大數(shù)據(jù)驅動下的資源勘查工程專業(yè)儲層地質專題實習教學思考
——以成都理工大學為例

宋金民,施澤進,張小兵,王佳蕊

(成都理工大學 能源學院,成都 610059)

一、引言

人工智能是新一輪技術和工業(yè)革命的主要推動力,也是我國重大技術發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐。2020年3月3日,我國教育部、國家發(fā)展和改革委員會、財政部共同印發(fā)《關于“雙一流”建設高校促進學科融合 加快人工智能領域研究生培養(yǎng)的若干意見》,推動人工智能相關學科發(fā)展,加快相關人才的培養(yǎng)。智能計算是人工智能系統(tǒng)的核心部分,內(nèi)容包括神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊邏輯等在圖像識別、自然語言處理等前沿技術,目前已成為人工智能教學體系的重要分支[1]。

黨的二十大把教育、科技、人才進行三位一體統(tǒng)籌安排、一體部署,首次將“推進教育數(shù)字化”寫入報告[2],賦予了教育在全面建設社會主義現(xiàn)代化國家中新的使命,明確了教育數(shù)字化未來發(fā)展的行動綱領。當前,國內(nèi)外高校正在經(jīng)歷著人工智能與大數(shù)據(jù)融合的教育教學范式轉換,如耶魯大學、東京大學和多倫多大學等多所世界知名大學已建立了共享的教育平臺[3]。2020年3月,國家智慧教育平臺正式上線,分為中小學教育、職業(yè)教育、高等教育三個次級平臺,其中高等教育平臺包含普通課程、虛仿實驗、院士講堂等多項內(nèi)容。同年5月,華南理工大學與華為技術有限公司聯(lián)合開展人工智能技術的機器人的開發(fā),目前人工智能教育教學應用技術已覆蓋教學活動的各個環(huán)節(jié)。新一代人工智能教學技術將數(shù)據(jù)收集、圖像識別與深度學習等應用于教學和評價等教育場景,這將會重構傳統(tǒng)教育教學中的各方配置關系[4-10]。

二、儲層地質專題實習概況

成都理工大學資源勘查工程是國家級特色專業(yè)、教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃專業(yè),2017年通過中國工程教育專業(yè)認證;2019年獲批四川省一流本科專業(yè),2020年獲批國家級一流本科專業(yè)建設點。

儲層地質學是成都理工大學最具特色的研究方向之一。儲層地質專題實習是一門實踐課程,選取鄂爾多斯盆地寧東地區(qū)延安組和四川盆地普光地區(qū)長興組,針對碎屑巖和碳酸鹽巖兩大類儲層,從宏觀的巖心到微觀的薄片,通過巖心編錄、薄片鑒定和實習報告的撰寫,進行沉積相、儲層特征、成巖作用和儲層控制因素分析。通過該課程的學習,旨在讓學生了解儲層評價的實驗方法,熟悉儲層地質研究的基本流程,掌握儲層評價的基本方法。

儲層地質專題實習實行教師講授、學生動手操作和課堂討論相結合的教學方法,教學方式為課堂教學和實驗室集中教學相結合,教學流程有如下五步:①理論知識講解,教師使用多媒體進行理論講解;②碎屑巖巖心描述,選取典型巖心照片讓學生觀察描述,進行沉積環(huán)境分析;③薄片鑒定,學生在顯微鏡下觀察巖石薄片,填寫鑒定報告,分析其儲集空間特征、成巖作用和儲層主控因素;④小組討論,學生對巖心與薄片信息綜合分析,進行儲層巖石學、沉積相、成巖作用、孔隙類型及孔隙結構分析,對儲層進行綜合評價,分組討論報告;⑤實習論文撰寫,綜合文獻資料和實習材料,完成實習論文的撰寫。因此,學生動手實踐在本課程教學中占主導,目的是改變傳統(tǒng)教學模式,促成學生為中心的教學范式轉移,從而實現(xiàn)培養(yǎng)儲層地質思維和掌握儲層評價方法的教學目標(見表1)。

表1 儲層地質專題實習課程教學目標與考核方式

三、大數(shù)據(jù)背景下儲層地質專題實習課程虛擬平臺建設

在教學實習開展的過程中,傳統(tǒng)教學模式越發(fā)暴露出局限性,在創(chuàng)新性、嚴謹性和可重復性等方面存在不足,主要體現(xiàn)為:①單一的程序式資料儲存方式對教學的限制,薄片實物資料的損耗與不可復制性、巖心資料與薄片照片的孤立、各種鏡下現(xiàn)象的問題等;②教學資料之間缺乏多元交互的媒介平臺,妨礙了實習的可循環(huán)性和可查閱性,科技感體現(xiàn)度不夠(見表2)。

表2 儲層地質專題實習教學的常見問題與相應的虛擬教學平臺對策

在大數(shù)據(jù)背景下建設儲層地質專題實習的教學資料數(shù)據(jù)庫,學生可以隨時隨地進入數(shù)據(jù)庫查閱資料,開展線上鞏固學習。通過巖心描述、薄片鑒定和測井數(shù)據(jù)的整合,完成信息的編錄,而后進行AI智能學習與識別,實現(xiàn)“芯-片-電”學習、“電-巖-相”輸出的智能化過程;構建儲層地質教學的“看得到、摸得到、點擊得到、鞏固得到”的大數(shù)據(jù)驅動虛擬教學平臺(見圖1),實現(xiàn)全天候可循環(huán)教學過程。主要過程如下:

圖1 搭建儲層地質教學網(wǎng)絡平臺流程

(1)資料收集。進行巖心觀察與測井曲線分析,使用徠卡DM4500P偏光顯微鏡拍攝典型的鏡下薄片照片,對照片進行分類梳理,錄入巖石結構、成分、古生物與孔隙結構等信息。

(2)AI識別?；赑ython程序設計語言的神經(jīng)網(wǎng)絡模型對薄片圖像進行學習,加入監(jiān)督學習模塊,在深度學習與機器學習算法支撐下,對儲層巖性、孔隙結構、沉積微相和儲層段等信息進行AI高精度、智能化學習與輸出。

(3)孔隙結構可視化。對于識別出的儲層段,通過鑄體薄片、壓汞和氣測孔滲等分析手段,完成其二維孔隙結構表征;通過場發(fā)射掃描電鏡和微米CT掃描電鏡分析,獲取三維孔隙結構特征信息。對采集的坐標系x-y-z不同方向的圖像進行二值化閾值分割,構建儲層三維孔隙模型。

(4)虛擬教學平臺建設。集成AI識別和孔隙結構三維重構模塊,構建“沉浸式教學-智能化講解-學習效果檢驗”的開放式教學平臺,開發(fā)平臺軟件。采用模塊化的設計理念,設置“巖心描述”和“薄片觀察”一級目錄,根據(jù)巖性設置次級目錄和三級目錄,在平臺主頁上設置模塊導航,確保簡明扼要與目標精準(見圖2)。

圖2 軟件使用效果圖

四、基于虛擬教學平臺的儲層地質專題實習課程目標達成度評價

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質量保障制度[11]。我國于2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》的第18個正式會員,標志著我國工程人才培養(yǎng)正式邁入國際化和標準化[12-13]。2022年7月15日中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會發(fā)布的《工程認證標準》提出了人才培養(yǎng)在知識、能力和素質上必須涵蓋的基本要求,規(guī)范了培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍和支持條件的通用標準。

課程目標達成度評價是指教師根據(jù)人才培養(yǎng)方案和課程教學大綱規(guī)定,對課程教學效果是否達到預期的教學目標進行合理性評價[14],是工程教育專業(yè)認證體系的重要評價指標。

儲層地質專題實習課程目標達成度計算式如公式(1)所示:

(1)

其中:Ni表示課程所支撐的畢業(yè)要求第i個指標點的達成度評價值;n表示課程支撐該指標點的考核環(huán)節(jié)個數(shù);j=1表示支撐該指標點的考核環(huán)節(jié)j的初始值為1;Mj表示第j項考核環(huán)節(jié)支撐該畢業(yè)要求指標點的得分率;Hj表示第j項考核環(huán)節(jié)在該指標點總考核環(huán)節(jié)中的百分比。

虛擬教學平臺使用后,實現(xiàn)了線下線上教學的有機融合,在公平、合理選取樣本的基礎上,進行基于虛擬教學平臺的儲層地質專題實習課程目標達成度分析(見圖3)。結果顯示,五個課程目標均達成,目標達成度表現(xiàn)為目標2>目標5>目標1>目標3>目標4>預期值(0.7),平均值為0.796,課程總體達成度為0.926。目標1的達成度為0.787 4,表明通過課程學習,學生已建立地質思維方式;目標2的達成度為0.844 6,高于課程平均達成度,表明在巖心觀察描述的工作方法與流程方面,學生具有較好的沉積現(xiàn)象綜合分析能力;目標3的達成度為0.783 3,表明學生較好地具備了成巖作用和儲層主控因素的分析能力;目標4的達成度為0.767 2,表明學生在小論文撰寫時語言表達能力有待提高;目標5的達成度為0.798 7,高于課程平均達成度,表明學生對儲層評價方法的掌握度較好。

圖3 基于虛擬教學平臺的儲層地質專題實習課程目標達成度評價

五、大數(shù)據(jù)背景下儲層地質專題實習虛擬教學平臺的應用效果

(一)提升課堂教學的趣味性,改善傳統(tǒng)教學難點

儲層地質專題實習虛擬教學平臺的建設,解決了教學素材不足的問題,增添了趣味性、科技性與可重復性,充分調動學生積極性,避免了教與學的過程中低效重復的現(xiàn)象,這進一步改善了教學范式和學習方式,達到了教學相長、溫故知新的教學效果。通過兩年課程目標達成度評價數(shù)據(jù)對比,上一年課程總體達成度為0.873,應用基于大數(shù)據(jù)背景的儲層地質專題實習虛擬教學平臺教學后,課程目標達成度增長到0.926,總體增長幅度達到6%,5個小目標的增長幅度均大于5%,有力體現(xiàn)出該虛擬平臺能夠促進教學模式創(chuàng)新,改善傳統(tǒng)教學難點,顯著提升教學質量。

(二)全新教學方式促進課堂改革

將AI學習引入儲層地質專題實習的教學過程中,是對傳統(tǒng)的教學方式的改革。通過交互式虛擬教學平臺建設,實現(xiàn)教學的開放性和可持續(xù)性,達到學生學習的主觀能動性和可循環(huán)性,推動了新時代高校實踐課程的教學改革。

成都理工大學資源勘查工程專業(yè)儲層專題實習虛擬教學平臺的建設具有示范性和可推廣性,平臺中心數(shù)據(jù)庫為教學提供了豐富的資料,將傳統(tǒng)的巖心、薄片圖像、成巖現(xiàn)象的面授教學模式轉化為面向用戶的虛擬教學模式,實現(xiàn)從“有芯”到“無芯”、從傳統(tǒng)化到數(shù)字化、從二維參數(shù)描述向三維形態(tài)結構、從二維平面化向三維可視化、從“灌輸式”向“沉浸式”、從多媒體向富媒體的轉變。

(三)推進教育數(shù)字化,加速人才建設

黨的二十大報告指出要深入實施科教興國戰(zhàn)略,強化現(xiàn)代化建設人才支撐。高校應當深入貫徹落實黨的二十大精神,努力開拓中國特色世界一流大學高質量發(fā)展新局面?；诖髷?shù)據(jù)背景構建巖心薄片AI識別模塊和孔隙結構三維可視化構建模塊,構建開放、共享的教學平臺,能夠有力支撐新時代中國高?！坝^念更新、模式改革、關系重構”的教育體系轉變。資源勘查工程專業(yè)人才培養(yǎng)計劃進一步實現(xiàn)維度拓展,課外創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動屢獲佳績。以此為依托,相關項目獲得第七屆四川省國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎;逐步實現(xiàn)了學生的專業(yè)知識體系立體化,專業(yè)實踐能力提質化、專業(yè)教學體系開放化、教學過程全方位互動化。同時以該平臺為合作紐帶,推進與其他高校和科研院所的合作與交流。綜上,大數(shù)據(jù)背景下儲層地質專題實習虛擬教學平臺較好地促進國家“雙一流”學科的建設和發(fā)展,推動新時代創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

六、結語

成都理工大學資源勘查工程儲層專題實習課程,通過大數(shù)據(jù)資料收集、AI識別、儲層可視化、平臺搭建四個步驟,建設交互式虛擬教學平臺。這增添了課程的趣味性、科技性與可重復性,有效地提升了教學質量、提高了工程教育專業(yè)認證體系的目標達成度,具有示范性和可推廣性。大數(shù)據(jù)驅動的教學模式是精準教學2.0的典型代表,大數(shù)據(jù)驅動的交互式虛擬教學平臺的建設,勢必會引領教育創(chuàng)新的范式轉換,推動高校實踐課程的教學改革,助力國家“雙一流”學科建設和新時代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。