任政勇，潘克家

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；2.中南大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，長沙 410083）

近些年來，大學(xué)生思想政治教育工作逐漸引起重視，思政教育與思政課程的建設(shè)也開始蓬勃發(fā)展。隨著時代的發(fā)展，思政教育由思政課程轉(zhuǎn)化為了課程思政，即在日常授課、傳授知識的過程中，兼顧育德與育人，基于社會主義核心價值觀，為學(xué)生塑造正確“三觀”，培育思維素養(yǎng)，樹立科學(xué)觀念。秉承科學(xué)發(fā)展觀，將中國夢與課程學(xué)習(xí)聯(lián)系起來，使學(xué)生明白自己肩負(fù)著中華民族偉大復(fù)興的使命。對于育人這一目的而言，思政教育應(yīng)如水滴石穿，不僅要在馬克思主義理論教育、中國特色社會主義理論等課程中進行集中學(xué)習(xí)，更應(yīng)該本著潤物細無聲的原則，在每門學(xué)科中貫穿始終，從而使師生在獲取專業(yè)知識的同時，也可以進一步進行思想學(xué)習(xí)。而思政研究也在不斷推陳出新，2021 年11 月8 日上午在黨的十九屆六中全會上，習(xí)近平總書記在原本“八個明確”的基礎(chǔ)上進行了補充，以“十個明確”來為新時代中國特色社會主義的發(fā)展與建設(shè)提供了新的指導(dǎo)方向，與原先的“八個明確”相比，著重強調(diào)了應(yīng)貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念。而知識學(xué)習(xí)與科學(xué)研究也應(yīng)秉承創(chuàng)新、開放、共享等理念，并響應(yīng)新時代協(xié)調(diào)與綠色發(fā)展的號召。因此，思政教育也應(yīng)該與時俱進，增添新的內(nèi)容與主題。地電學(xué)作為本專業(yè)的重要組成部分，理應(yīng)在思政教育中發(fā)揮作用，在課堂知識學(xué)習(xí)、實驗技能訓(xùn)練、野外課程實踐等環(huán)節(jié)中，既要完成傳統(tǒng)教學(xué)任務(wù)，同時也應(yīng)與時俱進地融合課程思政環(huán)節(jié)，以時代楷模黃大年同志為榜樣，遵從習(xí)近平總書記的指示“我們要以黃大年同志為榜樣，學(xué)習(xí)他心有大我、至誠報國的愛國情懷，學(xué)習(xí)他教書育人、敢為人先的敬業(yè)精神，學(xué)習(xí)他淡泊名利、甘于奉獻的高尚情操，把愛國之情、報國之志融入祖國改革發(fā)展的偉大事業(yè)之中、融入人民創(chuàng)造歷史的偉大奮斗之中，從自己做起，從本職崗位做起，為實現(xiàn)‘兩個一百年’奮斗目標(biāo)、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢貢獻智慧和力量”。

一 地電學(xué)課程思政教育的必要性

大學(xué)本科的教育，不應(yīng)僅是專業(yè)知識的教育，也應(yīng)包含思政教育。對剛經(jīng)歷過高考的學(xué)生而言，本科教育還應(yīng)肩負(fù)著培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)、辯證方法和唯物觀的責(zé)任。不僅要授人以魚，更應(yīng)該授人以漁，即在傳授知識的同時，還應(yīng)該教授發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)現(xiàn)象、進行猜想與驗證和獲取知識的方式與方法，從而轉(zhuǎn)變學(xué)生的身份，從一個接收者，變?yōu)橹鲃影l(fā)現(xiàn)并學(xué)習(xí)的探索者，且保持探索精神，不斷地進行學(xué)習(xí)。在這一過程中，思政教育對于養(yǎng)成良好科研素養(yǎng)、科研道德、科研習(xí)慣具有重大指導(dǎo)意義，因此將思政教育貫徹到本科教育的課堂學(xué)習(xí)中至關(guān)重要。

地電學(xué)這一學(xué)科，屬于地球物理學(xué)，而其應(yīng)用——電法勘探，則從屬于應(yīng)用地球物理學(xué)，二者分屬理學(xué)與工學(xué)，但在授課時，應(yīng)該理工交融，打好良好的科研基礎(chǔ)。為了系統(tǒng)地學(xué)習(xí)電法勘探知識，首先應(yīng)了解地電學(xué)的發(fā)展過程。

地電學(xué)是在地球表面測量天然或人工產(chǎn)生的電場和磁場，通過電磁感應(yīng)原理對測量數(shù)據(jù)進行分析，來研究地球內(nèi)部的電性、電化學(xué)性質(zhì)等，應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造研究、環(huán)境工程和礦床資源研究等眾多領(lǐng)域，是最古老的地球物理學(xué)分支學(xué)科之一。因此在世界范圍內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用，在全球多個高校均有開設(shè)地球電磁學(xué)相關(guān)課程。自18 世紀(jì)開始，經(jīng)過多年的觀測與總結(jié)，研究者們發(fā)現(xiàn)在地表、大氣和海洋中均有電流的存在，但一直未有系統(tǒng)的學(xué)說對這一現(xiàn)象的來源與形成原因進行梳理與解釋。直到19世紀(jì)40 年代，Chapman 和Bartels[1]編寫了包含如今地電學(xué)知識的著作，其中地電學(xué)相關(guān)內(nèi)容以“地電流”為章節(jié)名出現(xiàn)，后由Краев[2]等補充完善，地電學(xué)正式問世。地電學(xué)作為地球科學(xué)下固體地球物理學(xué)的一門分支學(xué)科，通過研究電場及磁場的變化及分布規(guī)律，來解釋地球地下結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)差異等問題，其中產(chǎn)生電磁場的場源可以分為天然源與人工源，也被叫做被動源與主動源。地電學(xué)的研究范圍廣泛，上至日地關(guān)系、磁層、高空大氣、電離層和星際空間，下至研究地殼分界面、地幔和地核，研究對象的尺度由幾米到上千公里。但地電學(xué)最初的研究目的是觀測地球變化的磁場，并嘗試就其來源與形成和變化機制進行解釋。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，社會對礦產(chǎn)等資源的需求日益增多，地電學(xué)的研究重點由地磁領(lǐng)域轉(zhuǎn)向電法勘探。地電學(xué)這一學(xué)科的誕生也經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)現(xiàn)象和提出猜想并驗證總結(jié)的過程，最終轉(zhuǎn)向了實際應(yīng)用，以理論結(jié)合實踐，實現(xiàn)理工交融，說明科學(xué)與技術(shù)始終應(yīng)該服務(wù)于人民和國家。

大學(xué)本科階段的地電學(xué)課程，其主要內(nèi)容包括電磁場的基本理論、直流電法和大地電磁法、可控源電磁法等。在電法勘探教學(xué)過程中，以電磁場基本理論為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)大地電磁法、瞬變電磁法、直流電法等方法，輔以野外課程實習(xí)。將課本上學(xué)來的知識進行實踐與驗證，不僅培養(yǎng)了能力和知識，還對素質(zhì)培養(yǎng)有著極大的促進作用，培養(yǎng)吃苦耐勞精神，明確地電學(xué)對于國家的建設(shè)、經(jīng)濟乃至軍事都有著重大意義。因此，在地電學(xué)的教學(xué)過程中，思政教育是不可或缺的一個環(huán)節(jié)。

二 地電學(xué)課程教學(xué)中的思政教育

電法勘探的方法種類繁多，究其物性參數(shù)，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率乃至電化學(xué)性質(zhì)均會對電性結(jié)構(gòu)的特性產(chǎn)生較大的影響。此外孔隙度、飽和度等巖石物理參數(shù)也會造成極大影響。從電法勘探的源的種類來說，既包含天然源，也包含人工源，在人工源中，又包括直流方法和交流方法，根據(jù)其工作環(huán)境，又包含陸地、海洋、航空、空間等分類，且根據(jù)收發(fā)裝置的不同排列方式又有多種分類。

電法勘探的發(fā)展，都建立在電磁場的基本理論上，下式為微分形式的麥克斯韋方程組[3]

式（1）描述的是法拉第電磁感應(yīng)定律，即變化的磁場會產(chǎn)生電場，B 為磁感應(yīng)強度，E 為電場強度；式（2）描述的是安培定律，即磁場可以由傳導(dǎo)電流和變化的位移電流產(chǎn)生，H 為磁場強度，D 為電位移矢量，Js為外加電流密度；式（3）描述的是高斯定律，說明電場和電荷之間的關(guān)系從散度的角度說明電場線是不閉合的，q 為電荷；式（4）說明磁場線始終是閉合的，即不存在磁單極子。將式（2）代入式（1）并結(jié)合本構(gòu)關(guān)系，即可得到電場的波動方程

式中：σ 為電導(dǎo)率，ε=εrε0是介電常數(shù)項代表著位移電流，而在各種電磁勘探方法中，對于常用的頻段而言可以認(rèn)為位移電流較小，可以忽略不計，即將式（5）寫為

式（6）即為電場的擴散方程。若假設(shè)時諧因子為e-iωt，對（6）做傅里葉變換，可得頻率域的麥克斯韋方程組表達形式

式（7）中μ=μrμ0為磁導(dǎo)率，ω 為頻率，則根據(jù)相同的方法，可以得到頻率域的電場擴散方程

電場的擴散方程是關(guān)于電場的偏微分方程，在給定初始條件和邊界條件的情況下，即可得到電場的唯一解。對方程兩端做傅里葉變換即可得到對應(yīng)的時間域電場擴散方程。在模擬一維的簡單層狀模型中的電磁響應(yīng)時，可以根據(jù)麥克斯韋方程組得到解析的電磁場，而在進行二維及三維模擬時，則需要結(jié)合空間離散的理論，來進行電磁響應(yīng)的近似計算，目前主流的三維模擬方法主要包括積分方程法、有限差分法和有限元法、有限體積法等方法。通過將電磁場的基本理論應(yīng)用到不同的研究方向中，如陸地、井中、海洋、航空乃至地外空間，給出不同的模型及邊界、初始條件，即可得到相應(yīng)的電磁場分布。

經(jīng)過一代又一代人的推陳出新，我國在電磁理論領(lǐng)域逐漸從追趕國際先進水平到引領(lǐng)領(lǐng)域發(fā)展，如今在海洋、航空、空間物理等研究領(lǐng)域發(fā)展迅速。并在習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想的領(lǐng)導(dǎo)下，提出了環(huán)境領(lǐng)域的相關(guān)研究。

（一）既要金山銀山，又要綠水青山

二十世紀(jì)五六十年代，我國正處于人口眾多，資源貧乏的困境中，地電學(xué)在資源普查和金屬礦、非金屬礦物的勘探中都取得了較大成就。此外地電學(xué)還在石油、煤礦、天然氣的勘探中也起到了較大的作用，并且還可以被應(yīng)用于水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、災(zāi)害預(yù)測及考古等方面，培養(yǎng)出了一批不辭勞苦的物探工作者。

早在二十世紀(jì)三十年代，我國的電磁勘探方法就已經(jīng)產(chǎn)生，但是實際生產(chǎn)中應(yīng)用較少，野外勘探中地震勘探方法占據(jù)主流。隨著電法勘探理論的完善，直流電法、大地電磁法及可控源電磁法被先后投入生產(chǎn)，成為地球物理勘探中方法多樣性最強的一個分支。由于電法勘探對探測目標(biāo)的電性差異較為敏感，多被用于金屬礦、非金屬礦、石油、天然氣、地?zé)峒翱扇急荣Y源勘探中，對于深部埋藏的礦體，電法勘探也有著較好的分辨能力[4]。與其他方法相比，電法勘探探測效率高，能夠減少勘查所需工期，從而降低項目成本，在航空電磁及海洋拖曳式電磁勘探方法中，這一優(yōu)點尤為突出。但我國資源總量有限，且部分資源開發(fā)會對生態(tài)及環(huán)境造成較大的破壞，因此習(xí)總書記指出“既要金山銀山，也要綠水青山，綠水青山就是金山銀山”，自此對于資源的勘探與開發(fā)也開始轉(zhuǎn)型，減少破壞性較大的礦產(chǎn)開采行為，提高相關(guān)技術(shù)的水平減少污染與破壞，并對已開采完的油氣礦藏等進行治理，堅持人與自然和諧共生，且在面臨淺地表資源開采總量有限的情況下，進一步提高對深部找礦的要求，由此地電學(xué)的目標(biāo)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向深部礦產(chǎn)勘探及深部地質(zhì)構(gòu)造勘察。

（二）海洋電磁與我國領(lǐng)土主權(quán)完整

我國的油氣、礦產(chǎn)勘探經(jīng)過了多年發(fā)展，現(xiàn)在正面臨淺部資源即將開發(fā)殆盡，且深部資源勘探、開采較為困難的局面。而海洋面積廣闊，如我國南海海域，蘊藏有大量的石油和多金屬結(jié)核資源，還埋藏有當(dāng)下研究熱門的頁巖氣等重要戰(zhàn)略資源，而電法勘探可以與地震等勘探方法結(jié)合，補足地震勘探的缺陷，降低勘探成本。過去電法勘探主要用于陸上探測，很少在海上進行研究，主要有兩種原因：一是地震勘探能成功描述海底地質(zhì)構(gòu)造，二是人們認(rèn)為海水的高電導(dǎo)率不利于電磁法的應(yīng)用。隨著儀器和海洋地質(zhì)學(xué)的發(fā)展，海洋電磁法有了很大的發(fā)展，電法勘探在海底金屬礦產(chǎn)勘探方面有著較大的優(yōu)勢，海底儲存的多金屬結(jié)核有著豐富的Mn、Ni、Co、Y 等金屬，并且，在我國海洋區(qū)域其預(yù)估存量高達5 億多噸，但在地球海洋中多金屬結(jié)核總儲量的占比不足千分之一，因此我國目前正在逐步加快對海洋資源的勘查與開采。海洋勘探與陸地相比，存在一層高導(dǎo)海水層，而電磁波在海水中傳播衰減較快，因此要求場源與接收器離海底較近。而在淺海區(qū)域，向上傳播的電磁波傳播到海水-空氣界面時會發(fā)生反射，這種反射波被叫做空氣波，空氣波對淺海地區(qū)有效信號有較大的影響，而時間域方法則能夠較好地壓制淺?？諝獠ǖ挠绊憽Ｅc海底沉積層相比，金屬等高導(dǎo)介質(zhì)的異常相對高阻介質(zhì)更加明顯，相對易被可控源法、大地電磁法等電磁勘探方法識別[5]。

南海具有重大的科研和經(jīng)濟價值，在構(gòu)造格局上，由歐亞大陸、太平洋和印度洋三大板塊交界，海底地質(zhì)活動復(fù)雜，幾乎一切類型的構(gòu)造運動、沉積作用、巖漿活動、變質(zhì)作用和成礦作用都有發(fā)生；另外南海油氣田眾多，目前已發(fā)現(xiàn)油氣田350 個，并且在南海的斷裂帶上，通過勘探綜合分析，推斷含有豐富的頁巖氣及可燃冰資源。南海自古以來作為我國不可或缺的領(lǐng)土，神圣不可侵犯，但屢遭外國勢力的覬覦，頻頻在我國領(lǐng)海投放間諜裝置，乃至靠近臺灣海峽，意圖破壞我國領(lǐng)土及主權(quán)完整。黃大年同志在重力梯度儀方面的研究使得我國沿海安全得到提升，同時電法勘探對金屬裝置的拖曳探測十分有效，在維護祖國領(lǐng)土主權(quán)完整、不受他國干涉方面貢獻了一份力量。

（三）空間物理與中國夢

理論的驗證，需要硬件設(shè)備的支撐，同時，硬件水平的升級也會促進理論研究的發(fā)展，理論與硬件水平的相互促進在空間物理的研究中尤為明顯。我國航天事業(yè)發(fā)展迅猛，空間物理的進展也較為迅速，對于電離層物理、中高層大氣物理、地磁與磁層物理、太陽活動與太陽風(fēng)及行星物理等的研究開始追趕國際先進水平，我國航空航天事業(yè)、氣象監(jiān)測等技術(shù)也邁向國際頂尖行列。

空間物理學(xué)以空間中等離子體中粒子、磁場、電場、波動及其他物理參量的直接探測資料為基礎(chǔ)建立了整個空間的形態(tài)模型，主要包括日球?qū)游锢韺W(xué)、磁層物理學(xué)、高層大氣物理學(xué)、行星和彗星物理學(xué)等領(lǐng)域的研究。與其他方法相比，以地球全球為研究對象的全球電磁測深方法的場源由太陽風(fēng)引起的磁層環(huán)電流及地球主磁場共同構(gòu)成，此外還應(yīng)考慮海水、地殼中的高導(dǎo)體等良導(dǎo)介質(zhì)感應(yīng)產(chǎn)生的電磁場的影響。全球電磁測深法的探測深度為400～1 600 km，最深可達下地幔，遠超過其他電磁勘探方法，可以對地幔的電性結(jié)構(gòu)進行探測與解釋，填補當(dāng)前研究領(lǐng)域中對地幔這一深度結(jié)構(gòu)的研究空白。此外，“子午工程”以東經(jīng)120°附近的15 個監(jiān)測臺站來搭建觀測網(wǎng)絡(luò)，觀測范圍完整地覆蓋了我國領(lǐng)土，并向南北兩極進行了延伸，促進了我國電離層物理、中高層大氣物理、地磁與磁層物理等方面的研究?！版隙鸸こ獭敝校瑲W陽自遠院士認(rèn)為目前獲取的數(shù)據(jù)，可以滿足我國對月球相關(guān)研究的十年發(fā)展[6]?！鞍目埔惶枴毙l(wèi)星則是世界唯一利用中低傾角軌道監(jiān)測南大西洋異常區(qū)地磁場與空間環(huán)境的科學(xué)探測衛(wèi)星[7]。中國火星探測計劃中，“天問一號”已經(jīng)成功著陸火星，并對火星的地磁場、磁場指數(shù)及電離層中的電流進行了數(shù)據(jù)采集?；诘仉妼W(xué)的理論基礎(chǔ)，我國已成功開展了大氣及空間物理的科研突破，并開始向深空探測發(fā)展。

這一系列航天事業(yè)的進步，極大地促進了空間物理的發(fā)展，電法勘探作為其中重要的一員，發(fā)揮了極大的作用。如今，“澳科二號”衛(wèi)星的發(fā)射也已提上了日程，我國空間站已攜航天員成功返航，且已經(jīng)開始部署下一步航天站科研計劃，這表示中國的空間探測正向著更深更遠處進發(fā)，這需要我們培養(yǎng)更多的空間物理領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，同時也標(biāo)志著中華民族中國夢正在一步一步地實現(xiàn)。

三 結(jié)束語

傳統(tǒng)的地電學(xué)本科教學(xué)在知識的傳授方面足以勝任，但在喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、科研熱情與愛國情懷方面仍需進步。為了改變這一現(xiàn)象，本文將思政教育與地電學(xué)本科教學(xué)結(jié)合在一起，既完成了包含電磁場基本理論、大地電磁法、直流電法和全球電磁測深法等地電學(xué)本科知識教學(xué)，也完成了思政課程的授予，激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性和民族自豪感，并使其深思自己肩負(fù)的使命，在學(xué)到課本上的知識的同時，更進一步認(rèn)識到了自己的責(zé)任，培養(yǎng)科研氛圍，調(diào)動科研熱情，學(xué)習(xí)大年精神，去做祖國發(fā)展浪潮中的一朵小小的浪花。

經(jīng)過教學(xué)實踐，本文提出的結(jié)合思政教育的教學(xué)方法，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達到令學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的，并通過使學(xué)生意識到民族自豪感和自己肩負(fù)的時代任務(wù)，喚起了科研熱情，加強了學(xué)生繼續(xù)深造的想法，推動科研發(fā)展，并不斷推陳出新，為實現(xiàn)中國夢，實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興貢獻自己的力量。