智能地球探測專業(yè)課程體系與培養(yǎng)模式探索

摘 要：智能地球探測專業(yè)強調(diào)地球物理、地質(zhì)、工程與人工智能的結(jié)合，旨在培養(yǎng)具備數(shù)理科學(xué)、地球探測技術(shù)和人工智能交叉領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的人才。課程體系設(shè)計秉承“寬基礎(chǔ)、強能力”的理念，包括通識教育、專業(yè)教育和拓展教育三個模塊。教學(xué)方法上，注重理論與實踐結(jié)合，運用現(xiàn)代教學(xué)工具創(chuàng)新教學(xué)方法，強化實踐環(huán)節(jié)，注重交叉學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)習(xí)與實踐。同時，智能地球探測專業(yè)也面臨技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)需求變化的挑戰(zhàn)，需要不斷更新培養(yǎng)方案和課程內(nèi)容，以平衡“寬度”和“深度”的培養(yǎng)要求，使學(xué)生緊跟時代步伐，滿足社會需求。

關(guān)鍵詞：智能地球探測;培養(yǎng)方案;課程體系;交叉學(xué)科

隨著信息科學(xué)和智能科學(xué)領(lǐng)域技術(shù)的迅速發(fā)展，高等教育形態(tài)正在重構(gòu)，與之緊密相關(guān)的地球物理專業(yè)正朝著信息化、智能化和自動化方向快速邁進(jìn)，逐步從常規(guī)探測向智能探測與監(jiān)測方向轉(zhuǎn)變?？焖佟⒊呙芏鹊奶綔y和長周期監(jiān)測數(shù)據(jù)必將推動地球探測向高效采集和智能實時處理的方向發(fā)展，同時也促進(jìn)探測技術(shù)向精細(xì)監(jiān)測技術(shù)轉(zhuǎn)變，為未來的智慧城市建設(shè)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供技術(shù)支撐。這一趨勢帶來了對新型人才的需求，推動地球物理專業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，以智能化支撐探測、監(jiān)測需求的智能地球探測專業(yè)應(yīng)運而生。

一、智能地球探測專業(yè)符合社會發(fā)展需求

2017年7月，國務(wù)院正式印發(fā)并實施了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，該規(guī)劃立足于我國戰(zhàn)略發(fā)展需求，對2030年我國人工智能的發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃和部署;2018年教育部發(fā)布了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，指出以完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系為重點任務(wù)，引導(dǎo)高校進(jìn)一步提升人工智能領(lǐng)域科技創(chuàng)新、人才培養(yǎng)和服務(wù)國家需求的能力。

人工智能與傳統(tǒng)專業(yè)結(jié)合領(lǐng)域具有快速增長的潛力，將智能化融入地球探測之中，已成為能源、工程等探測領(lǐng)域現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。地球探測正逐步從傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集、處理和解釋模式，轉(zhuǎn)向以地球物理大數(shù)據(jù)為分析對象、以智能信息理論為基礎(chǔ)、以能源和礦產(chǎn)工程環(huán)境問題為核心的新型智能地球探測和監(jiān)測模式。未來，資源勘探開發(fā)及環(huán)境監(jiān)測新技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能等將廣泛應(yīng)用于地球探測數(shù)據(jù)的采集、處理與地質(zhì)解釋中，從而推動傳統(tǒng)地質(zhì)勘查及環(huán)境監(jiān)測的迅速發(fā)展。行業(yè)發(fā)展對“地球物理+智能”人才的需求也會隨之增加，智能化地球探測與環(huán)境監(jiān)測從業(yè)人員需求將大幅增長。

目前，地球探測現(xiàn)有的從業(yè)人員主要集中在能源勘查、地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、水利和工程勘探等領(lǐng)域，但與生態(tài)文明建設(shè)密切相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域相對較少。雖然我國有超400所高校設(shè)置了人工智能專業(yè)，但人才結(jié)構(gòu)單一，缺乏具體的工程知識，導(dǎo)致無法滿足工程實際需求。巨大的從業(yè)人員空位，為智能地球探測專業(yè)人才培養(yǎng)帶來了空前的機遇。行業(yè)發(fā)展與從業(yè)人員匱乏的矛盾突出，因此，培養(yǎng)智能地球探測領(lǐng)域的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才，不僅能夠促進(jìn)能源地礦勘查、工程和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，還能更好地服務(wù)全國行業(yè)需求。

智能地球探測專業(yè)2022年被教育部列入2021年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄的新增專業(yè)名單，專業(yè)代碼為081406T。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）作為首個獲批該專業(yè)的高校，于2022年開始招生。2023年華北水利水電大學(xué)獲批該專業(yè)，并于當(dāng)年開始招生。2024年西南交通大學(xué)、東華理工大學(xué)、山東石油化工學(xué)院等三所高校也相繼獲批該專業(yè)，其中西南交通大學(xué)于2024年開始招生。目前，還有多所高校擬申請智能地球探測專業(yè)，或在勘查技術(shù)與工程專業(yè)中設(shè)置智能地球探測研究方向。這些舉措表明，地球物理專業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)變是諸多高校和行業(yè)專家的普遍共識。

華北水利水電大學(xué)智能地球探測專業(yè)建設(shè)依托水利、地質(zhì)資源與地質(zhì)工程等傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，以及人工智能、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等新興學(xué)科。它強調(diào)地球物理、地質(zhì)、工程、人工智能相結(jié)合，以水利工程地質(zhì)為核心，將地球物理探測與人工智能、水利、土木工程、生態(tài)環(huán)境等進(jìn)行交叉融合，重點解決水利工程建設(shè)與災(zāi)害防治中的智能探測、監(jiān)測問題，堅持協(xié)同共享、交叉融合、開放創(chuàng)新的新工科人才培養(yǎng)模式，實現(xiàn)學(xué)科交叉和專業(yè)拓展，提升學(xué)生創(chuàng)新能力，帶動人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提升。

該專業(yè)以促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展為宗旨，面向未來國家建設(shè)需要，使學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的人生觀和價值觀，提升學(xué)生的科學(xué)與人文素養(yǎng)，增強學(xué)生的智能地球探測能力，培養(yǎng)具備數(shù)理科學(xué)、地球探測技術(shù)和人工智能交叉領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的人才。同時，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)掌握智能地球探測應(yīng)用能力，具備基本的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，能夠適應(yīng)工程基礎(chǔ)勘查、城市地下空間探測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、資源勘查與開發(fā)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、智能地球探測等領(lǐng)域的科研及生產(chǎn)發(fā)展需要。

二、課程體系與學(xué)分分配

智能地球探測專業(yè)培養(yǎng)方案在人才培養(yǎng)目標(biāo)的引領(lǐng)下，充分彰顯了學(xué)校水利特色。該方案經(jīng)過多輪次校內(nèi)外專家論證，秉承“寬基礎(chǔ)、強能力”的設(shè)計理念，為學(xué)生終身學(xué)習(xí)和拓寬就業(yè)渠道奠定了堅實基礎(chǔ)。

該專業(yè)課程體系設(shè)計遵循工程教育專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)：與本專業(yè)畢業(yè)要求相適應(yīng)的數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類課程占比不低于總學(xué)分的15%;符合本專業(yè)畢業(yè)要求的工程基礎(chǔ)類課程、專業(yè)基礎(chǔ)類課程與專業(yè)類課程占比至少為30%，工程實踐占比至少為20%;人文社會科學(xué)類通識教育課程占比至少為15%。

培養(yǎng)方案包括通識教育、專業(yè)教育和拓展教育三個模塊，共計171學(xué)分。

通識教育課程是學(xué)生能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)，包括通識必修課和通識選修課。必修課為高等數(shù)學(xué)、大學(xué)外語、馬克思主義基本原理、體育、高級語言程序設(shè)計等27門課程，共計60學(xué)分，占比35.09%，其中涵蓋Java和Python兩門程序設(shè)計課程;選修課包括藝術(shù)與審美類、社會科學(xué)素養(yǎng)類、生命健康類和體現(xiàn)學(xué)校特色的水利特色課程類，共計10學(xué)分，占比5.85%。

專業(yè)教育模塊是課程體系的核心，包括8門工程基礎(chǔ)課（16學(xué)分，占比9.36%）、7門專業(yè)基礎(chǔ)課（16學(xué)分，占比9.36%）、8門專業(yè)核心課（20學(xué)分，占比11.70%）、16門專業(yè)選修課（選修8學(xué)分，占比4.68%）和18門實踐類課（35學(xué)分，占比20.47%）。

專業(yè)基礎(chǔ)課主要有學(xué)科導(dǎo)論、普通地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、人工智能與數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)及模式識別、場論、彈性波動力學(xué)。專業(yè)核心課包括工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、地震勘探原理與方法、電法勘探原理與方法、重磁勘探原理與方法、計算地球物理、智能探測與監(jiān)測技術(shù)、3S技術(shù)及應(yīng)用、地學(xué)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

拓展教育包括社會實踐、勞動教育、軍事技能和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，其中前三項各1學(xué)分，每項占比0.58%，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)3學(xué)分，占比1.75%。

從課程類別來看，數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類課程31學(xué)分，占比18.13%，開設(shè)有復(fù)變函數(shù)、數(shù)學(xué)物理方程、計算方法等工程數(shù)學(xué)課程，體現(xiàn)了本專業(yè)對學(xué)生基礎(chǔ)科學(xué)知識的要求;工程基礎(chǔ)類20學(xué)分，占比11.70%，專業(yè)基礎(chǔ)類16學(xué)分，占比9.36%，專業(yè)類20學(xué)分，占比11.70%，三類合計56學(xué)分;工程實踐（含畢業(yè)設(shè)計和論文）35學(xué)分，占比20.47%;人文社科類36學(xué)分，占比21.05%。

實踐類課程自第2學(xué)期至第8學(xué)期開設(shè)，集中在第5、6學(xué)期，遵循從易到難、由單一到綜合的遞進(jìn)式學(xué)習(xí)過程。實踐類課程是對學(xué)生應(yīng)用能力的綜合提升，包含普通地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實習(xí)，這是地質(zhì)類專業(yè)的基礎(chǔ)實習(xí)，涉及人工智能與數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)及模式識別、數(shù)字信號處理等課程的設(shè)計環(huán)節(jié)，地震勘探、電法勘探、重磁勘探等課程設(shè)計，還包含智能探測與監(jiān)測課程設(shè)計、地學(xué)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程設(shè)計、智能地球探測綜合實習(xí)等。

課程設(shè)計環(huán)節(jié)是對理論課程的有益補充，學(xué)生通過理論課程結(jié)束后一周的實踐訓(xùn)練，運用和鞏固理論知識，加深對課程的認(rèn)知，增強獲得感、成就感。普通地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)野外實習(xí)則提升學(xué)生的野外實踐能力，綜合實習(xí)是對野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和解釋的綜合能力訓(xùn)練。

此外，專業(yè)類課程和人文社科類課程分別設(shè)置了8學(xué)分和10學(xué)分的選修課程，占比10.53%。專業(yè)選修圍繞科研能力訓(xùn)練、工程知識和專業(yè)能力提升等方面設(shè)置了16門課程。這些都為學(xué)生的多元化發(fā)展提供了有力支撐。

三、教學(xué)方法與模式

智能地球探測專業(yè)作為一門多學(xué)科交叉專業(yè)，與地球物理和人工智能技術(shù)的發(fā)展緊密相連，對學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)和編程能力要求較高，課程難度較大。同時，該專業(yè)具有鮮明的實踐特征，室內(nèi)和室外實踐環(huán)節(jié)均不可或缺，這對教學(xué)提出了較高要求。在教學(xué)方法和模式上，運用多種方式提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在理論課程中綜合運用課堂講授、案例分析、小組合作等多種教學(xué)方法，在實踐環(huán)節(jié)運用項目制、競賽制等創(chuàng)新形式，注重與課程理論聯(lián)動融合，增強學(xué)生的成就感，形成正向反饋，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情和探索知識的興趣。

（一）注重地球物理與智能結(jié)合，理論與實踐結(jié)合。本專業(yè)是地球物理和人工智能的交叉學(xué)科，要求學(xué)生掌握兩個領(lǐng)域的知識。目前尚無相關(guān)的系列教材，且人工智能在地球物理領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷深入，在授課中需要注意兩個領(lǐng)域的結(jié)合，在課程講授和實踐環(huán)節(jié)要注意引入跨學(xué)科知識的應(yīng)用場景，讓學(xué)生在潛移默化中掌握學(xué)科知識，避免只注重課程設(shè)置的交叉而忽視課程內(nèi)容的交叉。

本專業(yè)是應(yīng)用型學(xué)科，豐富的實踐經(jīng)驗?zāi)軌驑O大提升學(xué)生的應(yīng)用能力，提升學(xué)生對理論知識的深入理解和靈活運用，并在一定程度上增強學(xué)生的成就感，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中可以采用多元化的教學(xué)方法，例如，結(jié)合實際案例教學(xué)，分析如何在實際中應(yīng)用所學(xué)知識解決問題;在部分課程或教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)置綜合項目，鼓勵學(xué)生組建團(tuán)隊，每個團(tuán)隊需完成從數(shù)據(jù)收集、處理到結(jié)果分析的全過程操作，以此鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和問題解決能力。

（二）運用現(xiàn)代教學(xué)工具，創(chuàng)新教學(xué)方法。在線平臺、軟件模擬、虛擬仿真、人工智能等教學(xué)工具的運用，使學(xué)生能以直觀、感性的方式學(xué)習(xí)復(fù)雜的理論知識，強化實踐環(huán)節(jié)，從而增強學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗和實操能力，拓展他們獲取知識的途徑，激發(fā)學(xué)生互動的積極性，提升教學(xué)效果。學(xué)院建設(shè)了虛擬仿真教室，并開發(fā)了地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程的虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，后續(xù)將計劃在三維建模、處理解釋等課程環(huán)節(jié)開發(fā)虛擬仿真實驗，使學(xué)生對復(fù)雜模型有更直觀的認(rèn)識。在課程實踐與課程設(shè)計環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生運用各類專業(yè)軟件，提升他們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，增強其實踐能力。

（三）注重交叉學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)習(xí)與實踐。智能地球探測專業(yè)在各行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用場景，從傳統(tǒng)的礦產(chǎn)勘探到大型工程的安全運行監(jiān)測，從地下環(huán)境評價到海洋工程勘查，都有本專業(yè)的應(yīng)用場景。在課堂教學(xué)中，引入實際案例的介紹和分析，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，鼓勵學(xué)生參與計算機科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和工程學(xué)等相關(guān)學(xué)科的交叉課程，加深對相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的理解和應(yīng)用，有助于拓展學(xué)生思維。

（四）實踐環(huán)節(jié)的強化學(xué)習(xí)。學(xué)院采取多種措施，增加學(xué)生參加現(xiàn)場調(diào)查、項目實踐和企業(yè)實習(xí)的機會。一方面，通過實踐環(huán)節(jié)或?qū)嵺`課程為學(xué)生提供更多實際操作的學(xué)習(xí)機會;另一方面，引導(dǎo)學(xué)生積極參與學(xué)科競賽、創(chuàng)新實驗項目和教師的科研項目。此外，學(xué)院還應(yīng)積極拓展校企合作，通過項目合作、學(xué)生實習(xí)等形式，讓學(xué)生有機會在實際項目中運用所學(xué)知識，從而加深對專業(yè)的理解，提升科研和實踐能力。

（五）學(xué)習(xí)成效評估與改進(jìn)。學(xué)習(xí)效果評估對學(xué)生培養(yǎng)至關(guān)重要，它不僅為學(xué)生提供了調(diào)整和努力的方向，也是學(xué)校及時調(diào)整教學(xué)方式和培養(yǎng)方案的重要依據(jù)。學(xué)校通過期末考試、實踐環(huán)節(jié)、課程項目、競賽活動等多種方式，對學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)成績和能力的多維度評估，以了解短期的教學(xué)效果;通過在校生、畢業(yè)生和用人單位的調(diào)查反饋，評估對學(xué)生長期發(fā)展的影響，作為其培養(yǎng)成效的重要參照。

（六）注重課程內(nèi)容的更新。智能地球探測專業(yè)作為交叉專業(yè)，目前正處于技術(shù)迅速發(fā)展的階段。學(xué)院鼓勵教師積極參加教學(xué)、學(xué)術(shù)會議，交流培養(yǎng)經(jīng)驗，了解行業(yè)前沿和發(fā)展方向。同時，注重收集高校和行業(yè)專家的建議，對培養(yǎng)方案和課程內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)進(jìn)行修訂。

四、專業(yè)展望與挑戰(zhàn)

智能地球探測是一個高度結(jié)合地球科學(xué)與智能信息技術(shù)的專業(yè)，擁有廣闊的應(yīng)用前景，同時也面臨諸多挑戰(zhàn)，技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)需求的變化對本專業(yè)的發(fā)展有著顯著影響，并對人才培養(yǎng)提出了更高要求。

從技術(shù)進(jìn)步的角度來看，專業(yè)培養(yǎng)方案需要注重新技術(shù)的引入，拓寬課程內(nèi)容，同時也需要注重核心課程的深度，為學(xué)生的持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能正處于技術(shù)快速發(fā)展階段，在地球物理領(lǐng)域的應(yīng)用仍有較大的提升空間，與探測相關(guān)的遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用，將會在探測方案優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理兩個主要領(lǐng)域持續(xù)取得顯著進(jìn)展，這使得探測或監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)維度更多、精度更高、數(shù)據(jù)量更大，從而提升了對數(shù)據(jù)處理分析的迫切需求。這對課程設(shè)置提出了較高要求，既要體現(xiàn)交叉領(lǐng)域的寬口徑培養(yǎng)，又要確保部分專業(yè)課程具有厚基礎(chǔ)的深度培養(yǎng)。在學(xué)分壓縮的背景下，如何平衡“寬度”和“深度”，是對人才培養(yǎng)模式的雙重挑戰(zhàn)。

從行業(yè)需求變化來看，專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)需要根據(jù)社會需求不斷調(diào)整。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)資源利用的日益關(guān)注，本專業(yè)在工程、環(huán)境與人類可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域發(fā)揮的作用將日益凸顯。專業(yè)教學(xué)需要加強這方面的課程建設(shè)，如地質(zhì)災(zāi)害防控、環(huán)境與工程監(jiān)測等。在傳統(tǒng)能源探測需求保持平穩(wěn)的同時，非傳統(tǒng)能源及新能源的探測是未來能源行業(yè)的重要方向，培養(yǎng)方案和課程內(nèi)容需關(guān)注相關(guān)技術(shù)和前沿問題，并根據(jù)反饋不斷進(jìn)行更新，使學(xué)生能夠緊跟時代步伐，滿足社會需求。

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