基于小型數(shù)字礦山的地學(xué)軟件開發(fā)課程實踐

摘 要：數(shù)字礦山是地學(xué)信息技術(shù)的重要研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。該文以中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)應(yīng)用開發(fā)實習(xí)課程為例，介紹一個以小型數(shù)字礦山系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)為主題的實踐教學(xué)完整案例，以及相關(guān)的思考，可以為其他高校地學(xué)與信息相結(jié)合的交叉專業(yè)的教學(xué)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字礦山系統(tǒng)；空間信息與數(shù)字技術(shù)；地質(zhì)信息系統(tǒng)；教學(xué)實踐；項目教學(xué)法

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）35-0133-04

Abstract： Digital mine is a vital geo informatics technology research direction and application field. Taking the "Application Development Internship Course" of Spatial Information and Digital Technology at China University of Geosciences （Wuhan） as an example， this paper introduces a complete case of practical teaching process focused on the design and development of a small-scale digital mine system， along with relevant reflections. The study can provide a reference for teaching interdisciplinary and specialized fields that combine geoscience with information technology in other institutions.

Keywords： Digital Mine System; spatial information and digital technology; geological information system; teaching practice; project teaching methods

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）空間信息與數(shù)字技術(shù)本科專業(yè)以地學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的交叉融合為主要特色[1-2]。應(yīng)用開發(fā)實習(xí)為該專業(yè)學(xué)生大三階段一門重要的綜合性專業(yè)實踐課程[2-3]，其目的是讓學(xué)生在學(xué)完大類平臺課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)主干課等課程后（進(jìn)入畢業(yè)設(shè)計前），對所學(xué)知識有一次綜合應(yīng)用和充分實踐的機(jī)會，對于深化學(xué)生理解、掌握及獨立開發(fā)空間信息系統(tǒng)的能力具有重要價值。

數(shù)字礦山[4-5]是地學(xué)信息技術(shù)的重要研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。它是存儲于網(wǎng)絡(luò)上的、能供多用戶訪問和應(yīng)用的一種虛擬礦山，是真實礦山整體及其勘探生產(chǎn)和經(jīng)營過程的全面數(shù)字化、信息化和可視化。同時，數(shù)字礦山系統(tǒng)的開發(fā)也需要用到多門專業(yè)課程的知識，例如面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計、綜合勘查學(xué)、地學(xué)數(shù)據(jù)分析與挖掘、三維可視化與過程模擬、地質(zhì)信息系統(tǒng)工程等。

因此，將數(shù)字礦山選定為應(yīng)用開發(fā)實習(xí)的主題，不僅能夠精準(zhǔn)對接行業(yè)需求，還能全面檢驗并提升學(xué)生的綜合能力，為學(xué)生將來在地學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域的職業(yè)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

一  教學(xué)理念與目標(biāo)

應(yīng)用開發(fā)實習(xí)課程秉承“以學(xué)生為核心，激發(fā)主觀能動性”的教育理念，結(jié)合跨學(xué)科專業(yè)交叉融合、教學(xué)與科研實踐融合、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與專業(yè)教育融合的“三融合”人才培養(yǎng)模式[6]，致力于實現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo)：①理解地礦勘查信息化，掌握在小型數(shù)字礦山系統(tǒng)中集成地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、管理、圖件生成、三維建模及地質(zhì)分析等功能，估算礦山儲量。②確保系統(tǒng)安全與穩(wěn)定，保障開發(fā)的地質(zhì)信息系統(tǒng)具備高容錯性、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性。③精通項目管理與開發(fā)，熟悉軟件開發(fā)流程，能獨立或團(tuán)隊協(xié)作完成地質(zhì)信息系統(tǒng)開發(fā)。④跨學(xué)科綜合決策，融合多學(xué)科知識，為礦山企業(yè)設(shè)計個性化數(shù)字礦山解決方案，實現(xiàn)高效管理。⑤三維地質(zhì)建模與分析，利用三維建模、空間分析及模擬技術(shù)，精準(zhǔn)揭示礦山地質(zhì)特征。⑥高效溝通與匯報，掌握項目需求分析與成果匯報技巧，編制高質(zhì)量設(shè)計文檔，并有效與甲方溝通。

二 教學(xué)方法與內(nèi)容

本課程圍繞數(shù)字礦山系統(tǒng)開發(fā)，采用“模擬項目”教學(xué)法，以學(xué)生為主體，自發(fā)組建項目組，指導(dǎo)老師扮演“甲方”及“質(zhì)量管理經(jīng)理”角色，通過虛擬項目研發(fā)，綜合提升學(xué)生專業(yè)技能、團(tuán)隊協(xié)作及科研能力。

實習(xí)要求與項目組織：①明確實習(xí)形式、任務(wù)、考核標(biāo)準(zhǔn)及流程。②學(xué)習(xí)軟件生命周期管理、項目管理技巧、團(tuán)隊協(xié)作與溝通方法。③選舉項目經(jīng)理，組建高效研發(fā)團(tuán)隊，制定項目合同。

教學(xué)方法與手段：①理論講授與案例分析相結(jié)合，通過理論講授奠定知識基礎(chǔ)，結(jié)合案例分析加深理解。②小組討論與合作學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作，共同解決問題。③實踐操作與項目驅(qū)動，通過實際項目操作，提升學(xué)生的動手能力和問題解決能力。④反思總結(jié)與持續(xù)改進(jìn)，鼓勵學(xué)生反思學(xué)習(xí)過程，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷優(yōu)化學(xué)習(xí)方法。

教學(xué)內(nèi)容主要包括：①三維地學(xué)信息系統(tǒng)平臺QuantyView的二次開發(fā)培訓(xùn)；②需求分析及評審；③概要設(shè)計及評審；④詳細(xì)設(shè)計及評審；⑤系統(tǒng)實現(xiàn)及測試；⑥文檔編寫；⑦系統(tǒng)部署與維護(hù)；⑧項目驗收。

通過這一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生不僅能夠掌握地質(zhì)信息系統(tǒng)開發(fā)的全流程技能，還能在項目管理、團(tuán)隊協(xié)作、科研方法等方面得到全面提升。

三 教學(xué)案例

（一） 教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

本教學(xué)案例將通過“小型數(shù)字礦山系統(tǒng)研發(fā)”項目，全方位提升學(xué)生的軟件開發(fā)技能與地質(zhì)信息學(xué)領(lǐng)域的知識綜合應(yīng)用能力。強(qiáng)調(diào)理論知識與實踐操作的緊密結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生將課堂所學(xué)轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將不僅能夠熟練掌握從需求分析、系統(tǒng)設(shè)計到文檔編寫的軟件開發(fā)全流程，還能深入理解地質(zhì)數(shù)據(jù)的特點、三維建模技術(shù)的前沿應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析方法的選擇與實現(xiàn)，以及移動應(yīng)用開發(fā)在地質(zhì)勘探中的獨特價值。同時，通過項目驅(qū)動的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識的興趣，學(xué)生將學(xué)會如何在復(fù)雜工程問題中進(jìn)行協(xié)調(diào)資源與溝通合作，培養(yǎng)其解決實際問題的能力和團(tuán)隊協(xié)作精神（圖1）。

圖1 不同階段的教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)

（二） 教學(xué)內(nèi)容組織

1 案例引入與背景分析

基礎(chǔ)理論講解：在介紹數(shù)字礦山概念之前，帶領(lǐng)學(xué)生回顧地質(zhì)學(xué)概論、地質(zhì)信息系統(tǒng)的方法原理及軟件開發(fā)基礎(chǔ)等相關(guān)知識，構(gòu)建完整的基礎(chǔ)知識框架。結(jié)合國內(nèi)外數(shù)字礦山成功案例，讓學(xué)生直觀感受數(shù)字礦山技術(shù)的先進(jìn)性與實用性。同時，探討數(shù)字礦山對現(xiàn)代礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要意義，增強(qiáng)學(xué)生的職業(yè)認(rèn)同感和學(xué)習(xí)動力。

案例背景分析：利用多媒體手段生動展示“小型數(shù)字礦山系統(tǒng)”項目的預(yù)期功能和效果，講解數(shù)字礦山技術(shù)在現(xiàn)代礦山開采和生產(chǎn)中的應(yīng)用價值，如提高礦產(chǎn)資源利用效率、降低開采風(fēng)險、優(yōu)化礦山生產(chǎn)管理等，激發(fā)學(xué)生的探索欲和求知欲。

分組討論：將學(xué)生分為若干小組，討論數(shù)字礦山系統(tǒng)可能涉及的關(guān)鍵技術(shù)和功能需求，為后續(xù)需求分析做準(zhǔn)備。

2 需求分析教學(xué)

理論講解：詳細(xì)講解軟件需求分析的基本方法，包括用戶調(diào)研、業(yè)務(wù)流程分析、功能點提煉等。

模擬調(diào)研：指導(dǎo)學(xué)生通過問卷調(diào)查、訪談等方式收集用戶需求，分組對“甲方”進(jìn)行調(diào)研，繪制預(yù)期用戶業(yè)務(wù)流程圖（圖2）；模擬需求變更場景，教授學(xué)生如何有效處理需求變更情況，保持項目進(jìn)度的穩(wěn)定。

功能要點提煉：基于調(diào)研結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生提煉系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能點（如礦山三維地表模型的生成與直觀展示、礦體和地層的三維精細(xì)化建模、距離冪次反比品位估值等），并討論其實現(xiàn)方法和思路。引導(dǎo)學(xué)生運用KANO模型、四象限法則等工具對需求進(jìn)行分類和優(yōu)先級排序，確保項目資源的高效利用。

技術(shù)方案選型：引導(dǎo)學(xué)生討論并確定系統(tǒng)采用的核心開發(fā)語言（C++）、地學(xué)信息系統(tǒng)平臺（QuantyView）、數(shù)據(jù)庫（Access和MongoDB）等，理解技術(shù)選型對系統(tǒng)性能的影響。

需求文檔編寫：指導(dǎo)學(xué)生分組編寫詳細(xì)的需求規(guī)格說明書，包括功能需求、非功能需求、約束條件等，為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)工作提供依據(jù)。

（三） 系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)

設(shè)計原則講解：介紹系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，如模塊化、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等。教授學(xué)生使用UML（統(tǒng)一建模語言）等設(shè)計工具進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，繪制類圖、時序圖等，提高設(shè)計文檔的規(guī)范性和可讀性。

模塊劃分：在理解、掌握系統(tǒng)基本設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生基于礦山用戶的業(yè)務(wù)流程，將系統(tǒng)劃分為采集識別、三維建模、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理四個模塊（圖3）。

采集識別模塊：講解Android平臺應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)，以及礦石巖性自動識別技術(shù)的原理與應(yīng)用。

三維建模模塊：介紹三維建模技術(shù)，特別是礦山三維地表模型、鉆孔數(shù)據(jù)三維模型等的構(gòu)建方法。

數(shù)據(jù)分析模塊：講解距離冪次反比儲量估算、數(shù)據(jù)智能分析與挖掘等高級數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

數(shù)據(jù)管理模塊：強(qiáng)調(diào)大數(shù)據(jù)管理的重要性，介紹數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)安全與高效檢索等技術(shù)。

系統(tǒng)框架構(gòu)建：引導(dǎo)學(xué)生理解各模塊間的相互關(guān)系與數(shù)據(jù)流，并繪制各模塊的主要功能及相互關(guān)系（圖4）。例如：野外數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)礦山數(shù)據(jù)的搜集與綜合管理，三維建模模塊和地學(xué)數(shù)據(jù)分析模塊分別負(fù)責(zé)關(guān)鍵數(shù)據(jù)模型的三維可視化和深度分析。

圖4 系統(tǒng)主要功能模板及相互關(guān)系

（四） 編碼與測試教學(xué)

編碼規(guī)范要求：在編碼開始前，向?qū)W生強(qiáng)調(diào)編碼規(guī)范的重要性，如命名規(guī)范、注釋規(guī)范、代碼風(fēng)格等，確保代碼的可讀性和可維護(hù)性。

任務(wù)分配：根據(jù)學(xué)生興趣與專長，分配各模塊的開發(fā)任務(wù)。

編碼指導(dǎo)：提供必要的編碼指導(dǎo)與技術(shù)支持，鼓勵學(xué)生采用敏捷開發(fā)方法，迭代式推進(jìn)課程項目。

系統(tǒng)集成與測試：介紹持續(xù)集成和自動化測試的概念、方法，以及實現(xiàn)代碼自動化構(gòu)建和測試的常用工具，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行單元測試、集成測試和用戶驗收測試，提高開發(fā)效率和質(zhì)量。

（五） 項目成果展示教學(xué)

文檔規(guī)范與要求：向?qū)W生講解項目文檔編寫的規(guī)范和要求，如文檔的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、格式等，確保文檔的完整性和規(guī)范性。

文檔編寫：要求學(xué)生編寫詳細(xì)的項目文檔，包括需求分析報告、設(shè)計文檔、用戶手冊等。

項目展示：組織項目答辯會，邀請小米、金山、科大訊飛等知名企業(yè)的專家參與，要求學(xué)生團(tuán)隊以PPT、視頻和現(xiàn)場操作演示等形式展示項目成果，分享開發(fā)經(jīng)驗與教訓(xùn)，并接受教師和同學(xué)的提問和點評。

總結(jié)反思：鼓勵學(xué)生積極總結(jié)項目過程中的收獲與不足，提出改進(jìn)建議，為未來的學(xué)習(xí)和工作積累經(jīng)驗。

四 教學(xué)成果及分析

根據(jù)上述教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生采用C++、Java及Python三種編程語言進(jìn)行了系統(tǒng)實現(xiàn)。圖5展示的是系統(tǒng)在巖性識別與綜合數(shù)據(jù)管理、三維可視化建模、以及數(shù)據(jù)分析與挖掘方面的典型界面及成果。基本達(dá)到了預(yù)期效果。

（a） 巖性識別與綜合數(shù)據(jù)管理

（b） 三維可視化建模

（c） 數(shù)據(jù)分析與挖掘

圖5 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)果

（一） 效果及評價

在課程教學(xué)階段，學(xué)生們展現(xiàn)出了較高的學(xué)習(xí)熱情。這促使了他們在項目執(zhí)行階段能夠主動學(xué)習(xí)，更在潛移默化中顯著提升了他們的專業(yè)技能、團(tuán)隊協(xié)作、組織策劃以及成果匯報能力，實現(xiàn)了多維度的提高和發(fā)展。

在成果匯報階段，大部分同學(xué)能成功完成數(shù)字礦山系統(tǒng)給定功能模塊的開發(fā)，能自信地展示其在項目中的貢獻(xiàn)和成果，并能對老師們的質(zhì)疑做出合理解釋。

（二） 問題與改進(jìn)

數(shù)字化轉(zhuǎn)型、大數(shù)據(jù)[7-8]和“第四范式”為地質(zhì)學(xué)由定性科學(xué)向定量科學(xué)轉(zhuǎn)型提供了難得的機(jī)遇，也為與地質(zhì)信息技術(shù)相關(guān)的課程建設(shè)和專業(yè)建設(shè)提出了新的挑戰(zhàn)。我們計劃進(jìn)一步深度優(yōu)化現(xiàn)有框架，定期收集學(xué)生反饋，調(diào)整教學(xué)計劃與內(nèi)容，確保教學(xué)質(zhì)量與效果的持續(xù)提升。同時，也將積極探索并融入大數(shù)據(jù)[8-9]、人工智能[9-10]等領(lǐng)域的新方法和新技術(shù)，保證教學(xué)內(nèi)容的時效性和前沿性，提升教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

五 結(jié)束語

本文以中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)的應(yīng)用開發(fā)實習(xí)課程為實例，系統(tǒng)展示了以小型數(shù)字礦山系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)為主題的實踐教學(xué)案例。該課程實現(xiàn)了地學(xué)與計算機(jī)科學(xué)的深度融合，通過模擬項目教學(xué)法，讓學(xué)生在實踐中掌握地質(zhì)信息系統(tǒng)開發(fā)的全流程技能，包括三維建模、數(shù)據(jù)分析、項目管理等。不僅加深了學(xué)生對地學(xué)信息技術(shù)的理解，還顯著提升了他們在軟件開發(fā)、項目管理、團(tuán)隊協(xié)作及跨學(xué)科綜合決策等方面的能力。

未來，課程將融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AI技術(shù)，逐步向智慧礦山轉(zhuǎn)型，確保教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時代性。

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