基于Matlab的位场数据处理教学研究★

邰振华 程 妍 商宇航 王 冠

(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

位场(重磁)勘探广泛用于基础地质研究、矿产勘探、地质灾害防治、环境与工程勘查等领域。其中，数据处理是由观测数据到地质解释的必经环节，处理精度对勘探质量、地质任务达成度至关重要[1]。在传统课程体系中，位场数据处理教学是地球物理勘探专业的必修课，并非其他地质类专业(如资源勘查工程、地质工程等)的重点教学内容。然而，基于行业对复合型技术人才的渴求、学习产出教育理念(简称OBE)的深化，数据处理的理论与实验教学已然成为地质类专业课程体系的必要内容。

位场数据处理是对观测数据进行特定的数理加工，提取与地质任务有关的异常信息，涉及地球物理学、数学、电子信息学、计算机科学等学科的知识交叉，具有理论深、公式繁杂及实用性强的特点[2]。传统教学模式下，数据处理的理论与实验教学分开，理论教学多为公式推导与灌输式讲授，辅以板书、多媒体，忽略了学生真实的理解与接受能力，学生理论水平不高使得实验教学质量难以提升[3]。对于缺少先导数理课程的地质类专业学生，传统教学模式的不利影响更甚[4]。此外，“经典内容多”与“学时有限”的矛盾突显，也造成了课程缺乏科技前沿知识的问题。此种教学模式难以落实OBE教学理念，不利于培养学生的工程实践与创新探究能力。

黑龙江科技大学是“教育部新工科研究与实践项目实施高校”“黑龙江省特色应用型本科建设示范高校”，目标是建成“矿业特色鲜明的高水平应用型大学”。多年来，学校与行业合作密切，地质类专业学生增多，教学规模扩大，如何更好培养学生的自我学习与创新能力成为教学改革的努力方向。针对位场数据处理教学环节的实际问题，本文以我校地学信息实验室为依托，以独立开发的Matlab程序包为支撑，提出了一种理论与实验同步教学的新模式，以体验式、探索式教学代替传统教学，实现“理论学习—实验消化—理解应用”一体化，促进实践与创新能力培养。

1 教学改革支撑条件

1.1 地学信息实验室提供硬件条件

鉴于现代地学信息技术对地质类专业教学体系的重要性，我校建成了以“3S”技术、地学信息采集与数据处理技术等为核心的地学信息实验室。实验室拥有高性能计算机60台、地学信息采集与处理教学系统1套、“3S”技术教学系统1套、岩矿镜下分析与鉴定教学系统1套。其中，地学信息采集与处理教学系统不仅包含了Matlab，Surfer，Origin，MapGIS，CAD等编程与绘图软件，还有部分商业化数据处理软件。实验室的承载力能够满足教学需求，配备的机房管理系统能够辅助“教”与“学”的灵活转变。

1.2 独立开发的Matlab程序包提供软条件

商业化教学软件类似“黑盒子”，学生看不到程序代码，仅能在界面进行处理项选择、计算参数输入等固定操作，教学效果不佳。为了给教学改革提供有力支撑，需要单独开发一套开源属性的程序包。

Matlab是集算法开发、科学计算、信号分析及数据可视化于一体的高级技术计算语言，具有编程效率高、程序调试便捷、库函数丰富、计算与绘图能力强等特点，已成为国内外科学研究的主流编程软件。相比于C，Fortran等基础语言，Matlab凭借功能强、易掌握等优点,更适合辅助数据处理的实验教学。在遴选、归纳数据处理的重点教学内容后，融入前沿性处理方法，独立开发了一套由预处理、位场正演、常规处理及位场反演4个模块构成的位场数据处理教学程序包，各模块的内容见图1。此程序包的源代码均为开源。开源的优势为：

1)学生能够看到程序代码，在教师讲解下，学习如何将基本理论、计算公式等内容转化为计算机程序；

2)各程序间可以灵活调用、组合，便于学生验证自主设计的数据处理方案，以探索式教学快速掌握所学知识；

3)便于学生对程序的二次开发与优化，有助于培养学生的创新思维与能力；

4)可随时加入前沿性处理方法，快速更新教学内容。

2 理论与实验同步教学的新模式

位场数据处理的传统教学将理论课堂与实验隔开，既限制了教学质量的提高，也浪费了学时。理论课堂是以多媒体辅助的单向灌输式讲授，无法动态展现算法的内涵、参数对处理进程与结果的影响机制，学生多硬性记忆而非理解；后续实验多流于形式，学生实践水平不高。例如，位场向下延拓的传统教学，理论课堂重点讲授了向下延拓的基本原理与计算公式，给出了处理结果随延拓深度的变化规律，但缺乏直观体验，学生仅记住了概念与性质，对算法局限性、干扰信号特征、高频压制等重要知识不理解；后续上机实验，学生无法用理论知识解释实验现象，对位场正演、向下延拓及高频压制的组合应用能力差，甚至出现“错用导数换算”“懒于操作、相互抄袭”等问题。传统教学忽略了“数据处理的理论与实验相辅相成”的天然属性，质量提升存在先天性不足。

古语云：“耳闻之不如目见之，目见之不如足践之，足践之不如手辨之”。为实现“理论学习—实验消化—理解应用”一体化，将传统教学彻底改为理论与实验同步教学的新模式。新模式下，理论与实验教学课堂合并(场所为地学信息实验室)，因模块内数据处理方法的基本原理具有相通性，教师只需重点讲授通用性、核心的基础理论，每个模块甄选一种处理方法进行系统演示。演示内容主要包括处理结果与原始值的差异、处理结果与真实值的差异、处理结果随参数变化规律、方法对噪声等高频干扰的反馈、组合滤波的选择等。在必要讲解与系统演示的共同作用下，将方法的代码编写、局限性、干扰影响、高频压制及参数选择等重要知识传授给学生。而后，学生自由选择处理方法，模仿教师操作进行体验式学习。操作熟练后，向学生布置两种类型的作业：一是完成方法理论与实际应用的分析总结；二是指出方法的优缺点。在此基础上，鼓励学生以文献查阅、小组交流等方式，探索方法的改进措施。在最终考核中，将学生分组，要求每组完成一个完整的数据处理流程，并对其中的关键环节进行剖析，完成讨论与评价。

在体验式、探索式的新教学模式下，教师角色转变为引导者、答疑人，学生动脑与动手同步，教—练—研三者融合，理论知识的内涵理解、实际应用及创新有机结合。

3 教学实际案例

以向下延拓为例，模拟实验需要模块2的水平圆柱体正演程序提供数据支持。在调用水平圆柱体正演程序时，学生设置不同模型参数，可获得相应异常值，实现异常的可视化，掌握地质体参数对地表观测数据的影响机制。

以两个水平圆柱体(模型参数如表1所示)模拟地质条件，加入随机噪声模拟实际测量的干扰因素，正演结果见图2。其中，地质体2因规模小，异常特征不明显，可采用向下延拓加以突出。如图3所示，使用直接FFT法程序，延拓3倍点距对地质体2有微弱的突出效果，而5倍点距的处理结果噪声干扰严重，说明向下延拓可以突出局部异常，但直接FFT法的延拓深度有限。如图4所示，换用两种前沿方法进行向下延拓[5]，延拓10倍点距的结果未受明显干扰，但方法A与真实值的拟合度远大于方法B。此实验中，学生能够亲身体验处理结果随计算参数的变化规律，分析滤波特性，发现向下延拓的局限性，体验前沿方法的优缺点，探寻潜在的改进方式。在传统课堂，学生很难理解这些重要的知识点，但在理论与实验同步的新课堂，体验式与探索式教学模式能辅助学生高效消化知识。

表1 模型参数

4 教学改革成效

自2019年教学改革后，我校地质类学生的位场数据处理能力明显提高，主要成效如下：

1) 2018年—2020年期末考试均设置了位场数据处理方面的主客观题目，且难易度相近。经统计，此类题目2018年的得分率仅为67.23%，2019年,2020年得分率依次为83.46%，81.82%。2019年，2020年的得分率明显高于2018年，2020年线上授课对理论与实验同步教学的新模式影响较小，教学改革成效明显。

2)基于位场数据处理程序包的二次开发与优化，学生申请大学生创新创业项目2项。

5 结语

位场数据处理是利用位场勘探技术达成地质目标的重要环节，教学质量对地质类专业人才培养至关重要。然而，课程内容存在公式繁杂、理论抽象等问题，加之传统教学的理论课堂与实验脱节，造成学生的知识理解与运用能力欠佳。为此，本文提出了理论与实验同步教学的新模式。将理论与实验课堂合并转入地学实验室，以独立开发的Matlab程序包为软件支撑，理论讲解与上机操作同步进行，体验式教学辅助了算法滤波特性、局限性等教学难点的突破，开源程序的二次开发保障了算法改进等探索内容的教学。教—练—研的有效融合，激发了学习热情，提高了自我学习、实际应用及创新能力。