“云端+仿真+基地”三位一體油氣地震勘探實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

劉淑芬，石穎

（東北石油大學(xué) 油氣資源與勘查實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，黑龍江大慶 163318）

2020 年5 月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，明確指出“要科學(xué)設(shè)計(jì)課程思政教學(xué)體系”“結(jié)合學(xué)科專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)分類(lèi)推進(jìn)課程思政建設(shè)”[1]。相比以講授為主的理論課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)具備更大的思政空間。實(shí)驗(yàn)課程要落實(shí)“把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程”，創(chuàng)新教學(xué)方法，將課程蘊(yùn)含的思政元素有效融入教學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)育人和育才的協(xié)同統(tǒng)一[2-3]。

油氣地震勘探實(shí)驗(yàn)作為勘查技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)核心課程地震勘探原理配套的綜合性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涵蓋地震勘探的全過(guò)程，包含了豐富的理論知識(shí)[4-7]。借助網(wǎng)絡(luò)化教育環(huán)境，創(chuàng)建“知識(shí)傳授”與“價(jià)值引領(lǐng)”并行的混合式實(shí)驗(yàn)課堂[8-10]，使學(xué)生不僅能夠掌握油氣勘探專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能，同時(shí)能夠培養(yǎng)工匠精神，更好地滿(mǎn)足個(gè)人發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要[11]。

1 油氣地震勘探實(shí)驗(yàn)介紹

油氣地震勘探實(shí)驗(yàn)面向勘查技術(shù)與工程、資源勘查工程、地質(zhì)學(xué)3 個(gè)本科專(zhuān)業(yè)，每屆面向9 個(gè)班、200余名學(xué)生開(kāi)設(shè)，實(shí)驗(yàn)包含地震波場(chǎng)理論、地震資料采集、地震資料處理和資料解釋4 個(gè)模塊，共計(jì)12 學(xué)時(shí)。依據(jù)各專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)差異，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)置、學(xué)期安排均有所不同。

1.1 實(shí)驗(yàn)發(fā)展階段

東北石油大學(xué)自1959 年成立物理勘探教研室，就開(kāi)設(shè)了地球物理勘探相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。長(zhǎng)期以來(lái)，地震資料采集實(shí)驗(yàn)主要在大慶油田地球物理勘探公司地震隊(duì)完成，但受到野外地震資料采集高危環(huán)境、施工條件等因素的限制，實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要為現(xiàn)場(chǎng)參觀、視頻觀摩。地震資料處理、解釋實(shí)驗(yàn)部分由于時(shí)間限制，主要安排在大三短學(xué)期第2 周完成。2021 年，學(xué)校油氣地震勘探虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上線(xiàn)，設(shè)置了地震波場(chǎng)模擬、地震資料采集、地震資料處理、地震資料解釋4 個(gè)模塊、19個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決了油氣地震勘探實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受時(shí)空限制的問(wèn)題，為開(kāi)展“虛實(shí)結(jié)合、云端+線(xiàn)下”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

（1）知識(shí)學(xué)習(xí)。①掌握地震資料采集、資料處理和解釋基本流程，熟悉地震資料采集施工工序中鉆炮井、埋置檢波器、鋪設(shè)測(cè)線(xiàn)等基本知識(shí)；②掌握地震資料處理靜校正、動(dòng)校正、速度分析、水平疊加、偏移歸位等基本技術(shù)；③掌握地震面貌形成過(guò)程、地震資料綜合解釋方法。

（2）能力培養(yǎng)。①能夠設(shè)計(jì)地震數(shù)據(jù)采集方案，明確數(shù)據(jù)處理參數(shù)，掌握地震處理流程、資料綜合解釋方法，具備獲取地震勘探新技術(shù)的能力；②具備發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告及多文化交流能力；③具備科學(xué)研究的基本方法和創(chuàng)新探索意識(shí)及創(chuàng)新研究的初步能力，能利用科學(xué)原理解釋相應(yīng)的工程問(wèn)題。

（3）素質(zhì)目標(biāo)。①具備實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)、良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣；②具有高度的社會(huì)責(zé)任感，堅(jiān)定“我為祖國(guó)獻(xiàn)石油”的理想；③具備較深的專(zhuān)業(yè)背景，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的潛力，敢于“突破傳統(tǒng)、勇于創(chuàng)新”。

2 油氣地震勘探實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、課程資源和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等的“再設(shè)計(jì)”，將思政元素潛移默化地融入實(shí)驗(yàn)[12-14]。

2.1 整合教學(xué)內(nèi)容

從保證知識(shí)體系完整、符合工程實(shí)踐實(shí)際的角度出發(fā)整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容（見(jiàn)圖1），將4 部分實(shí)驗(yàn)的19個(gè)知識(shí)點(diǎn)整合為14 個(gè)，將地震波場(chǎng)特征與地震資料采集部分的觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，將資料處理部分的8 個(gè)知識(shí)點(diǎn)整合為3 個(gè)，調(diào)整資料解釋部分4 個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖1 “云端+仿真+基地”油氣地震勘探實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

在思政內(nèi)容選擇上：可從家國(guó)情懷、行業(yè)精神等方面挖掘素材，如在地震波場(chǎng)特征部分，教師可將我國(guó)著名的地球物理學(xué)家秦馨菱、國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)獲得者何繼善、勘探地震學(xué)科奠基人許云的事跡引入課堂，利用榜樣的力量激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。在地震資料采集部分，教師可介紹我國(guó)在1959 年利用綜合物理勘探（重力、磁力、電法勘探和地震勘探）發(fā)現(xiàn)了大慶油田，從而實(shí)現(xiàn)石油全面自給；到20 世紀(jì)80 年代后期，塔里木盆地依靠地震勘探，發(fā)現(xiàn)了庫(kù)車(chē)氣田等。

2.2 優(yōu)化教學(xué)模式

采集實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)涉及大量的技術(shù)裝備投入、上千人的作業(yè)隊(duì)伍，同時(shí)面臨變幻莫測(cè)的作業(yè)環(huán)境等，這些因素決定了地震勘探資料采集實(shí)驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，對(duì)部分高校來(lái)講難以提供足夠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支撐學(xué)生開(kāi)展地震勘探資料處理與解釋操作。因此，探索“云端+仿真+基地”三位一體混合式教學(xué)模式，不僅能夠規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)，而且可以在虛擬環(huán)境中融入石油天然氣的國(guó)家和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、地球物理行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系，還能夠增加實(shí)驗(yàn)素材，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)課程容量，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度、深度。

2.3 配套課程資源

要保證學(xué)生“學(xué)懂、學(xué)通、學(xué)透”，除了編著涵蓋全部教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，還需多維度配套教學(xué)資源，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程“入眼、入腦、入心”。為此，東北石油大學(xué)建設(shè)了“油氣地震勘探虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)和中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司實(shí)踐基地、數(shù)字化資源庫(kù)等配套教學(xué)資源?！霸贫?仿真+基地”結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以讓學(xué)生多方位觀摩地震采集儀器，動(dòng)手操作、反復(fù)訓(xùn)練。同時(shí)，教師把石油勘探故事等音視頻資源、時(shí)事熱點(diǎn)上傳到云端教學(xué)平臺(tái)，配置數(shù)字化教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.4 革新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用過(guò)程性考核與實(shí)驗(yàn)報(bào)告1∶1 比例的方式確定實(shí)驗(yàn)成績(jī)，提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核權(quán)重。云端教學(xué)模式使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的資源學(xué)習(xí)、操作規(guī)范程度等都留有痕跡，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)保證課程成績(jī)（云端成績(jī)）隨時(shí)可查詢(xún)、多次實(shí)踐成績(jī)可更替，如在地震資料解釋實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選取目的層層位標(biāo)定時(shí)，學(xué)生可嘗試不同速度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后給出的實(shí)驗(yàn)成績(jī)綜合考慮了實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生可以選擇多次實(shí)驗(yàn)，以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果。通過(guò)此種評(píng)價(jià)方式，一方面讓學(xué)生牢記了實(shí)驗(yàn)流程，可以取得更好的實(shí)驗(yàn)成績(jī)；另一方面也培養(yǎng)了學(xué)生追求卓越、不斷摸索的科研素養(yǎng)。同時(shí)，學(xué)生可通過(guò)云端平臺(tái)反饋實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題并提出教學(xué)建議等，師生共同促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

3 地震資料采集實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

地震勘探資料采集現(xiàn)場(chǎng)面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且管控難度大，因此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難度較大。虛擬仿真系統(tǒng)能夠立體、生動(dòng)、形象地展示地震勘探資料采集現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的技術(shù)原理、設(shè)備與儀器的操作使用、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，并打破時(shí)空界限。教師依據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃及學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度與對(duì)知識(shí)的掌握程度，靈活地安排學(xué)生進(jìn)行地震勘探資料采集仿真實(shí)驗(yàn)與線(xiàn)下實(shí)驗(yàn)基地現(xiàn)場(chǎng)觀摩教學(xué)，可有效規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)，保證實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)與人員的安全。

3.1 教學(xué)素材

地震資料采集工序包含測(cè)量布點(diǎn)放樣、表層調(diào)查鉆井下藥、擺放接收電纜、爆炸錄制地震信號(hào)、測(cè)線(xiàn)清理共5 個(gè)關(guān)鍵步驟。每一個(gè)步驟的實(shí)施都有嚴(yán)格的要求，需要遵循《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）、《地震資料采集技術(shù)規(guī)范》（SY/T 5454—2003）等17 條國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

一次地震信號(hào)采集過(guò)程往往需要在40km2以上的平面滾動(dòng)施工，震源組負(fù)責(zé)地表震源定位與激發(fā)、放線(xiàn)組埋放檢波器、儀器組記錄地震信號(hào)，需要數(shù)十人合作完成。在滿(mǎn)足勘探任務(wù)要求的前提下，激發(fā)地震信號(hào)采用機(jī)械震源裝置，可以避免以炸藥為震源裝置的安全風(fēng)險(xiǎn)和土壤污染問(wèn)題。

埋放檢波器要遵循“1 清—2 鉆—3 插—4 蓋”四步法原則：首先清除埋放點(diǎn)位附近的雜草、浮土，保證檢波器鉆孔和插值在硬土層中（“1 清”），再用微型鉆孔設(shè)備，完成與檢波器直徑相符的鉆孔工作（“2 鉆”），隨后將檢波器插入鉆好的檢波器孔，并保證耦合良好（“3 插”），最后采用沙袋（重量不低于2kg）將檢波器蓋嚴(yán)（“4 蓋”）。每個(gè)檢波器都要嚴(yán)格按此操作流程進(jìn)行，保證信號(hào)接收效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在采集實(shí)驗(yàn)中，教師要求學(xué)生熟練掌握采集儀器性能和采集工序及注意事項(xiàng)，要求學(xué)生通過(guò)多次練習(xí)準(zhǔn)確配置營(yíng)地、車(chē)輛等基本設(shè)施，形成對(duì)野外資料采集環(huán)境的基本認(rèn)知；要求學(xué)生能夠獨(dú)立完成一次采集工序操作，能夠在原始地震記錄中區(qū)分有效波與干擾波。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)基地觀摩、儀器實(shí)操的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，展現(xiàn)接近真實(shí)情境的地震隊(duì)工作場(chǎng)景，模擬儀器連接、施工工序。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)基地現(xiàn)場(chǎng)觀摩真實(shí)儀器、設(shè)備，并由現(xiàn)場(chǎng)工程師講解設(shè)備用途和使用方法，與采集工程師面對(duì)面交流。通過(guò)對(duì)資料采集實(shí)驗(yàn)任務(wù)的整體規(guī)劃，合理安排虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、云端操作規(guī)范學(xué)習(xí)、線(xiàn)下基地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生在各環(huán)節(jié)中反思、總結(jié)，促進(jìn)能力的提升，能夠更好地保證教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)效果

基于上述設(shè)計(jì)思路，結(jié)合學(xué)生課程評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，混合式教學(xué)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)投入和綜合素質(zhì)方面的促進(jìn)作用明顯。

（1）轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度?；旌鲜浇虒W(xué)設(shè)計(jì)融合了大量課程資源，其中的名人傳記、行業(yè)前沿、名校鏈接等資源可以開(kāi)闊學(xué)生視野，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過(guò)多元化資源完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，明確學(xué)習(xí)方向，學(xué)習(xí)態(tài)度從“要我學(xué)”向“我想學(xué)”轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力，提升學(xué)習(xí)效果。

（2）促進(jìn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。學(xué)生在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)痕跡被實(shí)時(shí)記錄，學(xué)生可以多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)步驟能夠熟練掌握，提升學(xué)習(xí)效果。

（3）提升綜合素質(zhì)。教師在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)野外地震采集工作方法進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，要突出安全、環(huán)保、行業(yè)傳承理念，以人為本，樹(shù)立綠色教學(xué)理念。采集系列實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生認(rèn)真對(duì)待每一步操作，以保障實(shí)驗(yàn)的連續(xù)進(jìn)行，從而促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯瘢_踏實(shí)地、細(xì)致精準(zhǔn)、務(wù)實(shí)扎實(shí)的工作作風(fēng)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬仿真技術(shù)、云端資源等現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，教師可以不斷提高教育教學(xué)能力。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明：“云端+仿真+基地”三位一體的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。