地震资料处理大作业课程产教融合教学实践与改革

作者: 张宓 张丽艳 闫彬鹏

摘要:地震资料处理大作业是勘查技术与工程专业的核心实践课程。文章对地震资料处理大作业课程教学的方法进行总结与探讨,归纳出线上线下多维联动教学、“国之重器”的强大科技支持、开源程序的辅助教学等提高实践课程教学质量的特色教学方法,同时采取丰富授课内容、完善课后实践环节、优化反馈和答疑机制、调整课程考核方式等举措优化课程的教学效果,以便培养高质量的应用型地球物理勘探人才。

关键词:地震资料处理大作业;产教融合;线上线下混合教学

地震勘探技术在能源勘探领域应用广泛,作为地球物理勘探的主要方法,在地下结构探测与资源勘探中发挥着关键作用。地震资料处理作为地震勘探的重要环节,需要专业人才运用地震波动理论、数字信号处理等知识,对原始数据进行处理与成像,进而揭示地下地质结构和岩性等地层信息。

依托地震资料处理环节开设的地震资料处理大作业,是勘查技术与工程专业的重要实践课程,能够培养学生对原始地震资料的处理和分析能力。学生通过学习地震资料处理大作业这门专业课程,深入了解地震波的传播理论、地震数据的采集原理、数据处理流程和方法、地震图像解释等,为未来的学习和工作夯实基础,成长为具有创新精神、实践能力、国际视野的应用型高级工程技术人才。

一、地震资料处理大作业课程介绍

2015年10月,经教育部批准,中国石油大学(北京)在新疆维吾尔自治区克拉玛依市建立克拉玛依校区,开启了“一校两区,两区一校”的办学格局。中国石油大学(北京)克拉玛依校区勘查技术与工程专业本科生的培养目标是培养知识、能力和素质全面发展,具备地球物理勘探工作者必备的知识结构和技能训练,具有创新精神、实践能力、国际视野的应用型高级工程技术人才。

在此为期四年的本科生培养过程中,地震资料处理大作业是勘查技术与工程专业本科生最为重要的必修课,是将要从事油气勘探工作人员必不可少的专业实践环节。2021年,中国石油大学(北京)克拉玛依校区为勘查技术与工程专业首次开展地震资料处理大作业课程的实践教学。在开课前,学生已经完成了数字信号处理、弹性波动力学、地震勘探原理和地震资料数字处理等相关专业课程的理论学习。

地震资料处理大作业课程是以上机实操软件为主的实践教学课,共计三十二个学时,要求学生能够灵活运用地震勘探基本原理和地震资料数字处理基本原理,深入了解野外采集的实际地震资料,掌握地震资料处理的基本流程、常规技术和软件操作,能够独立分析、处理参数对处理效果的影响,证实多种地震数据处理流程的合理性与实用性,综合利用基本处理流程完成实际二维地震资料的处理,获得满足实际生产需求的叠加剖面和叠后偏移成果剖面。

二、课程教学方法的探索

(一)线上线下多维联动教学

纯粹的线上或线下教学都存在一定的局限性,而线上线下混合教学可以实现两者的优势互补,为学生创造更加灵活高效的学习体验。地震资料处理大作业课程采用了线上预习、线下授课的方式。地震资料处理大作业课程已经提前录制了相关的教学视频,教师在开课前为学生推送预习内容,确保学生在正式上课前有足够的时间准备。

在线下教学过程中,地震资料处理大作业课程主要采用多媒体教学、板书和上机操作直播等手段。多媒体教学的可视化展示有助于学生理解地震资料处理的技术细节,通过图像、动画、视频等形式,将地震波的传播、地震数据的采集与处理过程直观地展示给学生。对于遇到学生忘记或者不熟悉的地震资料处理理论知识时,教师会将关键概念板书出来,让学生更加清晰地理解和记忆课程内容。上机操作直播可以让学生直观地看到地震资料处理中的处理模块选取、处理流程搭建、处理参数测试、处理效果分析等过程,使学生更好地理解和掌握相关的知识与技能,将理论知识与实际操作相结合。

(二)“国之重器”的强大科技支持

地震资料处理大作业课程依托中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司(以下简称东方地球物理公司)研发的、具有独立知识产权的地震数据处理解释一体化系统(以下简称GeoEast软件)。东方地球物理公司每年定期为中国石油大学(北京)克拉玛依校区更新最新的教学科研版GeoEast软件,为地震资料处理大作业课程的顺利开展提供技术保障,为实现产教融合奠定良好的基础。

依托全新的4.1版本GeoEast软件,地震资料处理大作业课程教学过程中主要利用的处理模块包括地震数据输入输出、观测系统定义、数据显示、辅助工具与质控、振幅处理、子波处理与反褶积、静校正、滤波、噪声压制、速度分析、动校正、叠加、叠后时间偏移、叠后处理等模块。教师通过讲解各个处理模块功能和参数界面,带领学生搭建各个处理流程,逐步将野外采集的原始地震数据处理为最终的偏移成像剖面。

(三)开源程序的辅助教学

除了用成型的商业软件进行上机实际操作之外,教师还从地震资料处理大作业课程教学内容中的数据读取、滤波、剔除坏道、振幅补偿、噪声压制等简单处理流程中挑取部分内容,让学生利用开源程序进行编程实践。Matlab软件(矩阵实验室软件)是较为方便的辅助教学软件,其具有强大的矩阵计算、数值分析和可视化能力,相应的开源程序为地震资料处理的高效开展提供了有力的帮助。通过SegyMAT(地震数据矩阵实验室包)、SeismicLab(地震实验室包)开源程序包,学生可以深入了解地震数据读写和绘制、频率域滤波、预测反褶积和噪音压制等处理方法对应的程序语言。

开源程序的辅助教学能充分锻炼学生的编程能力,有助于学生结合自己的创新思路进行程序的改写,从而实现方法改进和科研创新。此外,教师基于C++、Python、Julia等编程语言的开源程序资源的实时更新,为学生深入学习与探究处理方法提供帮助。学生接触到最新的地震数据处理方法和工具资源,能充分激发科研创新的潜力,提高解决实际问题的能力,推动地球物理勘探水平的不断进步。

三、课程教学方式的改革

地震资料处理是一个不断发展的领域,随着技术的不断进步,新的方法和工具不断涌现。教学方式改革的作用之一是确保教学内容与技术发展保持同步,使学生能够掌握最新的地震资料处理方法和技术。传统的教学方式过于注重传授理论知识,缺少与学生的有效互动,阻碍了学生实践能力和创新思维的快速培养。改革后的教学方式通过引入启发式教学、课堂互动、实时答疑等手段,能有效激发学生的学习兴趣。

(一)启发教学激发学习兴趣

启发教学是从学生的学习视角切入,激发学生学习主动性和创造性的教学方法。在地震资料处理大作业课程教学中,教师每节课提出3~5个启发性问题,鼓励学生主动思考,如“根据地震资料中的波形信息,如何判断地震在地下介质中的传播速度”。教师带着启发性问题去教学,可以激发学生的好奇心,促使他们积极探究各个专业名词的物理含义。此外,教师对学生进行分组,每两个学生自由结组,小组讨论启发性问题,并共同解决问题,提高合作精神和批判性思维。对于速度分析、叠后偏移成像等较为复杂的授课内容,教师可以为学生准备启发性问题,并提供相关期刊论文和开源程序等学习资料,鼓励学生带着问题主动寻找与阅读相关的研究文献和报告,深入了解地震资料处理的前沿技术和研究进展。

(二)课后实践巩固与拓展

课后实践巩固能够进一步提高学生的问题解决能力。在授课结束后,机房将继续在课余时间向学生开放,为学生的课后实践巩固提供充足的场地支持。中国石油大学(北京)克拉玛依校区通过与企业的合作共建,将企业中先进的地震数据处理软件和硬件设施引入教学实验室,确保学生在课后可以使用最新的处理技术与最新的平台,不断拓宽学生的眼界。为了进一步丰富学生的课后实践,中国石油大学(北京)克拉玛依校区与企业在乌鲁木齐联合建立了实践基地,让学有余力的学生能够亲身到企业体验地震资料处理的标准化流程。

(三)完善反馈和答疑机制

在反馈和答疑机制方面,地震资料处理大作业课程进行了完善与调整。本课程允许学生课上随时反馈问题,并及时进行解答,课后提供一对一实时答疑的线上交流渠道,建立的多元化实时沟通渠道可以让学生有更多机会表达观点。教师及时解决学生的实时反馈,有助于完善授课内容和授课方式。在上机操作直播教学过程中,教师会对学生的地震资料处理模块选取、处理参数选取、最终处理结果分析进行实时指导和反馈,指出学生的优点和不足,保证学生稳步掌握处理全流程。

四、课程考核方式的改革

地震资料处理大作业是一门实践性很强的课程,很难单独通过传统的闭卷笔试评估学生的学习效果,所以考核方式应更加多元化。本课程由过程成绩与最终处理报告成绩共同构成,全面评估学生在实践中应用所学知识的熟练程度、实践能力和技能水平。过程成绩主要考查每节课学生的实践操作与阶段性的处理效果,最终处理报告成绩主要考查学生对处理全流程的掌握情况、成果图件的质量、书写格式与排版细节等。在每次过程成绩考核后,教师会及时反馈和评价,让学生了解不足之处,引导学生确定合理的处理流程与处理参数。在制订最终处理报告的考核标准时,教师参考当前地震资料处理行业的实际需求和标准,确保学生所学知识与行业接轨,增加学生的就业竞争力。

五、结语

地震资料处理大作业是勘查技术与工程专业的核心实践课程,笔者结合中国石油大学(北京)克拉玛依校区的教学实践,探索出有助于优化教学质量的教学方法和改革方式,使学生能够独立思考、分析和解决地震资料处理中的复杂问题,培养学生对地球物理勘探的兴趣,推动学生在油气勘探领域不断深入学习和研究。

参考文献:

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基金项目:中国石油大学(北京)克拉玛依校区教改项目课题“新时代混合教学模式融入弹性波动力学课程的实践研究”,项目编号:JG2023014;新疆维吾尔自治区自然科学基金“无监督机器学习地震数据重构新方法研究”,项目编号:2022D01B139。

(作者单位:中国石油大学<北京>克拉玛依校区石油学院)

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