的“動”和“靜校正”的“靜”的對比分析

對容易混淆的概念進(jìn)行對比分析教學(xué)，能夠加深學(xué)生對概念的理解。本課程中，“動校正”和“靜校正”二者只有一字之差，但其內(nèi)在本質(zhì)含義完全不同。通過上述兩個概念的可視化表現(xiàn)后，進(jìn)一步將二者的區(qū)別加以說明。動校正需要計算動校正量（正常時差），對一道數(shù)據(jù)不同深度的采樣點，其動校正量往往是不同的。因此，經(jīng)過動校正后，會有拉伸畸變的問題。其“動”的特征就體現(xiàn)在動校正后波形發(fā)生了變化，且向低頻移動。靜校正需要計算靜校正量，對一道數(shù)據(jù)其所有采樣點的靜校正量是相同的。因此，靜校正只是將一道數(shù)據(jù)做整體時移，不會出現(xiàn)相鄰采樣點拉伸或壓縮的問題。其“靜”的特征就體現(xiàn)在靜校正后的地震道只是做了整體的靜態(tài)時移。

六、結(jié)論

采用抽象概念可視化對比教學(xué)的措施，可以讓學(xué)生的思維可視化，幫助學(xué)生在短時間里準(zhǔn)確地理解概念的本質(zhì)屬性。本文介紹了地震勘探資料數(shù)據(jù)處理課程中“動校正”和“靜校正”這兩個較抽象概念的可視化對比教學(xué)的過程設(shè)計，在2015屆和2016屆地球物理專業(yè)本科學(xué)生中的推廣應(yīng)用收到了較好的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 丁紫晴，代建軍.思維可視化教學(xué)的表征研究[J].教育理論與實踐，2019（4）：57-60.

[2] 田衛(wèi)東.可視化教學(xué)在高等數(shù)學(xué)課程教育的創(chuàng)新應(yīng)用分析[J].才智，2019（16）：52.

[3] 張慧勤.微課可視化教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計策略與制作[J].教育信息技術(shù)，2015（Z2）：144-146.

[4] 陳闖.基于虛擬仿真技術(shù)的爆轟物理學(xué)課程可視化教學(xué)方法研究[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2019（1）：115-116.

[5] 陳婧雅.可視化教學(xué)設(shè)計研究[J].教學(xué)儀器與實驗，2013（11）：59-62.

[6] 李振春，張軍華. 地震數(shù)據(jù)處理方法[M].青島： 中國石油大學(xué)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]