唐 杰，孫成禹，張繁昌

（中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

在教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是為學(xué)生樹立終身學(xué)習(xí)觀念的至關(guān)重要的一點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)動(dòng)機(jī)是提高其科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)會(huì)影響他們對(duì)科學(xué)的認(rèn)知和科學(xué)素養(yǎng)的形成。通過培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)動(dòng)機(jī)，學(xué)生能夠獲得認(rèn)知成就，從而進(jìn)一步改善其學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)生的科學(xué)表現(xiàn)，獲得科學(xué)動(dòng)力［1-3］?？茖W(xué)動(dòng)機(jī)的培養(yǎng)，包括外部過程導(dǎo)向（出勤），內(nèi)部過程導(dǎo)向（興趣），外部成果導(dǎo)向（實(shí)驗(yàn)效果）和內(nèi)部成果導(dǎo)向（理解程度），鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上的積極表現(xiàn)，提升學(xué)生思考問題和解決問題的能力，能夠有效地促進(jìn)學(xué)生學(xué)業(yè)成績的提升。深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）作為機(jī)器學(xué)習(xí)的重要分支，近幾年來在眾多學(xué)科、領(lǐng)域內(nèi)都取得了頗具突破性進(jìn)展。深度學(xué)習(xí)是一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征學(xué)習(xí)的方法，并能夠建立、模擬人腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，仿照大腦面對(duì)信息時(shí)的處理模式，自動(dòng)對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋工作，將深度學(xué)習(xí)相關(guān)方法引入教學(xué)實(shí)踐中，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，提升學(xué)生處理實(shí)際問題的能力［4-5］。

地球物理專業(yè)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，因此在教學(xué)過程中，既要使學(xué)生掌握“三基”和初步掌握解決實(shí)際應(yīng)用問題的技能，又要通過實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)習(xí)等實(shí)踐性課程鞏固和加深課堂知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力［6-7］。讓學(xué)生能在完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)樹立嚴(yán)肅認(rèn)真和實(shí)事求是的態(tài)度，培養(yǎng)理論和實(shí)際相結(jié)合的科學(xué)作風(fēng)，鍛煉學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的能力以及分析問題和解決問題的能力［8-9］。斷層檢測是地震數(shù)據(jù)解釋中的一個(gè)非常經(jīng)典的問題，并且作為油氣生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)處理中的重要過程，非常適合作為地球物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主題。因此，設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的斷層檢測教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)基本原理

斷層檢測是地震資料解釋的一項(xiàng)重要工作，而人工斷層解釋耗時(shí)較長并且具有極強(qiáng)的主觀性，傳統(tǒng)的邊緣檢測屬性往往會(huì)產(chǎn)生模糊的斷層圖像，并且這些屬性對(duì)不同性質(zhì)的不連續(xù)性非常敏感，其中許多與斷層無關(guān)［10-11］。深度學(xué)習(xí)是可以模擬人腦思維機(jī)制的有智能、能自主學(xué)習(xí)的算法，通過構(gòu)建具有很多隱層的機(jī)器學(xué)習(xí)模型和海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，來學(xué)習(xí)和發(fā)掘數(shù)據(jù)中更有用的特征，從而更加精準(zhǔn)的完成分類或預(yù)測任務(wù)［12-13］。基于深度學(xué)習(xí)的斷層檢測方法，原理是將斷層檢測視為一個(gè)語義分割任務(wù)，使用人工合成的斷層訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫對(duì)搭建的U-Net 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練并測試，訓(xùn)練完備后便可應(yīng)用于實(shí)際地震數(shù)據(jù)中的斷層預(yù)測。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程設(shè)計(jì)

基于認(rèn)知學(xué)習(xí)理論方法，學(xué)習(xí)是通過認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和轉(zhuǎn)換來進(jìn)行的，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中促進(jìn)學(xué)生積極參與，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中通過處理和重組所學(xué)知識(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性。通過學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識(shí)，圍繞斷層檢測這一重要知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所提工作任務(wù)，完成實(shí)驗(yàn)測試與分析，在教學(xué)過程中要在教師的引導(dǎo)下分析任務(wù)目標(biāo)，針對(duì)所要求的任務(wù)目標(biāo)，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)操作流程，有計(jì)劃有步驟地解決問題?；赨-Net網(wǎng)絡(luò)的斷層檢測實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖1 所示，主要包括：相關(guān)理論知識(shí)的講解、學(xué)習(xí)UNet網(wǎng)絡(luò)、U-Net網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練、訓(xùn)練效果的測試與分析、對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層預(yù)測并分析，最后得出結(jié)論。

圖1 斷層檢測實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖

通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)動(dòng)機(jī)，在教學(xué)中可以改進(jìn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)建以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境，支持學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和獨(dú)立編程的自主權(quán)，充分利用學(xué)生的潛力和學(xué)習(xí)能力；強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的相輔相成，注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主體性和教學(xué)雙方的互動(dòng)性，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于所學(xué)知識(shí)應(yīng)用效果的深入認(rèn)識(shí)。學(xué)生通過親身參與實(shí)驗(yàn)可獲得認(rèn)知成就感，掌握處理實(shí)際問題的能力，進(jìn)而提升內(nèi)在科學(xué)動(dòng)力。通過該教學(xué)流程，學(xué)生可以很好地將理論知識(shí)和實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)合起來，不僅有利于加深對(duì)理論知識(shí)的掌握，同時(shí)還能提高創(chuàng)新能力。

2.2 U-Net網(wǎng)絡(luò)

深度學(xué)習(xí)是一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征學(xué)習(xí)的方法，并能夠建立、模擬人腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，仿照大腦面對(duì)信息時(shí)的處理模式，能夠自動(dòng)對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋工作。在教學(xué)過程中首先向?qū)W生講授U-Net 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合U-Net程序介紹其特點(diǎn)，U-Net網(wǎng)絡(luò)最初設(shè)計(jì)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)分割任務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由用于下采樣的收縮路徑和用于上采樣的對(duì)稱擴(kuò)展路徑組成。在收縮路徑中，利用連續(xù)的卷積池化層提取圖像中的特征信息，數(shù)據(jù)大小隨著通道數(shù)目的增加而減小，并且數(shù)據(jù)大小在底部達(dá)到最小值；與之相反，在擴(kuò)展路徑中，數(shù)據(jù)的大小隨著通道數(shù)的減少而變大，最后恢復(fù)到與原始數(shù)據(jù)相同并輸出結(jié)果。如圖2 所示給出了向?qū)W生提供的U-Net網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)并了解該網(wǎng)絡(luò)的主要模塊。

圖2 U-Net網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)基于Tensorflow 搭建的U-Net 網(wǎng)絡(luò)模型來實(shí)現(xiàn)，使用大小為128 ×128 的訓(xùn)練樣本組成的訓(xùn)練集對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練和測試。由教師提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練集共包含2 500 個(gè)訓(xùn)練樣本，將其中2 300 個(gè)數(shù)據(jù)劃分作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)、200 個(gè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)；測試集包括128 個(gè)數(shù)據(jù)，3 者是嚴(yán)格不相交的，教師提供的合成地震數(shù)據(jù)剖面及其對(duì)應(yīng)的斷層標(biāo)簽數(shù)據(jù)如圖3 所示。此外還可以引導(dǎo)學(xué)生自己拾取斷層標(biāo) 簽數(shù)據(jù)，豐富訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫。

圖3 合成地震數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的斷層標(biāo)簽

訓(xùn)練結(jié)束后得到準(zhǔn)確度（Accuracy）曲線和損失（Loss）曲線如圖4 所示。向?qū)W生講授如何結(jié)合訓(xùn)練準(zhǔn)確度和損失曲線來分析訓(xùn)練效果，理論與應(yīng)用相結(jié)合。通過分析可知網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中的準(zhǔn)確度逐步上升且在趨于97.2%左右時(shí)保持穩(wěn)定，損失值逐步下降并保持穩(wěn)定。從網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練準(zhǔn)確度和損失曲線可以初步判定U-Net網(wǎng)絡(luò)得到了正確有效的訓(xùn)練。

圖4 訓(xùn)練準(zhǔn)確度和損失曲線

2.4 數(shù)據(jù)測試分析

為了檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練效果，使用模型數(shù)據(jù)測試集對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5 所示。由圖5可見，訓(xùn)練完備的U-Net 網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確且完整地預(yù)測出地震數(shù)據(jù)中的斷層位置。

圖5 模型數(shù)據(jù)斷層檢測測試結(jié)果

為了進(jìn)一步讓學(xué)生了解所訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)中斷層的檢測能力，選用了某一工區(qū)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。實(shí)際數(shù)據(jù)斷層結(jié)果如圖6 所示，由圖6 可知訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)能夠有效地識(shí)別實(shí)際地震數(shù)據(jù)中的斷層信息，結(jié)合這個(gè)結(jié)果，進(jìn)一步向?qū)W生教授深度學(xué)習(xí)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。由圖6 還可見，其中的大斷層和較為明顯的小斷層基本都能被準(zhǔn)確地檢測出來，這進(jìn)一步說明了U-Net 網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的實(shí)際數(shù)據(jù)斷層檢測能力，有望應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)工作中。雖然在檢測實(shí)際地震數(shù)據(jù)中的斷層時(shí)，網(wǎng)絡(luò)只檢測到了數(shù)據(jù)中的大斷層和較為明確的小斷層，但是網(wǎng)絡(luò)的斷層檢測性能仍然可以通過在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中增加實(shí)際數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本來提高。因此，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中解釋某一工區(qū)的實(shí)際地震數(shù)據(jù)體時(shí)，解釋工作人員可以選擇并手動(dòng)拾取部分地震數(shù)據(jù)體中的斷層，將其添加至訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行再訓(xùn)練，便可以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能和對(duì)本工區(qū)內(nèi)地震數(shù)據(jù)中斷層的檢測準(zhǔn)確度［14-15］。

圖6 實(shí)際數(shù)據(jù)斷層檢測測試結(jié)果

2.5 結(jié)論與評(píng)價(jià)

綜合科學(xué)動(dòng)機(jī)和認(rèn)知成就對(duì)學(xué)生做出綜合性的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)最終成績時(shí)綜合考慮多個(gè)方面，如課堂出勤、程序編寫效果、報(bào)告狀況以及在課堂以外完成的附加實(shí)驗(yàn)分析等?？己说哪康牟粌H是學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解和掌握，更重要的是將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化到實(shí)際的應(yīng)用中去，從學(xué)到的方法中分析實(shí)際問題，解決實(shí)際問題，從而將理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。

讓學(xué)生針對(duì)程序運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行調(diào)試分析和討論，保存程序源代碼文件和圖形成果文件，將編程實(shí)驗(yàn)成果結(jié)合理論知識(shí)制作成Word 文字報(bào)告和PPT幻燈片，進(jìn)行展示、講解、討論和評(píng)價(jià)。學(xué)生在完成對(duì)基于深度學(xué)習(xí)斷層檢測的結(jié)果分析處理后，不僅要對(duì)所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié)，更要發(fā)揮自己的想象力，突破實(shí)驗(yàn)本身的限制，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理方法進(jìn)行深入的思考，為網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、激活函數(shù)、學(xué)習(xí)率、優(yōu)化函數(shù)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整測試，分析不同參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和預(yù)測結(jié)果的影響，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

為了對(duì)比理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)效果，分別在兩階段進(jìn)行問卷調(diào)查和知識(shí)考核，得到表1 所示數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，增強(qiáng)獨(dú)立工作能力，獲得本專業(yè)技術(shù)和管理能力的重要過程。學(xué)生實(shí)驗(yàn)期間必須明確記錄實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)行總結(jié)。通過學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們把課堂上學(xué)到的理論知識(shí)進(jìn)行了應(yīng)用，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，對(duì)專業(yè)知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，而且培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力及綜合素質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展了教與學(xué)的空間，把教的任務(wù)由傳授知識(shí)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑?wù)和引導(dǎo)學(xué)生為主，整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的中心實(shí)現(xiàn)了從教師到學(xué)生的轉(zhuǎn)變，學(xué)生角色更是從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)應(yīng)用、探索知識(shí)。此外問卷調(diào)查結(jié)果也表明，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生上理論課的積極性也得到很大提高，教學(xué)效果得到明顯提升。

表1 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)估表

3 結(jié)語

結(jié)合深度學(xué)習(xí)的最新發(fā)展，在教學(xué)過程中設(shè)置了一種基于U-Net 的地震數(shù)據(jù)自動(dòng)斷層檢測的方法實(shí)驗(yàn)，該網(wǎng)絡(luò)模型以地震數(shù)據(jù)為輸入，能夠準(zhǔn)確預(yù)測斷層位置。能夠模擬人類的經(jīng)驗(yàn)，并通過不斷擴(kuò)充訓(xùn)練庫進(jìn)行訓(xùn)練而不斷發(fā)展，在地震解釋的這一關(guān)鍵步驟自動(dòng)化方面顯示出巨大的希望。通過教師對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，教學(xué)過程中主要以科學(xué)動(dòng)機(jī)的培養(yǎng)為主，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)思考的能力，突破傳統(tǒng)教育模式，結(jié)合最新科學(xué)進(jìn)展，培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知成就獲得感，通過合理正確的引導(dǎo)，充分開拓學(xué)生的思維，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，將扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用到更深的層次，更高的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了理論課的“理論-實(shí)驗(yàn)-應(yīng)用”一體化教學(xué)模式。結(jié)果表明，基于U-Net 的斷層檢測教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅有利于學(xué)生對(duì)抽象理論概念的理解，使學(xué)生深刻地掌握斷層檢測的理論和方法，而且學(xué)生實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)接受知識(shí)到自主學(xué)習(xí)、探索知識(shí)、主動(dòng)應(yīng)用的角色轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)由獲取知識(shí)到應(yīng)用創(chuàng)新的突破。

·名人名言·

成功的科學(xué)家往往是興趣廣泛的人。他們的獨(dú)創(chuàng)精神可能來自他們的博學(xué)。多樣化會(huì)使人觀點(diǎn)新鮮，而過于長時(shí)間鉆研一個(gè)狹窄的領(lǐng)域，則易使人愚蠢。

——貝弗里奇