地磁日變觀測與日變規(guī)律研究實驗方案的構(gòu)建

地磁日變觀測與日變規(guī)律研究實驗方案的構(gòu)建

一、發(fā)展開放型實驗實驗項目，拓展實驗教學(xué)和研究人才培養(yǎng)模式中國的高等教育在實驗教學(xué)上與國外相比呈現(xiàn)出差距。以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)的實驗教學(xué)改革十分重要。創(chuàng)新型實驗教學(xué)體系的構(gòu)建是當(dāng)前實驗教學(xué)改革的核心，在傳統(tǒng)實驗項目的基礎(chǔ)上增設(shè)綜合型、設(shè)計型、學(xué)生自主型、專題研究型的開放實驗項目對解決當(dāng)前實驗教學(xué)資源緊缺、提高實驗教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)創(chuàng)新人才均具有重要的意義。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在實驗教學(xué)方面推出一系列改革舉措，通過整合實驗室資源創(chuàng)建一批開放實驗室（中心），為學(xué)生創(chuàng)造了自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)的實驗條件，并設(shè)立開放實驗基金以鼓勵和資助開放實驗項目的實施。這種以實驗教師為主導(dǎo)、以學(xué)生實踐和研究為主體的開放性教學(xué)實驗項目的探索與實踐正在有序地推進(jìn)，并已初見成效。地球物理學(xué)專業(yè)是一個理工結(jié)合、強調(diào)實踐能力與研究能力培養(yǎng)的應(yīng)用型地學(xué)專業(yè)，學(xué)生可以依托地球物理開放實驗室（中心）和地球物理學(xué)專業(yè)相關(guān)的開放實驗項目進(jìn)行實踐能力與創(chuàng)新能力的拓展?！暗卮湃兆冇^測與日變規(guī)律研究”是在“應(yīng)用地磁學(xué)”課程實驗教學(xué)大綱之外設(shè)立的專題研究性實驗項目，旨在讓學(xué)生通過實際觀測了解地球磁場存在的短期平靜變化規(guī)律，深入認(rèn)識地磁勘探中地磁日變觀測的必要性，并掌握日變觀測與日變校正的方法，增強學(xué)生實際動手能力，培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)問題、分析與解決問題的能力。二、觀測場所與知識儲備“地磁日變觀測與日變規(guī)律研究”開放實驗教學(xué)項目設(shè)計緊密結(jié)合了“應(yīng)用地磁學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容，將地磁場理論中的地磁日變規(guī)律作為研究內(nèi)容，以實際觀測為研究手段，以我校校園及周邊作為觀測場所開展地磁日變專題實驗研究。此實驗對儀器設(shè)備、觀測場所、學(xué)生“容量”及知識儲備均有較高的要求。要求選用性能穩(wěn)定、高精度、帶電時間長的質(zhì)子磁力儀進(jìn)行觀測，觀測場所要空曠、無各種人為干擾。同時要求參與實驗的學(xué)生（6～8人）提前學(xué)習(xí)“地磁場理論”與“野外磁測方法”的相關(guān)知識，這樣有助于最大程度地提高學(xué)生在觀測實驗中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，有助于深化學(xué)生對日變觀測和日變校正對磁力勘探具有重要意義的認(rèn)識。本次實驗的總體設(shè)計思路是，在我校教學(xué)區(qū)及周邊選擇適合日變觀測的場所，組織學(xué)生利用質(zhì)子磁力儀進(jìn)行地磁場的日變觀測，根據(jù)一年四季中具有代表性時日（設(shè)計4～8天）的24小時觀測結(jié)果，分析地磁日變隨季節(jié)、地方時的變化規(guī)律以及影響地磁日變觀測的因素等。三、觀測場所與日變數(shù)據(jù)的確定根據(jù)實驗設(shè)計的總體思路確定了實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括日變觀測場所的選擇實驗、多臺觀測儀器的對比實驗、日變觀測及數(shù)據(jù)分析、日變規(guī)律與影響因素研究等。在如上的實踐環(huán)節(jié)中，以學(xué)生為主體通過分組與協(xié)作完成各環(huán)節(jié)的任務(wù)，此間教師起到引導(dǎo)和監(jiān)督作用。比如在日變觀測場所的選擇上，學(xué)生在教學(xué)區(qū)內(nèi)選擇了一處空曠地并進(jìn)行長達(dá)20小時的日變觀測，發(fā)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)沒有表現(xiàn)出白天變化大、夜晚變化小且依賴于地方時的日變規(guī)律，而是被干擾信號所淹沒。學(xué)生通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這種干擾信號具有周期性特點，認(rèn)為可能是教學(xué)區(qū)內(nèi)的各種設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾所致。此時，學(xué)生們大膽提出了更換觀測場所的建議，選擇在距學(xué)校較近的奧林匹克森林公園內(nèi)進(jìn)行，利用3臺儀器分別連續(xù)觀測10小時，后發(fā)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)依然表現(xiàn)出周期信號的特點，分析認(rèn)為公園內(nèi)盡管地面建筑及設(shè)備較少、人為干擾小，但地下密集的管線是影響觀測數(shù)據(jù)的重要干擾因素。因此再次轉(zhuǎn)移觀測場所至北京郊區(qū)延慶縣岔道村的開闊田地里，此處多臺儀器的觀測結(jié)果均顯示出日變幅度依賴于地方時的明顯規(guī)律。此外，由于日變幅度較?。槭畮讉€納特），利用多臺儀器同時觀測日變時，不僅要求儀器性能穩(wěn)定、精度高，還要求儀器的一致性能好，因此學(xué)生進(jìn)行了6臺儀器在多個觀測場所的一致性對比實驗與噪聲實驗，最終選擇3臺質(zhì)子磁力儀用于日變觀測。在日變數(shù)據(jù)分析、日變規(guī)律及影響因素的研究中，為了對比不同季節(jié)、不同地域、不同環(huán)境下的變化特點，學(xué)生們提出能否借用北京以外其他地區(qū)的日變數(shù)據(jù)做綜合分析，經(jīng)討論選擇了北戴河地區(qū)的夏季日變數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于2009年地球物理專業(yè)學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)）和西藏地區(qū)的秋季日變數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于科研項目）進(jìn)行日變規(guī)律及影響因素分析。在每一個實踐環(huán)節(jié)中，教師提要求、嚴(yán)把關(guān)，學(xué)生親自動手、用心發(fā)現(xiàn)問題并分析問題。盡管實驗的過程很漫長、實驗的條件很艱辛，但學(xué)生從實驗中學(xué)會了面對科學(xué)問題應(yīng)該具有的科學(xué)態(tài)度和研究思路，針對實驗中出現(xiàn)的問題采取有效的方法進(jìn)行分析與解決，最終得出嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的研究成果。四、日變觀測條件分析通過采用質(zhì)子磁力儀在北京城區(qū)（我校教學(xué)區(qū)內(nèi)、奧運森林公園）及延慶郊區(qū)進(jìn)行的春、夏兩季的地磁日變觀測，并結(jié)合北戴河、西藏地區(qū)的夏、秋季日變觀測數(shù)據(jù)，分析總結(jié)出春、夏、秋三季的地磁日變特點及影響日變觀測的影響因素。北京郊區(qū)、北戴河及西藏地區(qū)的日變曲線特征明顯，總體規(guī)律表現(xiàn)為在春、夏、秋三季白天地磁場變化較大，極值出現(xiàn)在中午時分，年幅度在n～10n納特，夜晚變化小且平緩。我校校園區(qū)及奧運森林公園內(nèi)的實際觀測數(shù)據(jù)干擾嚴(yán)重，日變完全淹沒在干擾信號中，干擾源復(fù)雜，周邊來往車輛及行人、信號發(fā)射塔臺、變電設(shè)備及地下管線等均可能為日變觀測的影響因素。因此在地磁測量時，為了保證得到良好的日變數(shù)據(jù)，應(yīng)選擇遠(yuǎn)離干擾源的地點作日變站進(jìn)行日變觀測。四、日變觀測與地磁勘探日變觀測與日變校正是磁力勘探中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，通過本次專題實驗研究讓學(xué)生了解了地磁日變的規(guī)律及日變觀測的