柴新濤 汪玲玲 彭榮華

摘要：MATLAB是一款廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析及可視化的交互式編程軟件，《MATLAB語言及應(yīng)用》是勘查技術(shù)與工程專業(yè)勘查地球物理方向一門重要的課程，MATLAB內(nèi)容多、課時(shí)有限，如何在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生盡可能全面地掌握MATLAB并靈活應(yīng)用于解決專業(yè)課程問題值得深入研究。筆者根據(jù)近年來在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）任教MATLAB課程經(jīng)歷，探索出一套適用于勘查技術(shù)與工程（勘查地球物理方向）的MATLAB教學(xué)方案，并探討了MATLAB授課與即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：勘查技術(shù)與工程；勘查地球物理；MATLAB

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）23-0158-03

一、引言

MATLAB是MATrix和LABoratory前三個(gè)字母的組合，寓意為矩陣實(shí)驗(yàn)室[1]。MATLAB是由MathWorks公司開發(fā)的面向科學(xué)計(jì)算、算法研發(fā)、數(shù)據(jù)分析可視化的交互式程序設(shè)計(jì)軟件，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平[2]，其官網(wǎng)為：https：//www.mathworks.com/。MATLAB以友善的使用環(huán)境、強(qiáng)大的符號(hào)處理、精確的數(shù)值計(jì)算、靈活的圖形顯示、高效的編程功能為越來越多的教師、學(xué)生和科研人員所喜愛。目前，MATLAB已成為國(guó)內(nèi)外理工科大學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和進(jìn)行科學(xué)研究的主要編程語言之一，眾多高等院校都為理工科學(xué)生開設(shè)了《MATLAB語言及應(yīng)用》課程[3]。MATLAB語言內(nèi)容多，特別是函數(shù)命令及其使用方式變化多樣，且應(yīng)用面廣泛，參考學(xué)習(xí)資料眾多，但課程學(xué)時(shí)有限。如何在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生盡可能全面地掌握MATLAB并靈活應(yīng)用于解決專業(yè)課程問題值得深入研究。筆者結(jié)合近年來在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）任教《MATLAB語言及應(yīng)用》課程的經(jīng)歷以及自身的工作、研究經(jīng)歷，進(jìn)行了總結(jié)與實(shí)踐，探索出一套較為適用于勘查技術(shù)與工程專業(yè)（勘查地球物理方向）的MATLAB語言教學(xué)方案。

二、課程教學(xué)背景

勘查地球物理是一門應(yīng)用物理的原理解決礦產(chǎn)油氣資源勘查問題的理論和方法的學(xué)科。勘查技術(shù)與工程專業(yè)（勘查地球物理方向）著重培養(yǎng)學(xué)生掌握重力、磁法、電法、地震等地球物理勘查的科學(xué)知識(shí)和方法技術(shù)。在公共基礎(chǔ)課和專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中，平時(shí)作業(yè)、課程報(bào)告、畢業(yè)論文等多方面要用到MATLAB。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）勘查技術(shù)與工程專業(yè)（勘查地球物理方向）《MATLAB語言及應(yīng)用》課程共32學(xué)時(shí)，包括20學(xué)時(shí)理論課，12學(xué)時(shí)上機(jī)課。

三、教學(xué)方案設(shè)計(jì)

由于MATLAB語言內(nèi)容多，32學(xué)時(shí)不可能全面涉及，在教學(xué)方案設(shè)計(jì)過程中，筆者考慮到學(xué)生的專業(yè)及培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合筆者在工作、學(xué)習(xí)和科研過程中對(duì)MATLAB的使用經(jīng)歷以及學(xué)生的興趣點(diǎn)，將課程主要內(nèi)容概括整理為以下幾個(gè)章節(jié)。

第一章，引入MATLAB。在本章首先向?qū)W生介紹什么是MATLAB，MATLAB相比于其他編程語言（比如C++）的優(yōu)點(diǎn)。接著，向?qū)W生展示MATLAB在本專業(yè)的應(yīng)用，比如演示地震勘探數(shù)據(jù)處理過程中的程序（像多次波壓制、噪聲壓制、數(shù)據(jù)插值等），列舉MATLAB在重力、磁法、電法勘探應(yīng)用例子，讓學(xué)生了解MATLAB在本專業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。進(jìn)而，向?qū)W生介紹國(guó)外公開的與本專業(yè)相關(guān)的MATLAB代碼包，比如阿爾伯塔大學(xué)Sacchi教授團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的SeismicLab，讓學(xué)生對(duì)MATLAB在本專業(yè)中的應(yīng)用有整體認(rèn)識(shí)。此外，向?qū)W生介紹MATLAB在當(dāng)前熱門研究領(lǐng)域中的應(yīng)用，比如人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)MATLAB有用，進(jìn)而“學(xué)以致用，以用促學(xué)”。

第二章，MATLAB編程基礎(chǔ)，包括MATLAB的函數(shù)、參數(shù)、變量等的命名規(guī)則，MATLAB的幫助函數(shù)help、doc，部分通用命令，語言標(biāo)點(diǎn)，數(shù)據(jù)類型，矩陣數(shù)組操作及分析函數(shù)，符號(hào)運(yùn)算。著重向?qū)W生介紹在專業(yè)學(xué)習(xí)過程中用到的內(nèi)容，注重及時(shí)演示，比如演示清除命令clear、清屏命令clc。

第三章，MATLAB編程核心，包括介紹.m文件編輯環(huán)境，文件操作指令（addpath、genpath加載路徑等），默認(rèn)的特殊變量及關(guān)鍵字，控制流（if-else分支結(jié)構(gòu)、switch-case分支結(jié)構(gòu)、for和while循環(huán)等），腳本和函數(shù)，程序調(diào)試和優(yōu)化，數(shù)據(jù)讀寫（load、save、fread、fwrite、讀寫txt、segy文件）。

第四章，MATLAB數(shù)據(jù)可視化，包括畫圖時(shí)輸入?yún)?shù)的介紹，二維和三維畫圖，考慮到學(xué)生會(huì)經(jīng)常涉及到圖片保存用于寫作業(yè)、課程報(bào)告等，筆者介紹了便捷的高分辨率圖片保存命令。數(shù)據(jù)可視化是MATLAB較為重要的一個(gè)應(yīng)用，筆者注重于結(jié)合學(xué)生的專業(yè)課內(nèi)容，比如結(jié)合地震勘探的數(shù)據(jù)來介紹常用的畫圖命令plot、subplot、imagesc、colormap、slice等。此外，結(jié)合地震勘探波場(chǎng)的傳播過程，向?qū)W生介紹如何利用MATLAB制作動(dòng)圖。

第五章，MATLAB的應(yīng)用。著重于介紹MATLAB在地球物理勘查過程中的應(yīng)用。由于時(shí)間有限，筆者僅向?qū)W生展示了部分容易理解的例子，比如MATLAB用于地震數(shù)據(jù)的插值、河流流量及河底工程布線長(zhǎng)度測(cè)算、國(guó)土面積及國(guó)界線長(zhǎng)度測(cè)算、山地土方及儲(chǔ)層厚度測(cè)算等。由于地球物理勘查過程中通常涉及計(jì)算量較大的數(shù)據(jù)處理，筆者向?qū)W生詳細(xì)介紹了如何利用MATLAB做并行計(jì)算。筆者基于地震數(shù)據(jù)噪聲壓制程序向?qū)W生詳細(xì)介紹了怎么做好MATLAB的程序設(shè)計(jì)、綜合利用前幾章所學(xué)知識(shí)寫出一套系統(tǒng)的MATLAB程序。

筆者根據(jù)自身講課經(jīng)歷，20個(gè)理論課學(xué)時(shí)僅能介紹到前五章。筆者將MATLAB的圖形用戶界面（即如何利用MATLAB編寫圖形用戶界面軟件）、MATLAB編譯器（即如何編譯發(fā)布MATLAB編寫的圖形用戶界面軟件）、MATLAB的外部接口mex文件（即如何在MATLAB環(huán)境下調(diào)用C、C++程序）等章節(jié)內(nèi)容作為課后拓展學(xué)習(xí)。MATLAB編程語言課涉及代碼較多，僅用多媒體和板書會(huì)有些枯燥，筆者采用板書、多媒體加現(xiàn)場(chǎng)演示程序的授課方式，以提高學(xué)生的注意力。在每章節(jié)及時(shí)布置作業(yè)，以便學(xué)生上機(jī)練習(xí)，課后作業(yè)內(nèi)容與專業(yè)課緊密相關(guān)，著重讓學(xué)生在解決本專業(yè)相關(guān)問題的過程中掌握MATLAB。為了將理論課和上機(jī)課較好地結(jié)合，筆者認(rèn)為要在理論課后及時(shí)給學(xué)生安排上機(jī)，避免上機(jī)課和理論課間隔較長(zhǎng)。共12學(xué)時(shí)的上機(jī)課，可以盡量給學(xué)生安排6次上機(jī)、每次2學(xué)時(shí)，而不是安排3次上機(jī)、每次4學(xué)時(shí)。如若條件允許，在機(jī)房開展理論課，這樣教師每講完一部分內(nèi)容，學(xué)生可及時(shí)練習(xí)驗(yàn)證。關(guān)于課程考核評(píng)成績(jī)，日常考勤和平時(shí)作業(yè)占一定比例，同時(shí)將課程報(bào)告和閉卷考試相結(jié)合，有些不宜閉卷考試的內(nèi)容放到課程報(bào)告里，比如編寫復(fù)雜的Matlab程序、讀寫數(shù)據(jù)、畫圖、結(jié)果查驗(yàn)等；有些內(nèi)容可以采用閉卷考試，比如一些必須掌握的函數(shù)命令、語法格式、矩陣數(shù)組操作、if-else分支結(jié)構(gòu)、for循環(huán)、while循環(huán)等。在平時(shí)作業(yè)和課程報(bào)告布置的過程中，要做到每位學(xué)生難度相同但內(nèi)容有差異，比如布置的課后作業(yè)、課程報(bào)告與學(xué)生的序號(hào)有關(guān)。

四、國(guó)外專業(yè)相關(guān)MATLAB公開資源介紹

古人云“授之以魚不如授之以漁”。介紹完課堂基本內(nèi)容，可以給學(xué)生介紹一些較好的相關(guān)學(xué)習(xí)資源，進(jìn)行深入拓展學(xué)習(xí)。這里列舉了一部分勘查技術(shù)與工程專業(yè)（勘查地球物理方向）相關(guān)的MATLAB公開資源。

1.阿爾伯塔大學(xué)Sacchi教授團(tuán)隊(duì)所公開的SeismicLab軟件MATLAB代碼包，其官網(wǎng)為http：//seismic-lab.physics.ualberta.ca/index.html。SeismicLab包含了頻率域帶通濾波、子波估計(jì)、頻率空間域噪聲壓制、頻率空間域地震數(shù)據(jù)插值、Radon變換壓制多次波、速度分析等地震勘探數(shù)據(jù)處理過程中涉及的方法技術(shù)。

2.卡爾加里大學(xué)地球科學(xué)系CREWES學(xué)術(shù)研究組所公開的CREWES包，其官方網(wǎng)址為https：//www.crewes.org/ResearchLinks/FreeSoftware/。CREWES包含了許多可視化工具、有限差分地震正演模擬、Gabor反褶積、快速?gòu)V義傅里葉變換地震數(shù)據(jù)插值、反演、地震偏移工具箱、疊前各向異性逆時(shí)偏移、射線追蹤、反射率法正演模擬、segy數(shù)據(jù)讀寫、地震數(shù)據(jù)處理工具箱、VSP數(shù)據(jù)處理工具箱、井震匹配等較為齊全的地震數(shù)據(jù)處理解釋程序。同時(shí)，在該網(wǎng)址可下載Margrave教授所撰寫的書籍《Numerical Methods of Exploration Seismology with algorithms in MATLAB》，介紹了勘探地震學(xué)方法的Matlab編程實(shí)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)Matlab編程的同時(shí)學(xué)習(xí)了專業(yè)英語。

3.IP4DI是科羅拉多礦業(yè)學(xué)院地球物理系A(chǔ).Revil教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的時(shí)移電阻率數(shù)據(jù)處理與反演MATLAB軟件包（https：//github.com/mariosgeo/ipi4d）。IP4DI軟件采用標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)化算法及主動(dòng)時(shí)間約束算法，能夠用于二維、三維及四維直流電阻率法、時(shí)域激發(fā)極化和頻率域發(fā)極化法的正反演研究，并適用于地面、井地及井間等觀測(cè)類型。

4.Computers & Geosciences期刊，該期刊的一個(gè)特點(diǎn)是：在該期刊發(fā)表的論文，多會(huì)在該期刊的官網(wǎng)公開論文對(duì)應(yīng)的程序。該期刊官網(wǎng)為：https：//www.journals.elsevier.com/computers-and-geosciences/。該期刊是勘查地球物理領(lǐng)域較高級(jí)別期刊之一，會(huì)有最新的、較為前沿的方法技術(shù)在此發(fā)表。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)Matlab編程的同時(shí)，也掌握了本專業(yè)較為前沿的新方法新技術(shù)，加深了對(duì)專業(yè)的認(rèn)知。

5.SegyMAT，一個(gè)較為系統(tǒng)全面的segy格式地震數(shù)據(jù)讀寫源代碼包，其官網(wǎng)為.http：//segymat.sourceforge.net/。值得注意的是，我們?cè)谙驅(qū)W生介紹公開的學(xué)習(xí)資源時(shí)，我們應(yīng)該警醒學(xué)生在學(xué)習(xí)利用他人程序的同時(shí)，要注重對(duì)他人知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果的尊重與致謝。

五、MATLAB課程與即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件

隨著有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及智能手機(jī)的推廣普及，以騰訊QQ、微信為代表的即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件具有滿足大學(xué)生移動(dòng)式學(xué)習(xí)、互動(dòng)式參與等重要功能，將Matlab課程與即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件相結(jié)合，筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①通過即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件，教師和學(xué)生可以實(shí)時(shí)交流討論、答疑解惑，不受時(shí)間空間的限制，解決了“學(xué)生找不到老師”、“老師找不到學(xué)生”的問題。②《MATLAB語言及應(yīng)用》課程涉及很多代碼程序、數(shù)據(jù)處理及可視化，通過即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件，教師可以將課件、電子教學(xué)資源、代碼和數(shù)據(jù)及時(shí)共享給學(xué)生。③通過即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件的群功能，一位學(xué)生存有困惑，教師解答時(shí)會(huì)被所有學(xué)生看到，提高了答疑效率。即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件的語音留言功能方便了教師和學(xué)生之間的交流。

六、結(jié)語

《MATLAB語言及應(yīng)用》是勘查技術(shù)與工程專業(yè)勘查地球物理方向一門重要的課程，筆者針對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)要求，將MATLAB課程、學(xué)生專業(yè)、筆者自身科研經(jīng)歷相結(jié)合，踐行“學(xué)以致用，以用促學(xué)”的教學(xué)模式，探索出一套適用于勘查技術(shù)與工程專業(yè)（勘查地球物理方向）的《MATLAB語言及應(yīng)用》教學(xué)方案，介紹了一些與學(xué)生專業(yè)密切相關(guān)的國(guó)際化MATLAB學(xué)習(xí)資源，探討了將Matlab課程與即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊軟件相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，有益于提升《MATLAB語言及應(yīng)用》教學(xué)質(zhì)量。

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