基于裝備研發(fā)成果的海洋電磁學實踐教學案例設計

裴建新，羅鳴 ，陳家林 ，劉穎，張晶，陳志梅

（1.中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島；2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島）

一 引言

為更好地適應國家經(jīng)濟建設和社會發(fā)展對高層次應用型人才的迫切需要，教育部明確要求培養(yǎng)單位創(chuàng)新教學方法，加強案例建設和教學改革[1-2]，中國海洋大學積極響應教育部號召，開展實踐案例設計的前沿探索。我?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)作為我國首個海洋特色地球物理類專業(yè)積極推動教學改革，針對課程體系結(jié)構(gòu)和依托實踐的特點開展了案例探索工作。近年來，伴隨著勘查技術(shù)與工程專業(yè)的不斷壯大，海洋電磁方向已逐漸形成了具備產(chǎn)學研用相結(jié)合的教學和科研特色。在新工科建設的時代背景下，《海洋電磁學》課程建設也已樹立了更新、更高的目標，如何在理論和實踐教學中充分利用裝備研發(fā)成果，如何緊密結(jié)合海洋環(huán)境充實實踐過程，如何在專業(yè)知識基礎上從實踐中提出新問題及如何創(chuàng)新性地解決問題，都是在本輪改革中迫切解決的新挑戰(zhàn)，這也正體現(xiàn)了開展實踐教學案例庫建設的緊迫性和必要性[3-6]，是OBE 理念人才培養(yǎng)體系建設的創(chuàng)新性研究。

二 海洋電磁學實踐教學案例建設的重要意義

隨著深地探測、深海探測、深空對地觀測和土地科技創(chuàng)新的國家科技創(chuàng)新戰(zhàn)略規(guī)劃的推進，如何在新形式下更好的服務于國家重大戰(zhàn)略，為國家海洋強國建設儲備創(chuàng)新性人才，已成為各個科研單位和高校謀求發(fā)展的新機遇和新挑戰(zhàn)。為了完善電磁法勘探的教學體系，同時突出海洋特色，針對勘查技術(shù)與工程專業(yè)中電磁法勘探這一重要方向的教學任務，開展基于海洋電磁科研項目創(chuàng)新研究的實踐教學案例設計，相關(guān)成果將填補我國在海洋電磁學方面實踐教學的空白。

海洋電磁學實踐教學對于勘查技術(shù)與工程專業(yè)建設是非常重要的。查技術(shù)與工程專業(yè)旨在培養(yǎng)特色鮮明的高素質(zhì)地球物理勘探復合型創(chuàng)新實踐人才為目標，圍繞著國家資源、環(huán)境等重大需求和服務經(jīng)濟社會發(fā)展和增強自主創(chuàng)新能力，形成了“科研實踐與教學互動，突出海洋特色，強化實踐技能，注重創(chuàng)新培養(yǎng)”的育人方針，堅持“加強基礎，拓寬專業(yè)，重視實踐，培養(yǎng)能力，激勵創(chuàng)新，發(fā)展個性，講究綜合，提高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)理念，探索新形勢下高等學校人才教育規(guī)律，培養(yǎng)高層次創(chuàng)新實踐人才。電磁法勘探是勘查技術(shù)與工程專業(yè)建設中非常重要的一個方向，在深部結(jié)構(gòu)探測、礦產(chǎn)資源勘探、工程檢測等領域均有著廣泛的應用。將電磁法勘探的核心思想引入海洋，形成了近年來的新興的一個研究方向——海洋電磁法，針對油氣飽和度、礦物富集程度、流體運移等的電阻率異常較為敏感，所以在海底深部結(jié)構(gòu)、海底油氣、天然氣水合物、近海底礦產(chǎn)資源勘探和海洋環(huán)境安全保障方面具有非常廣闊的應用前景。《海洋電磁學》實踐教學目的是使學生能夠掌握海洋電磁學的基本理論、海洋大地電磁測深法和海洋可控源電磁法的基本原理，了解海洋電磁場的測量方法和資料處理與解釋流程，以及海水運動感應電磁場的特性等, 為從事海洋電磁學的研究工作打下良好基礎。海洋電磁法與勘查技術(shù)與工程專業(yè)中的《地震勘探》《重力勘探》《磁法勘探》等方法的綜合應用，可在地球物理勘探中形成多物理場綜合、互補的勘探體系，為多方法聯(lián)合反演或聯(lián)合解釋打基礎。該課程知識難點較多且很抽象，通過實踐教學的開展可以使學生通過學習海洋電磁傳感器及記錄儀的工作原理，進一步理解海洋電磁法的探測原理，以實踐測量的方式加深理解電磁法勘探的相關(guān)理論，可為勘查技術(shù)與工程專業(yè)培養(yǎng)高層次創(chuàng)新實踐人才奠定基礎。

三 海洋電磁學實踐教學案例建設的堅實基礎

近年來，我校在海洋電磁學方向的理論教學、實踐教學、人才培養(yǎng)、實踐平臺等方面的建設已大幅提升，在學科交叉基礎上，我校設立《海洋電磁學》課程，具備堅實的研究和教學基礎，作為一門海洋地球物理與海洋動力學、自動化等專業(yè)相結(jié)合的新課程，該課程不僅填補了我校在海洋電磁學領域的課程空白，而且樹立了我校向海洋地球物理前沿研究挺進的新方向。

在海洋電磁學科研方面，我校海洋電磁方向科研骨干主持“十三五”國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目等多項，在硬件裝備研發(fā)和方法研究中產(chǎn)出了一批創(chuàng)新性的成果，這些成果本身及其研究過程將為本科生實踐訓練提供一個優(yōu)質(zhì)的高水平平臺。隨著我校海洋電磁探測技術(shù)與裝備領域研究新成果不斷涌現(xiàn)，基于自主研發(fā)的關(guān)于海洋電磁學方向的軟件、硬件條件已逐漸充分融入了多種海洋電磁學實踐教學—海洋電磁探測技術(shù)與裝備實驗室建設擁有自主研發(fā)的大功率發(fā)射系統(tǒng)和深海電磁采集系統(tǒng)，可在青島市內(nèi)和模擬水池開展可控源電磁發(fā)射及電磁信號接收實踐教學。除此之外，小功率電磁信號發(fā)射源和簡易電磁信號采集系統(tǒng)可滿足淺海環(huán)境實踐教學要求。數(shù)據(jù)處理平臺方面，在實驗室配置有海洋電磁數(shù)據(jù)處理軟件，且配置有專業(yè)大型工作站設備，為學生進行科研和教學實踐的動手操作和對海洋地球物理探測相關(guān)課程學習和研究提供了硬件保障。在此平臺支持下，通過典型案例的實踐教學可以使學生在理論和實踐方面能力得到快速提升，可以啟發(fā)學生主動思考問題，培養(yǎng)分析問題和解決問題能力，讓學生充分體驗動手解決問題的“成就感”，不僅鞏固了該課程的學習效果，也進一步推動勘查技術(shù)與工程專業(yè)的總體專業(yè)能力。

隨著我?！半p一流”建設的推進，學校和學院教學研究建設也在不斷深入挖掘深層次的教學科研融合點，勘查技術(shù)與工程專業(yè)也已步入高層次建設新時期，在具有海洋特色優(yōu)勢課程建設方面成效顯著。海洋電磁法作為海洋地球物理學中的新興技術(shù)手段，其重要的應用前景使該方法備受關(guān)注。海洋電磁法方向的青年教師骨干承擔著《地球物理場論》《計算方法》《電法勘探》《電法勘探實踐》《工程與環(huán)境地球物理》《應用地球物理教學實習》教學工作，具備豐富的理論課和實踐課教學經(jīng)驗。各主講教師主持著國家自然科學基金面上項目和青年項目和山東省重點研發(fā)計劃項目，主要研究內(nèi)容均圍繞著海洋電磁正演模擬和反演方法、海洋動力環(huán)境電磁場及海洋電磁數(shù)據(jù)處理方法研究等方面，這些科研工作產(chǎn)生的內(nèi)生動力可以不斷將教學工作推向新高度?；谖倚：Ｑ箅姶诺目蒲谢A和創(chuàng)新成果，充分將科研和實踐教學相結(jié)合，形成了我校海洋電磁探測技術(shù)與涉海多學科交叉融合的特色，突出了實踐與理論相結(jié)合的教學。所以，我校具備這開展海洋電磁學實踐教學研究和實踐教學案例設計的研究基礎。

青島具有優(yōu)質(zhì)的海岸帶資源，潮間帶就是一個非常理想且易于開展實驗的天然實驗室，既具備海洋動力耦合條件，可實踐認識海洋環(huán)境下電場、磁場響應，同時因其具備很好的發(fā)射可控源電磁信號接地條件，所以也是可控源激發(fā)—接收試驗理想的天然試驗場。由學生設計實驗方案，由指導教師完成設備布放，學生在岸上進行遠距離觀摩，該方式可實現(xiàn)學生安全、高效地全程參與實踐，該實驗環(huán)境和學生學習體驗是實驗室內(nèi)淡水水槽和物理模擬模型等無法替代的。教研組成員均是從事電法勘探、海洋電磁裝備研發(fā)和海洋電磁數(shù)據(jù)處理的一線教師，在電磁勘探的教學、科研和近海及遠海實踐方面具有豐富的經(jīng)驗，這些均為開展海洋電磁學實踐教學提供了全面且堅實的基礎條件。

四 海洋電磁學實踐教學案例建設方案

（一） 案例建設總體路線

為了使學生在海洋電磁探測各個環(huán)節(jié)中充分認識相關(guān)知識點，并將實踐細節(jié)與知識點相融合，教研組摸索出了一套從硬件到方法、從建模到設計、從室內(nèi)到近岸、從觀測到分析的多維度訓練的實踐方案，且具有鮮明的海洋特色和學科交叉特點。依照實際工作要點和探測過程選擇典型的實踐案例，建立了由海洋電磁探測裝備工作原理→海洋電、磁傳感器一致性測試→實驗室測試和海洋環(huán)境測試→海洋大地電磁探測設計→海洋動力環(huán)境電磁場觀測設計→海洋大地電磁數(shù)據(jù)處理組成逐步遞進的實踐模塊，這5 大模塊分別對應著學生應掌握且在今后實際科研和工作直接相關(guān)的關(guān)鍵知識點；該實踐體系的教學總體可實現(xiàn)對25 個主要知識點的全覆蓋，按照“全流程、多層次”的原則，培養(yǎng)學生硬件認知能力→裝備操作能力→勘探設計能力→學科交叉能力→綜合處理能力。在構(gòu)建了如圖1 所示的實踐案例建設總體路線基礎上，以“強化完整知識結(jié)構(gòu)、探索知識體系交叉、發(fā)揮自研裝備優(yōu)勢、利用海洋實踐條件、推動科研帶動教學、建立動態(tài)完善機制”的總體路線開展實踐案例建設。

圖1 實踐案例建設總體路線

（二） 案例建設主要模塊設計

1.海洋電磁探測裝備工作原理

主要訓練和考核學生對海洋地球物理勘探裝備的總體認識和對硬件工作基本原理的理解，了解海洋電磁勘探系統(tǒng)的各大單元組成。從信號激勵機制、大功率發(fā)射原理方面介紹發(fā)射系統(tǒng)電路工作原理，從微弱信號的高精度檢測和抗干擾結(jié)構(gòu)設計方面學習采集電路工作原理。在室內(nèi)條件下用采集系統(tǒng)對背景環(huán)境進行信號采集，分析采集數(shù)據(jù)。以實物和視頻方式講解實際海洋油氣資源勘探及海底深部結(jié)構(gòu)探測時，海洋電磁勘探系統(tǒng)的總體工作方式。

2.海洋電、磁傳感器一致性測試

主要訓練和考核學生對海洋地球物理勘探傳感器一致性方面的測試能力，認識到傳感器一致性測試的重要性。設計合適實驗室測試環(huán)境，對電場、磁場傳感器進行無屏蔽條件測試和有屏蔽條件測試，對比傳感器幅值、頻率響應方面的一致性，并將傳感器布設在潮間帶進行野外環(huán)境下的一致性測試。在測試環(huán)節(jié)中，需要對采集系統(tǒng)進行一起和傳感器等組件的各項連接，并對采集系統(tǒng)進行設置和觀測啟動。為了獲得統(tǒng)一的信號源進行一致性測試，采用小功率模擬發(fā)射源進行信號發(fā)射，現(xiàn)場介紹系統(tǒng)的設置和啟動。在海洋環(huán)境條件下采集因潮汐引起的電磁場變化，分析海洋環(huán)境電磁場特征。

3.海洋大地電磁探測設計

指導學生收集資料進行地電模型建立，在《電法勘探》課中已講授的知識基礎上進行海洋大地電磁模擬計算，進而實現(xiàn)勘探設計的實訓。將模擬結(jié)果與以往實測海洋大地電磁數(shù)據(jù)進行對比，使難于海上實踐的題目也能在市內(nèi)獲得直觀的認識。以我校研發(fā)的海洋大地電磁儀作為實物講解設備組成、設備組件連和設備布放回收等環(huán)節(jié)，訓練學生的實操技能，了解探測過程中的人身和設備安全事項，以及在各個環(huán)節(jié)中可能遇到的問題，從各個環(huán)節(jié)中考慮影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素，為現(xiàn)場質(zhì)量控制及后期的資料處理提供重要參考依據(jù)。主要考察學生的動手和觀察能力，通過實踐操作和理論相結(jié)合，提高學生的工程實踐能力。

4.海洋動力環(huán)境電磁場觀測設計

指導學生思考影響海洋電磁觀測因素是什么，設計針對海洋環(huán)境參數(shù)研究的海洋電磁觀測方式，并對已有觀測資料進行學科交叉的多角度分析。主要考察學生對海洋相關(guān)環(huán)境參數(shù)的認識，以及根據(jù)需求設計相關(guān)海洋動力環(huán)境電磁場觀測方案等設計能力，培養(yǎng)學生對背景場觀測和研究重要性的認識，并根據(jù)需求設計觀測海浪、海流感應電磁場的觀測系統(tǒng)及裝備布設方案。本設計主要訓練學生的探索思維和解決問題的能力，啟發(fā)并培養(yǎng)學生善于開啟多學科交叉的思維方式，鍛煉用多學科角度綜合分析問題的能力。

5.海洋電磁數(shù)據(jù)處理

指導學生認識并實踐大地電磁處理流程，考察學生對海洋大地電磁資料的預處理、特定噪聲的壓制方法的掌握，訓練學生在成果圖件繪制、數(shù)據(jù)處理和報告撰寫等實踐技能的掌握情況和熟練程度。海洋電磁數(shù)據(jù)處理是地球物理成果展示的重要環(huán)節(jié)，教研組為學生提供理論合成數(shù)據(jù)和實測海洋電磁資料，學生對以上兩類數(shù)據(jù)的處理和分析并最終形成處理和分析報告，由此可進一步考察學生對數(shù)據(jù)處理方法的應用能力，在處理過程中深入剖析數(shù)據(jù)，激勵學生對數(shù)據(jù)所反映出的物理意義主動思考和全面分析。

五 結(jié)語

中國海洋大學設立《海洋電磁學》課程實現(xiàn)了海洋地球物理與海洋動力學、自動化等專業(yè)相結(jié)合。基于裝備研發(fā)成果開展實踐教學案例體系化設計，將實踐細節(jié)與知識點相融合，可實現(xiàn)學生硬件認知、裝備操作、勘探設計、學科交叉及綜合分析能力的培養(yǎng)，是對OBE 人才培養(yǎng)體系的有益探索。