采礦工程專業(yè)開設(shè)地理信息系統(tǒng)課程的必要性及教學(xué)模式設(shè)計

王曉紅，王 政，劉亞靜，郭力娜

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009)

采礦工程專業(yè)開設(shè)地理信息系統(tǒng)課程的必要性及教學(xué)模式設(shè)計

王曉紅，王 政，劉亞靜，郭力娜

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009)

地理信息系統(tǒng);采礦工程;教學(xué)改革;教學(xué)模式

隨著礦山數(shù)字化的不斷推進(jìn)，礦山地理信息系統(tǒng)的迅速發(fā)展使得地理信息系統(tǒng)在采礦工程中發(fā)揮著越來越重要的作用，采礦工程技術(shù)人員具備一定的地理信息知識與技術(shù)已經(jīng)成為必要。分析了(GIS)課程在采礦工程專業(yè)開設(shè)的必要性，介紹了GIS課程的特點，從GIS與具體行業(yè)相結(jié)合的角度出發(fā)，對GIS在該專業(yè)的課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法以及興趣和能力培養(yǎng)等方面做了教學(xué)改革與優(yōu)化實踐等方面的探討。

地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，GIS)自20世紀(jì)60年代興起，經(jīng)過50多年的發(fā)展，GIS已經(jīng)成為各個行業(yè)廣泛應(yīng)用的技術(shù)，美國勞工部將其列為未來最具有發(fā)展前景的學(xué)科和行業(yè)之一。雖然我國在GIS領(lǐng)域的起步比較晚，但是發(fā)展速度快，且已列入我國今后優(yōu)先發(fā)展的四大產(chǎn)業(yè)之一［1］。隨著信息科技的不斷推進(jìn)，各行各業(yè)對信息技術(shù)的需求也在增強(qiáng)，行業(yè)發(fā)展對GIS的要求和標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，從而推動了GIS專業(yè)人才需求的增加。目前我國很多高校都開設(shè)有GIS課程，尤其是對應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科如采礦工程、安全工程、測繪學(xué)等專業(yè)更有必要開設(shè)此課程，但是由于GIS課程的學(xué)科交叉性強(qiáng)的特點，使得這些非GIS專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時覺得抽象難以深入理解，而應(yīng)用也無從下手，感覺和自己所學(xué)專業(yè)聯(lián)系不大，所以非GIS專業(yè)的GIS課程設(shè)置與教學(xué)方法等也有待改革和進(jìn)一步優(yōu)化。該文將從采礦工程專業(yè)開設(shè)GIS課程的必要性入手，對GIS在該專業(yè)的課程設(shè)置和教學(xué)優(yōu)化與實踐等方面進(jìn)行剖析。

一、GIS課程在采礦工程專業(yè)中的開設(shè)必要性

采礦工程專業(yè)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，不但要有采礦學(xué)、巖體力學(xué)等主干學(xué)科，又有眾多相關(guān)學(xué)科的支持。其主要研究礦區(qū)開發(fā)規(guī)劃、礦山(露天、井下)設(shè)計、礦山安全技術(shù)及工程設(shè)計、監(jiān)察、生產(chǎn)技術(shù)管理科學(xué)的基本理論與技術(shù)，并研究利用這些技術(shù)為礦山開采工程、工業(yè)和人類生活中應(yīng)用服務(wù)。但是傳統(tǒng)的礦山開采不管是在地質(zhì)及礦產(chǎn)資源信息的查詢，還是露天運輸以及安全監(jiān)測方面都存在處理速度和效率低下，工作周期長，完全適應(yīng)不了信息社會中所要求的快捷、精確提供所需信息的要求。GIS從起步到現(xiàn)在，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、資源、土地、工業(yè)等各個領(lǐng)域，隨著信息技術(shù)的跨速發(fā)展，GIS在采礦工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。尤其是數(shù)字礦山的提出，使得礦山地理信息系統(tǒng)(MGIS)也得到了極大的發(fā)展，它是將GIS用于礦山的區(qū)域性地理信息系統(tǒng)，利用GIS強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)分析功能，為礦山規(guī)劃、生產(chǎn)、設(shè)計以及輔助決策提供強(qiáng)有力的支持。GIS在礦業(yè)中的應(yīng)用主要包括礦山空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、預(yù)測評價分析系統(tǒng)、以及三維礦山GIS和網(wǎng)絡(luò)礦山GIS，它將深刻改變傳統(tǒng)的采礦生產(chǎn)活動和從事采礦人員的生活方式［2］。

(一)GIS在成礦預(yù)測中的應(yīng)用

隨著找礦難度的加大，資源勘查工作要求在以下兩方面有所突破，首先要掌握資源的成礦條件及規(guī)律，而且要深入了解各類礦床形成的地質(zhì)環(huán)境、分布規(guī)律及產(chǎn)出特征;其次是加強(qiáng)找礦方法技術(shù)研究，有針對性地開發(fā)識別、加工分析和解釋海量找礦信息的方法和工具以便獲取新的以及更多和更精確的勘查數(shù)據(jù)。GIS依據(jù)多元地學(xué)變量空間信息進(jìn)行成礦預(yù)測及綜合研究的新技術(shù)已成為多元信息深層次提取與綜合，實施綜合信息成礦預(yù)測的有效工具，目前已近更廣泛用于各類礦藏的預(yù)測［3-5］，如馬曙光等利用GIS系統(tǒng)來預(yù)測海南石碌鐵礦成礦，韓紹陽等建立了基于GIS的西北多源勘查信息數(shù)據(jù)庫，用于西北部砂巖型鈾礦的綜合預(yù)測［6-7］。

(二)GIS在采礦安全監(jiān)測及露天運輸中的作用

隨著GIS技術(shù)的不斷成熟，GIS在采礦工程中的應(yīng)用也越來越廣，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)開發(fā)設(shè)計GIS用于采礦的安全監(jiān)測，如! alap等開發(fā)設(shè)計了GIS為基礎(chǔ)的建設(shè)安全監(jiān)測、維護(hù)監(jiān)控以及應(yīng)急三個層次的煤礦井下安全管理系統(tǒng)，Stracher等開發(fā)的煤礦火災(zāi)安全GIS系統(tǒng)，可以在最短的時間內(nèi)捕捉到災(zāi)害的發(fā)生［8-9］。我國的馮居易學(xué)者設(shè)計了GIS的露天礦車輛運輸監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電子地圖、車輛定位監(jiān)控、歷史軌跡管理、車輛調(diào)度、車輛信息管理等功能，而且在某鉬礦的應(yīng)用中，系統(tǒng)運行狀況良好，實現(xiàn)了對露天礦車輛的實時監(jiān)控和調(diào)度［10］。

綜上可以看出，GIS技術(shù)已經(jīng)融入到礦產(chǎn)工作的各個環(huán)節(jié)中，對于采礦工程專業(yè)的學(xué)生而言，現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，要求礦業(yè)工作者從原來單一簡單的工作模式向綜合開發(fā)、管理、使用信息化的工程師轉(zhuǎn)變，因此對于采礦及相關(guān)學(xué)科的技術(shù)人員在以計算機(jī)為基礎(chǔ)的信息科學(xué)尤其是GIS技術(shù)方面提出了更高的要求，具備GIS的基本理論知識，掌握GIS的應(yīng)用對于提高采礦及相關(guān)專業(yè)學(xué)生從業(yè)能力是有重要的意義。

二、采礦專業(yè)GIS課程教學(xué)優(yōu)化探討

(一)課程內(nèi)容的精細(xì)化與定向化

地理信息系統(tǒng)是一門典型的交叉邊緣學(xué)科，涉及的知識范圍廣，知識點多，分散度高，對于非地理信息專業(yè)的學(xué)生，要求學(xué)生深入系統(tǒng)學(xué)習(xí)地理信息系統(tǒng)原理等理論課程有一定難度，而且受課時量所限，因此對于課程大綱及內(nèi)容設(shè)置要有所取舍。在基礎(chǔ)課程中要求學(xué)生了解GIS的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀的同時掌握GIS的基本理論知識。以“地理信息系統(tǒng)原理”為例，對于專業(yè)本科一般是安排一般在60～80學(xué)時，而對于采礦專業(yè)，作者認(rèn)為以32學(xué)時左右即可，主要以“空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”，“空間數(shù)據(jù)處理”，“空間分析原理與方法”的章節(jié)內(nèi)容為主體，穿插基本概念及發(fā)展趨勢等內(nèi)容，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)起來有的放矢。

另外還要根據(jù)采礦專業(yè)特點，結(jié)合GIS應(yīng)用，如向?qū)W生指出礦山數(shù)據(jù)可以通過GIS軟件轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)，獲得成圖，并且利用GIS軟件也可以方便數(shù)據(jù)的管理、查詢，這樣就能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。例如在“GIS軟件應(yīng)用”課程，應(yīng)該是采礦工程專業(yè)的學(xué)生的重點課程，在這門課程中要求學(xué)生至少掌握2種以上主流軟件的應(yīng)用。在教學(xué)過程中，要突出GIS軟件的可視化表達(dá)和空間分析方法，并重點突出各軟件的區(qū)別與聯(lián)系以及相互之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，掌握地理坐標(biāo)系統(tǒng)的建立方法和空間數(shù)據(jù)的量算及空間統(tǒng)計分析方法，具有運用GIS空間分析理論和方法分析、評價具體地理空間問題的初步能力，同時要了解二維和三維柵格及矢量數(shù)據(jù)的空間分析方法，使學(xué)生對GIS軟件應(yīng)用和對地理信息的理解上一個更高的層次。

“GIS的設(shè)計與開發(fā)”課程對于采礦專業(yè)的學(xué)生比較陌生，該課程要求有足夠的計算機(jī)基本知識以及計算機(jī)語言基礎(chǔ)。因此，要著重介紹GIS設(shè)計的思路、方法與模式，使學(xué)生在掌握框架的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行深入學(xué)習(xí)GIS開發(fā)設(shè)計［11-12］。

(二)教學(xué)方式的多元化

對于GIS的理論抽象不易理解，為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，應(yīng)該在初次上課的時候為同學(xué)們提供幾個與生活相貼近又可以提高興趣的GIS網(wǎng)站和書刊等(如Googl Earth，電子地圖、礦山GIS等)，讓學(xué)生除了課堂時間以外，可以充分利用業(yè)余時間拓展自己在GIS方面知識范圍，同時培養(yǎng)自己的興趣愛好。在教學(xué)方式上，要充分利用多媒體的教學(xué)優(yōu)勢，采取講解、現(xiàn)有產(chǎn)品演示、課堂討論等多種形式相結(jié)合的方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合全面、突出重點、注重邏輯聯(lián)系的思維和學(xué)習(xí)方法。例如對于“矢-柵”轉(zhuǎn)換不要求學(xué)生計算，因為軟件可以進(jìn)行處理，但要讓學(xué)生明白其中的原理。

對于GIS軟件應(yīng)用課程，應(yīng)該注重實驗課教學(xué)以及課程設(shè)計。對于采礦專業(yè)本科生來說，畢業(yè)后接觸GIS軟件的第一項任務(wù)就是GIS軟件的應(yīng)用，因此這類課程的掌握程度的好壞直接反應(yīng)了學(xué)生應(yīng)用能力的強(qiáng)弱。在這里采用上機(jī)實驗、案例分析與演示以及主題討論的教學(xué)方式是很好的。實驗課是采礦這樣非地理信息系統(tǒng)專業(yè)學(xué)習(xí)GIS應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，上機(jī)實驗課程建議與理論講授課程按1:1的比例配置，這一環(huán)節(jié)通過對軟件的實際操作幫助學(xué)生將理論與實踐聯(lián)系在一起，教師在實驗的講解中要注重思路的啟發(fā)，細(xì)節(jié)可以不必講得過于仔細(xì)，這樣更可以激發(fā)學(xué)生的探索能力。通過目前礦山中應(yīng)用的GIS軟件介紹對于采礦專業(yè)應(yīng)該側(cè)重哪些方面的GIS應(yīng)用技能的訓(xùn)練與提高。例如，GIS在成礦預(yù)測中的應(yīng)用，主要包括3個步驟，即數(shù)據(jù)的采集與建庫、GIS成礦預(yù)測空間模型的建立以及成礦預(yù)測區(qū)的圈定，不僅要學(xué)生掌握一般的GIS的應(yīng)用方法，更要結(jié)合專業(yè)特色，注重與本專業(yè)結(jié)合后GIS的特有特點，在礦山數(shù)據(jù)的采集與處理中應(yīng)注意與其他和種類數(shù)據(jù)的區(qū)別，如礦床分布、斷層延伸等數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換成GIS所能識別的點、線文件，而出露層要處理成面文件。對于課程設(shè)計應(yīng)該在基本知識的基礎(chǔ)上有所深入，題目可以有學(xué)生根據(jù)自己感興趣的某一方面來擬定，深度有指導(dǎo)教師來點撥，大家可以通過小組式的方式來共同完成某一個具有一定難度的課程設(shè)計。

(三)考核方式的改革

大學(xué)課程的考試形式比較單一，甚至有些課程是在教師規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行考核，這樣既不利于學(xué)生對知識的掌握也達(dá)不到預(yù)期目的，尤其是對于GIS這樣應(yīng)用性強(qiáng)的專業(yè)課程，單憑試卷答題方式是很難評定和考核一個學(xué)生對于知識的掌握以及技能的駕馭能力的。尤其是采礦類專業(yè)的學(xué)生更要注重應(yīng)用能力的實現(xiàn)。因此，對于采礦專業(yè)的GIS課程可以采用分段加權(quán)的方式進(jìn)行考核(如出勤、平時表現(xiàn)、課堂作業(yè)、實驗作品、課程設(shè)計等)，要注重平時作業(yè)的完成，尤其是上機(jī)實驗課程的作業(yè)以及課程設(shè)計不但要看完成的數(shù)量，還要看完成的質(zhì)量，對于有創(chuàng)新思路的任務(wù)可能在完成情況上并不是很好，但是卻是自己獨特的思路和想法，這樣也是值得鼓勵的。

(四)走出課堂，積極實踐

對于GIS這樣應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，除了課堂考核，最重要也是最有效的檢驗方法就是看學(xué)生是否能夠?qū)⒄n程所學(xué)融入到自己的專業(yè)中去。對于采礦專業(yè)的學(xué)生可以和礦山企業(yè)進(jìn)行合作，讓學(xué)生深入到自己的行業(yè)內(nèi)部，通過參與企業(yè)的GIS相關(guān)實踐如數(shù)據(jù)處理、模型建立等即可以提高學(xué)生操作和動手能力，提高專業(yè)的應(yīng)用水平，同時又可以為企業(yè)提供業(yè)務(wù)成品，實現(xiàn)校企雙贏。另一方面，鼓勵學(xué)生參與有各大GIS軟件公司開展的技能競賽，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激勵學(xué)生的自我創(chuàng)新意識。

三、結(jié) 語

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及GIS在礦山相關(guān)行業(yè)應(yīng)用的日漸深入，GIS課程的開設(shè)對于采礦專業(yè)的學(xué)生有著輔助提高學(xué)生從業(yè)能力的重要作用。結(jié)合自己的專業(yè)特點，調(diào)整教學(xué)思路與教學(xué)方式，提高GIS的教學(xué)水平，培養(yǎng)具備信息化技能的高素質(zhì)礦業(yè)人才。

［1］ 劉興權(quán)，謝樹春，趙玲，等．面向21世紀(jì)GIS專業(yè)課程體系及設(shè)置方案［J］．地理信息世界，2003，1(4):13-18．

［2］ 僧德，李仲學(xué)，張順堂，等．?dāng)?shù)字礦山系統(tǒng)框架與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．金屬礦山，2005，12，47-50．

［3］ 陳建平，陳勇，王全明．基于GIS的多元信息成礦預(yù)測研究—以赤峰地區(qū)為例［J］．地學(xué)前緣(中國地質(zhì)大學(xué)(北京):北京大學(xué))，2008，15(4):18-26．

［4］ 黃海峰，姚書振，丁振舉．基于GIS的證據(jù)權(quán)重法在成礦預(yù)測中的應(yīng)用——以甘肅省岷縣—禮縣地區(qū)的金礦預(yù)測為例［J］．地質(zhì)科技情報，2003，3:97-102．

［5］ 黃海峰．GIS在成礦預(yù)測中的應(yīng)用［J］．貴州地質(zhì)，2003，20(3):160-165．

［6］ 馬曙光，李繼宏，鄭宗萊，等．GIS系統(tǒng)在海南石碌鐵礦成礦預(yù)測中的應(yīng)用［J］．地質(zhì)與勘探，2009，45(6):716-721．

［7］ 韓紹陽，侯惠群，柯丹，等．［J］．基于GIS的鄂爾多斯盆地西北部砂巖型鈾礦的綜合預(yù)測［J］．世界核地質(zhì)科學(xué)，2005，22(4):221-230，235．

［8］ ?alap S，Karslolu M O，Demirel N．Development of a GIS-based monitoring and management system for underground coal mining safety［J］．International Journal of Coal Geology，2009，80(2):105-112．

［9］ Stracher G B，Taylor T P．Coal fires burning out of control around the world:thermodynamic recipe for environmental catastrophe［J］．International Journal of Coal Geology，2004，15(1-12):7-17．

［10］ 馮居易．基于GIS的露天礦車輛運輸監(jiān)控系統(tǒng)［J］．電子設(shè)計工程，2009，17(4):87-89．

［11］ 周麗娜，謝樹春．測繪工程專業(yè)中GIS課程的教學(xué)改革探討［J］．地理空間信息，2007，5(5):124-126．

［12］ 黃木易．非GIS專業(yè)地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)改革及優(yōu)化實踐［J］．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011，10:11-12，16．

Discussion of Necessity on GIS Courses for the Mining Engineering Major and the Design of Teaching Model

WANG Xiao-hong，WANG Zheng，LIU Ya-jing，GUO Li-na
(College of Mining Engineering，HeBei United university，Tangshan Hebei 063009，China)

GIS;Mining Engineering;teaching reform;teaching model

The geographic information systems play an increasingly important role in the mining engineering with continuous advance of digital mine and the rapid development if the mining geographic information system．It has become necessary for technical staff to have certain knowledge and technology of GIS．In this paper，the necessity of GIS courses for mining engineering major students was analyzed．The Characteristics of the GIS teaching was introduced．The author discussed GIS teaching reform and practice optimization for mining engineering major in course content，teaching methods，interest and capacity-building，from the perspective of the combining GIS with the industry-specific．

G642．0

A

2095-2708(2012)04-0068-03

2012-05-03