數(shù)學地質(zhì)課程教學實踐與探索

馬海勇 方世躍

[摘 要] “數(shù)學地質(zhì)”是地球科學相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是大數(shù)據(jù)時代地學類高校素質(zhì)教育改革重要的組成部分。文章依據(jù)該課程多學科交叉的特點，秉承地學數(shù)據(jù)定量化的數(shù)學分析方法與人工智能思維相結(jié)合的教學理念，從教學的內(nèi)容、方法、手段等方面進行了教學實踐與探索。教學實踐過程中構(gòu)建了地球科學數(shù)據(jù)信息化的課程體系，充分利用高校特有的教育資源，培養(yǎng)具有人工智能思維的地球科學專業(yè)人才。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)學地質(zhì);大數(shù)據(jù)時代;人工智能;教學實踐

[基金項目] 陜西省自然科學研究計劃項目資助項目（2018JM4033）

[作者簡介] 馬海勇（1978—），男，河南人，博士，講師，研究方向為構(gòu)造地質(zhì)學與資源勘查;方世躍（1975—），男，安徽人，博士，高級工程師，研究方向為煤層氣勘探與開發(fā)。

[中圖分類號] G642 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）43-0141-02 ? ?[收稿日期] 2020-03-20

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，越來越多的地學數(shù)據(jù)資料不斷積累，利用數(shù)學分析方法和人工智能技術(shù)從地學數(shù)據(jù)中挖掘信息，已然成為地球科學發(fā)展的必然趨勢。

一、課程特點

“數(shù)學地質(zhì)”是地質(zhì)類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一，數(shù)學地質(zhì)方法幾乎滲透地學各個領(lǐng)域。課程以高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率論、計算機基礎(chǔ)以及地質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)課程為先修課程?！皵?shù)學地質(zhì)”課程體系的教學探索和改革無疑將成為高校素質(zhì)教育培養(yǎng)的重要組成部分。為此，近年來我們在“數(shù)學地質(zhì)”課程教學實踐改革過程中不斷探索和嘗試，取得了良好的效果，對高校地質(zhì)類專業(yè)大數(shù)據(jù)時代的教學改革提供一定的借鑒作用。

二、課程教學改革對策

“數(shù)學地質(zhì)”是以地球科學不同研究領(lǐng)域數(shù)據(jù)信息為研究對象，利用統(tǒng)計學分析方法解釋礦物、巖石、地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)資源等地質(zhì)現(xiàn)象，揭示地球動力學過程和礦產(chǎn)資源分布規(guī)律的系統(tǒng)課程，教學過程中針對課程特點采取如下改革措施：

1.地球科學問題需要具有較強的空間想象力。地質(zhì)構(gòu)造、巖石特征以及礦產(chǎn)資源的三維空間分布比較抽象，地學數(shù)據(jù)具有空間跨度大的特征，要求學生根據(jù)數(shù)據(jù)信息的經(jīng)緯度坐標按比例客觀反映地學特征。通過繪制等值線圖、剖面圖等形式，構(gòu)建地質(zhì)模型，以便學生直接觀察、理解地球科學現(xiàn)象，探索地球演化規(guī)律。

2.地學信息具有數(shù)據(jù)尺度跨度大的特征，需要學生能夠掌握數(shù)據(jù)預處理方法，如微量元素數(shù)據(jù)分析中應用對數(shù)坐標系統(tǒng)分析物源特征。在地質(zhì)模型中利用變量相關(guān)性抽象出數(shù)學關(guān)系式，將復雜地學問題以精確的二變量、三變量圖解的形式表達。課程以地學基礎(chǔ)理論為前提，需要掌握統(tǒng)計學分析原理，利用聚類分析、判別分析等方法尋找數(shù)據(jù)相關(guān)性，為地質(zhì)規(guī)律、礦產(chǎn)預測提供科學依據(jù)。

3.地學解釋需要數(shù)據(jù)分析和地質(zhì)原理結(jié)合。地質(zhì)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過計算機工具將理論模型轉(zhuǎn)換成數(shù)值模型，以圖形的形式表達。利用地學原理分析，剔除異常值、尋找數(shù)據(jù)點空間的分布規(guī)律，構(gòu)建的數(shù)值模型，綜合分析解釋。

三、教學實踐及探索體系

1.教學理念

本次教學明確了“人工智能思維”的教育理念，使學生從對數(shù)據(jù)點、線、面的思路轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑S立體時空模式，引導學生利用地學知識、統(tǒng)計學分析方法，形成人工智能思維模式，解決地球科學問題。同時，始終把新時代素質(zhì)教育融于專業(yè)教育中，激發(fā)學生對地球科學專業(yè)的興趣，使學生在教學過程中能積極的參與到大數(shù)據(jù)時代地球科學的研究探索中。

2.教學內(nèi)容

“數(shù)學地質(zhì)”課程講授內(nèi)容為多元統(tǒng)計分析及其在地球科學中的應用。課程體系包括數(shù)學地質(zhì)理論教學與計算機上機實踐教學兩個部分。在有限的課時內(nèi)，選擇授課內(nèi)容是講好這門課的關(guān)鍵。教學內(nèi)容以人工智能思維邏輯為主線，提綱挈領(lǐng)貫穿理論與實踐教學過程中。理論教學部分的重點和難點是統(tǒng)計學原理的講解及分析方法在地學中的應用，利用人工智能思維獨立分析問題和解決問題。

本課程總學時為42學時，其中32學時為理論教學，為了培養(yǎng)學生的實踐能力，將計算機實踐增至10學時，具體安排如下：

（1）理論教學32學時，包括：數(shù)學地質(zhì)緒論，地學數(shù)據(jù)的特點及分析方法，地學數(shù)據(jù)的預處理，回歸分析及解決地學問題的步驟，趨勢分析及趨勢面地質(zhì)解釋，聚類分析及地學分類聚類譜系圖分析，判別分析及費歇爾、貝葉斯判別方程的構(gòu)建，對應分析及因子平面圖的繪制和地質(zhì)解釋。

（2）計算機實踐教學10學時。包括：繪制一元回歸、二元回歸分析，趨勢分析方法構(gòu)建趨勢面方程、繪制趨勢面圖，聚類分析方法繪制聚類譜系圖，判別分析方法構(gòu)建一次、二次、三次判別分析方程，對應分析方法繪制因子平面圖。在實踐部分要求學生熟練操作統(tǒng)計學分析軟件、地學專業(yè)軟件繪制二維、三維圖形。

3.教學方法

（1）采用“啟發(fā)式”教學。在教學過程中，通過地學信息空、時特性的講解，啟發(fā)學生積極思考，構(gòu)建多維地質(zhì)模型，參與統(tǒng)計學分析分析過程，培養(yǎng)人工智能思維邏輯。如礦床形成研究，從數(shù)據(jù)點坐標、地層厚度、巖石礦物成分等信息中，利用計算機工具構(gòu)建沉積地層古地貌三維空間展布特征，引導學生獨立分析巖石的成分、形成過程，進一步探討礦床形成的過程，并預測能源分布規(guī)律。這種“啟發(fā)式”教學培養(yǎng)了學生探索地球科學的興趣，對地學專業(yè)的喜愛，確保教學任務的完成和良好的教學效果。

（2）加大上機實踐課力度。教學中注重培養(yǎng)學生利用數(shù)學分析方法解釋地學問題的能力。實踐課中增加了地學解釋分析，具體做法是每次實踐課之前，要求學生預習上機內(nèi)容，繪制地學圖件;在實踐課中，教師指導學生將地學圖件轉(zhuǎn)換成數(shù)值模型，對比分析繪制的地質(zhì)模型和構(gòu)建的數(shù)值模型。通過實踐進一步鞏固統(tǒng)計學理論知識，并熟練應用于地學問題。

4.教學手段

大數(shù)據(jù)時代的教學引入智能教室，借助云課堂、慕課等網(wǎng)絡課堂的教學平臺，采用多種教學手段相結(jié)合的方法。教學工作中主要完成以下工作：

（1）多媒體智能教室教學與傳統(tǒng)教學結(jié)合，在多媒體課件中展示統(tǒng)計學基本概念和理論，在智能黑板逐步進行統(tǒng)計學分析方法的推導過程，培養(yǎng)學生數(shù)學邏輯思維能力。

（2）在數(shù)學地質(zhì)學實例教學中，打破學生常規(guī)思維模式，利用通用數(shù)學建模軟件和地學專業(yè)軟件，構(gòu)建直觀三維空間地質(zhì)體的地質(zhì)構(gòu)造與地學信息數(shù)值模型，鍛煉學生對地球科學現(xiàn)象綜合解釋的能力。

四、考核機制與教學效果

“數(shù)學地質(zhì)”課程考核以往采用理論考試成績占70%，實踐成績占30%的計算方式。為了培養(yǎng)學生綜合分析能力，課程考核將理論考試比例調(diào)整為60%，實踐部分調(diào)整為40%，實踐報告中增加了地學綜合解釋，改變了以往重理論教學，輕計算機實踐和地學數(shù)據(jù)綜合解釋的弊病，提升了學生對地學數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析過程和綜合解釋的積極性和主動性。

近年的教學效果證實，該課程的教學實踐探索在現(xiàn)階段已經(jīng)取得了良好的教學效果，保證學生掌握統(tǒng)計學理論知識的同時，提高了計算機實踐操作和地球科學問題綜合解釋的能力。“數(shù)學地質(zhì)”課程將在未來的地學教育過程中培養(yǎng)出一大批具有人工智能思維的地球科學人才。

參考文獻

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