邰振華 程 妍 商宇航 王 冠

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

位場(重磁)勘探廣泛用于基礎(chǔ)地質(zhì)研究、礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)災(zāi)害防治、環(huán)境與工程勘查等領(lǐng)域。其中，數(shù)據(jù)處理是由觀測數(shù)據(jù)到地質(zhì)解釋的必經(jīng)環(huán)節(jié)，處理精度對勘探質(zhì)量、地質(zhì)任務(wù)達(dá)成度至關(guān)重要[1]。在傳統(tǒng)課程體系中，位場數(shù)據(jù)處理教學(xué)是地球物理勘探專業(yè)的必修課，并非其他地質(zhì)類專業(yè)(如資源勘查工程、地質(zhì)工程等)的重點教學(xué)內(nèi)容。然而，基于行業(yè)對復(fù)合型技術(shù)人才的渴求、學(xué)習(xí)產(chǎn)出教育理念(簡稱OBE)的深化，數(shù)據(jù)處理的理論與實驗教學(xué)已然成為地質(zhì)類專業(yè)課程體系的必要內(nèi)容。

位場數(shù)據(jù)處理是對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的數(shù)理加工，提取與地質(zhì)任務(wù)有關(guān)的異常信息，涉及地球物理學(xué)、數(shù)學(xué)、電子信息學(xué)、計算機科學(xué)等學(xué)科的知識交叉，具有理論深、公式繁雜及實用性強的特點[2]。傳統(tǒng)教學(xué)模式下，數(shù)據(jù)處理的理論與實驗教學(xué)分開，理論教學(xué)多為公式推導(dǎo)與灌輸式講授，輔以板書、多媒體，忽略了學(xué)生真實的理解與接受能力，學(xué)生理論水平不高使得實驗教學(xué)質(zhì)量難以提升[3]。對于缺少先導(dǎo)數(shù)理課程的地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生，傳統(tǒng)教學(xué)模式的不利影響更甚[4]。此外，“經(jīng)典內(nèi)容多”與“學(xué)時有限”的矛盾突顯，也造成了課程缺乏科技前沿知識的問題。此種教學(xué)模式難以落實OBE教學(xué)理念，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新探究能力。

黑龍江科技大學(xué)是“教育部新工科研究與實踐項目實施高校”“黑龍江省特色應(yīng)用型本科建設(shè)示范高?！?，目標(biāo)是建成“礦業(yè)特色鮮明的高水平應(yīng)用型大學(xué)”。多年來，學(xué)校與行業(yè)合作密切，地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生增多，教學(xué)規(guī)模擴大，如何更好培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力成為教學(xué)改革的努力方向。針對位場數(shù)據(jù)處理教學(xué)環(huán)節(jié)的實際問題，本文以我校地學(xué)信息實驗室為依托，以獨立開發(fā)的Matlab程序包為支撐，提出了一種理論與實驗同步教學(xué)的新模式，以體驗式、探索式教學(xué)代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)，實現(xiàn)“理論學(xué)習(xí)—實驗消化—理解應(yīng)用”一體化，促進(jìn)實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

1 教學(xué)改革支撐條件

1.1 地學(xué)信息實驗室提供硬件條件

鑒于現(xiàn)代地學(xué)信息技術(shù)對地質(zhì)類專業(yè)教學(xué)體系的重要性，我校建成了以“3S”技術(shù)、地學(xué)信息采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)等為核心的地學(xué)信息實驗室。實驗室擁有高性能計算機60臺、地學(xué)信息采集與處理教學(xué)系統(tǒng)1套、“3S”技術(shù)教學(xué)系統(tǒng)1套、巖礦鏡下分析與鑒定教學(xué)系統(tǒng)1套。其中，地學(xué)信息采集與處理教學(xué)系統(tǒng)不僅包含了Matlab，Surfer，Origin，MapGIS，CAD等編程與繪圖軟件，還有部分商業(yè)化數(shù)據(jù)處理軟件。實驗室的承載力能夠滿足教學(xué)需求，配備的機房管理系統(tǒng)能夠輔助“教”與“學(xué)”的靈活轉(zhuǎn)變。

1.2 獨立開發(fā)的Matlab程序包提供軟條件

商業(yè)化教學(xué)軟件類似“黑盒子”，學(xué)生看不到程序代碼，僅能在界面進(jìn)行處理項選擇、計算參數(shù)輸入等固定操作，教學(xué)效果不佳。為了給教學(xué)改革提供有力支撐，需要單獨開發(fā)一套開源屬性的程序包。

Matlab是集算法開發(fā)、科學(xué)計算、信號分析及數(shù)據(jù)可視化于一體的高級技術(shù)計算語言，具有編程效率高、程序調(diào)試便捷、庫函數(shù)豐富、計算與繪圖能力強等特點，已成為國內(nèi)外科學(xué)研究的主流編程軟件。相比于C，F(xiàn)ortran等基礎(chǔ)語言，Matlab憑借功能強、易掌握等優(yōu)點,更適合輔助數(shù)據(jù)處理的實驗教學(xué)。在遴選、歸納數(shù)據(jù)處理的重點教學(xué)內(nèi)容后，融入前沿性處理方法，獨立開發(fā)了一套由預(yù)處理、位場正演、常規(guī)處理及位場反演4個模塊構(gòu)成的位場數(shù)據(jù)處理教學(xué)程序包，各模塊的內(nèi)容見圖1。此程序包的源代碼均為開源。開源的優(yōu)勢為：

1)學(xué)生能夠看到程序代碼，在教師講解下，學(xué)習(xí)如何將基本理論、計算公式等內(nèi)容轉(zhuǎn)化為計算機程序；

2)各程序間可以靈活調(diào)用、組合，便于學(xué)生驗證自主設(shè)計的數(shù)據(jù)處理方案，以探索式教學(xué)快速掌握所學(xué)知識；

3)便于學(xué)生對程序的二次開發(fā)與優(yōu)化，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力；

4)可隨時加入前沿性處理方法，快速更新教學(xué)內(nèi)容。

2 理論與實驗同步教學(xué)的新模式

位場數(shù)據(jù)處理的傳統(tǒng)教學(xué)將理論課堂與實驗隔開，既限制了教學(xué)質(zhì)量的提高，也浪費了學(xué)時。理論課堂是以多媒體輔助的單向灌輸式講授，無法動態(tài)展現(xiàn)算法的內(nèi)涵、參數(shù)對處理進(jìn)程與結(jié)果的影響機制，學(xué)生多硬性記憶而非理解；后續(xù)實驗多流于形式，學(xué)生實踐水平不高。例如，位場向下延拓的傳統(tǒng)教學(xué)，理論課堂重點講授了向下延拓的基本原理與計算公式，給出了處理結(jié)果隨延拓深度的變化規(guī)律，但缺乏直觀體驗，學(xué)生僅記住了概念與性質(zhì)，對算法局限性、干擾信號特征、高頻壓制等重要知識不理解；后續(xù)上機實驗，學(xué)生無法用理論知識解釋實驗現(xiàn)象，對位場正演、向下延拓及高頻壓制的組合應(yīng)用能力差，甚至出現(xiàn)“錯用導(dǎo)數(shù)換算”“懶于操作、相互抄襲”等問題。傳統(tǒng)教學(xué)忽略了“數(shù)據(jù)處理的理論與實驗相輔相成”的天然屬性，質(zhì)量提升存在先天性不足。

古語云：“耳聞之不如目見之，目見之不如足踐之，足踐之不如手辨之”。為實現(xiàn)“理論學(xué)習(xí)—實驗消化—理解應(yīng)用”一體化，將傳統(tǒng)教學(xué)徹底改為理論與實驗同步教學(xué)的新模式。新模式下，理論與實驗教學(xué)課堂合并(場所為地學(xué)信息實驗室)，因模塊內(nèi)數(shù)據(jù)處理方法的基本原理具有相通性，教師只需重點講授通用性、核心的基礎(chǔ)理論，每個模塊甄選一種處理方法進(jìn)行系統(tǒng)演示。演示內(nèi)容主要包括處理結(jié)果與原始值的差異、處理結(jié)果與真實值的差異、處理結(jié)果隨參數(shù)變化規(guī)律、方法對噪聲等高頻干擾的反饋、組合濾波的選擇等。在必要講解與系統(tǒng)演示的共同作用下，將方法的代碼編寫、局限性、干擾影響、高頻壓制及參數(shù)選擇等重要知識傳授給學(xué)生。而后，學(xué)生自由選擇處理方法，模仿教師操作進(jìn)行體驗式學(xué)習(xí)。操作熟練后，向?qū)W生布置兩種類型的作業(yè)：一是完成方法理論與實際應(yīng)用的分析總結(jié)；二是指出方法的優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生以文獻(xiàn)查閱、小組交流等方式，探索方法的改進(jìn)措施。在最終考核中，將學(xué)生分組，要求每組完成一個完整的數(shù)據(jù)處理流程，并對其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行剖析，完成討論與評價。

在體驗式、探索式的新教學(xué)模式下，教師角色轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者、答疑人，學(xué)生動腦與動手同步，教—練—研三者融合，理論知識的內(nèi)涵理解、實際應(yīng)用及創(chuàng)新有機結(jié)合。

3 教學(xué)實際案例

以向下延拓為例，模擬實驗需要模塊2的水平圓柱體正演程序提供數(shù)據(jù)支持。在調(diào)用水平圓柱體正演程序時，學(xué)生設(shè)置不同模型參數(shù)，可獲得相應(yīng)異常值，實現(xiàn)異常的可視化，掌握地質(zhì)體參數(shù)對地表觀測數(shù)據(jù)的影響機制。

以兩個水平圓柱體(模型參數(shù)如表1所示)模擬地質(zhì)條件，加入隨機噪聲模擬實際測量的干擾因素，正演結(jié)果見圖2。其中，地質(zhì)體2因規(guī)模小，異常特征不明顯，可采用向下延拓加以突出。如圖3所示，使用直接FFT法程序，延拓3倍點距對地質(zhì)體2有微弱的突出效果，而5倍點距的處理結(jié)果噪聲干擾嚴(yán)重，說明向下延拓可以突出局部異常，但直接FFT法的延拓深度有限。如圖4所示，換用兩種前沿方法進(jìn)行向下延拓[5]，延拓10倍點距的結(jié)果未受明顯干擾，但方法A與真實值的擬合度遠(yuǎn)大于方法B。此實驗中，學(xué)生能夠親身體驗處理結(jié)果隨計算參數(shù)的變化規(guī)律，分析濾波特性，發(fā)現(xiàn)向下延拓的局限性，體驗前沿方法的優(yōu)缺點，探尋潛在的改進(jìn)方式。在傳統(tǒng)課堂，學(xué)生很難理解這些重要的知識點，但在理論與實驗同步的新課堂，體驗式與探索式教學(xué)模式能輔助學(xué)生高效消化知識。

表1 模型參數(shù)

4 教學(xué)改革成效

自2019年教學(xué)改革后，我校地質(zhì)類學(xué)生的位場數(shù)據(jù)處理能力明顯提高，主要成效如下：

1) 2018年—2020年期末考試均設(shè)置了位場數(shù)據(jù)處理方面的主客觀題目，且難易度相近。經(jīng)統(tǒng)計，此類題目2018年的得分率僅為67.23%，2019年,2020年得分率依次為83.46%，81.82%。2019年，2020年的得分率明顯高于2018年，2020年線上授課對理論與實驗同步教學(xué)的新模式影響較小，教學(xué)改革成效明顯。

2)基于位場數(shù)據(jù)處理程序包的二次開發(fā)與優(yōu)化，學(xué)生申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目2項。

5 結(jié)語

位場數(shù)據(jù)處理是利用位場勘探技術(shù)達(dá)成地質(zhì)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，教學(xué)質(zhì)量對地質(zhì)類專業(yè)人才培養(yǎng)至關(guān)重要。然而，課程內(nèi)容存在公式繁雜、理論抽象等問題，加之傳統(tǒng)教學(xué)的理論課堂與實驗脫節(jié)，造成學(xué)生的知識理解與運用能力欠佳。為此，本文提出了理論與實驗同步教學(xué)的新模式。將理論與實驗課堂合并轉(zhuǎn)入地學(xué)實驗室，以獨立開發(fā)的Matlab程序包為軟件支撐，理論講解與上機操作同步進(jìn)行，體驗式教學(xué)輔助了算法濾波特性、局限性等教學(xué)難點的突破，開源程序的二次開發(fā)保障了算法改進(jìn)等探索內(nèi)容的教學(xué)。教—練—研的有效融合，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，提高了自我學(xué)習(xí)、實際應(yīng)用及創(chuàng)新能力。