數字化背景下馬角壩實習教學改革探討

嚴冰 張家琪 龍文昌

摘要 馬角壩實習包括野外地質踏勘、實測地質剖面、地質填圖及成果編制等基礎性地質工作，其教學成效卓著?；谛畔F代化與科技不斷更新的時代環(huán)境，文章分析了新階段地質工作方法的轉變，探討了馬角壩實習教學新模式，認為學科交叉有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新力以及其在新型工作條件下的適應力。同時，以學科交叉為改革方向，融入“空天地”一體化、數據集成及可視化兩大改革重點，逐步形成新的教學體系，有助于培養(yǎng)更多創(chuàng)新型與復合型的地學人才。

關鍵詞 馬角壩實習；教學新模式；學科交叉

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.8.016

馬角壩地處龍門山造山帶北段，區(qū)內地質構造復雜、地質現象典型，教學路線中的地質構造、巖石地層、礦山地質環(huán)境、地質災害等現象典型，因此，建立于此地的成都理工大學馬角壩實習基地是地質教學實習的理想場所。自1960年創(chuàng)建以來，上萬名學生在馬角壩實習過程中得到了地學系統(tǒng)訓練，加深了對理論知識的理解，并在一定程度上了解和掌握了野外地質工作的方法與技能，為后續(xù)的學習及將來從事地質相關工作奠定了基礎。

1馬角壩實習概況

1956年，成都理工大學（前成都地質學院）在四川省江油市馬角壩地區(qū)通過地質調研，選定馬角壩為地質填圖教學實習基地，該基地于2013年納入國家級地質學實踐教學示范中心。馬角壩實習教學內容包括野外地質踏勘、實測地質剖面、地質填圖及成果編制等，并在傳統(tǒng)工作方法上輔以無人機、Real-timekinematic（實時動態(tài)測量）、DGSS（數字地質調查軟件）等現代設備，使野外地質工作向信息化、數字化邁進，同時也在探索新形勢下地學實習的新手段，在具體的環(huán)境中，訓練學生觀察、分析、解決問題的能力，引導學生建立地球科學的思維方式。

1.1實習任務

馬角壩實習任務是通過系統(tǒng)的野外訓練及室內整合工作，使學生學會識別、描述各種地質現象，掌握地質素描、信手剖面、實測剖面、地質填圖等野外工作方法和技能；將理論知識與野外實踐結合，以區(qū)域地質調查為主要內容，在鞏固學生理論知識、強化專業(yè)技能的基礎上，培養(yǎng)學生吃苦耐勞、團結合作的精神，養(yǎng)成實事求是、科學嚴謹的工作態(tài)度；從板塊構造運動及盆山耦合的大地構造理論入手，思考地質問題，培養(yǎng)學生對地質事業(yè)的熱愛，勇于探索地球奧秘。逐步掌握由點到面、點面結合、將今論古等地質思維邏輯，培養(yǎng)學生獨立思考、獨立解決地質問題的能力。

1.2實習效果

至今已有上萬名學生在馬角壩實習基地完成地學類教學實習。實踐證明，馬角壩實習基地對于地質相關專業(yè)野外技能訓練、理論與實踐結合、地學綜合素質提高等方面成效顯著。實習內容較好地銜接了課堂知識，能夠使學生順利從課堂理論過渡到野外實踐。實習成果與接下來的生產實習及畢業(yè)實習相連，對于學生后續(xù)畢業(yè)論文（設計）工作必不可少，也是地質單位生產過程中不可或缺的技能。經過馬角壩實習后，學生能夠很好地適應從學校學生到工作單位員工身份的轉變，將所學技能應用于生產實際中，此外，每年都有部分地質生產單位的員工來此參加地質技能培訓。

1.3實習不足

馬角壩實習技能在傳統(tǒng)地質行業(yè)的應用成效顯著，但隨著近年來地質行業(yè)的發(fā)展改革，工作技術手段也在更新換代。在遙感、測繪、信息科學等學科大力發(fā)展的背景下，多學科、多技術的結合應用，大大提高了地質工作的效率。相較而言，傳統(tǒng)技術方法在當前大環(huán)境中稍顯薄弱。例如，在地質制圖方面，MAPGIS是底層框架，但是在制圖便捷性上較為落后，如果結合MAPGIS與CAD數字化，產生的DGSS便成為應用先鋒；又如在實際應用中，傳統(tǒng)的手持式測繪儀器逐漸被測繪無人機取代。綜上我們可以得到的結論是，若實習教學不尋變，長此以往，學生將難以跟上社會發(fā)展，在求職過程中也會遭遇諸多困難?；诖耍R角壩實習教學改革對于學生的日后發(fā)展具有深遠意義。

2學科交叉促進實踐創(chuàng)新

交叉學科的出現一方面有利于解決當前馬角壩實習所面臨的問題，另一方面，也是對當前學科過度專業(yè)化的一種矯正，過于專業(yè)化的學科在某種程度上限制了自身的發(fā)展。利用學科交叉的協同創(chuàng)新屬性對人才培養(yǎng)進行創(chuàng)新實踐，是其最根本的任務之一[1]。

馬角壩實習是資源勘查工程、遙感科學與技術、地理信息科學與技術等專業(yè)學生的實踐課程，在該課程中學生將系統(tǒng)學習地層、巖石、構造等地質現象的描述方法，分析區(qū)域地質演化，繪制基礎地質調查圖件。學生在實習過程中可以將遙感、地信、資勘專業(yè)有機結合，在地質調查，如地質構造及地質災害的觀測方面，運用無人機或遙感影像在宏觀圖像上觀察并捕獲有效信息，利用計算機圖像識別技術輔佐辨別褶皺、斷層等地質構造及滑坡、崩塌等地質災害；在資源勘查方面，可利用遙感技術與地磁場理論技術，在勘查區(qū)范圍內將磁場異常區(qū)域快速圈定，結合地質實習生的現場踏勘并運用專業(yè)理論知識判別認定其是否為目標勘查資源；在室內制圖方面，將遙感影像的目視解譯與野外觀察的典型特征結合，在數據整理時融合地信在制圖方面的技術，提高學生制圖的效率和質量。在室內教學活動中，虛擬現實技術可為教學活動提供便利，該技術可模擬現實場景以三維立體的形式在計算機中呈現出來，對于一些無法在地表觀測的地質現象，利用虛擬現實技術創(chuàng)建相應的生動立體的地質體或地質構造模型，可以使學生更快速地吸收和加深理解其中內涵。

學科交叉結合不僅有利于學生深刻認識地質現象，且更能夠刻畫由點及面并由面反映點的動態(tài)認識過程，實習生學習的知識技能與匯交的成果也能更加豐富、成熟和完善。從學生角度來講，學科的交叉應用將使得他們接觸本專業(yè)以外的知識內容和學習到對本專業(yè)有利的相關技能，在拓寬視野的同時也能在很大程度上激發(fā)他們探索的熱情以及提升他們的創(chuàng)新能力。從教學層面來講，隨著學科交叉的不斷深入和發(fā)展趨于成熟，有望在馬角壩教學實踐過程中發(fā)展出一種新型高效的教學模式。

3融入新型科技方法謀可持續(xù)發(fā)展

隨著計算機技術的發(fā)展與大數據的興起，越來越多的行業(yè)領域已經開始嘗試或正在與新型科技手段融合，以圖可持續(xù)、更高效地發(fā)展。在地質行業(yè)領域，諸多方面也已實現與計算機技術相結合，并取得了實際成效。近年來，“空天地”一體化與數據可視化等新興先進概念的提出，已有學者運用于地質及相關行業(yè)，如，黑河流域自然資源要素綜合觀測網絡構建與神東礦區(qū)巖層采動損傷監(jiān)測便是基于“空天地”一體化技術，在“空天地”一體化概念指導下兩者皆取得了良好成效。數據可視化概念的提出及其相關技術的發(fā)展，為我們在大數據環(huán)境下處理繁雜的數據提供了一種高效便捷的技術方法。數據可視化技術概念不失為我們在處理數字信息時的一個新思路。

3.1“空天地”一體化

“空天地”一體化是基于物聯網、大數據等先進技術、監(jiān)測設備和通信技術進行集成，利用新技術、新方法，包括LiDAR（激光探測與測量）、InSAR（合成孔徑雷達干涉）、無人機等，構建“空―天―地”一體化的監(jiān)測體系?！翱仗斓亍币惑w化網絡的本質是將原本獨立的地面網絡、空基網絡和天基網絡進行有機融合，充分利用不同網絡在不同空間維度上的優(yōu)勢，建立可靠、靈活、高效的融合網絡架構，實現一體化監(jiān)測[2]。

“空天地”一體化技術現已運用于多領域中，且成效卓著。該技術在觀測方面的優(yōu)勢主要體現為觀測精度、觀測效率相較于傳統(tǒng)觀測方法有顯著提升，且在人力投入上也有所降低；在地質調查與資源勘查方面，“空天地”一體化監(jiān)測多源數據融合方法可以滿足淺埋、復雜地形及植被影像礦區(qū)的地表移動觀測需求，為地質構造要素、礦產資源的分布提供實時準確的定位。在馬角壩實習過程中可融入“空天地”一體化技術進行教學實踐，用于教學中觀測馬角壩石灰石礦區(qū)地質災害、開采影響規(guī)律等，馬角壩實習在教學實踐中融入遙感技術，向打造一套基于“空天地”一體化遙感影像技術的方向努力。

3.2數據集成分析及可視化

數據集成分析是指將多個數據源合并存放在一個數據存儲中，從而方便后續(xù)數據的挖掘分析。數據可視化是指利用圖形、圖像處理，計算機視覺及用戶界面，通過表達、建模、立體、表面、屬性以及動畫的顯示，對數據進行可視化解釋。數據集成分析與可視化兩者具有承接關系，大數據需要集成分析，以提高數據分析的全面性、科學性及分析效率，可視化可用于數據分析結果的直觀、生動展示。視覺是人類最重要的信息獲取通道，人類的大腦有一半以上的功能用于視覺感知[3]，相對傳統(tǒng)數據而言，圖形內容更容易被大腦認知，通過數據可視化將原始數據轉化為圖形后，在減輕認知疲勞的同時，更加快對數據的理解吸收[4]。

在馬角壩實習中，以資源勘查工程專業(yè)的學生為例，其主要運用的軟件有DGSS、Mapgis和Surfer等，采用野外記錄本記錄、野外掌機定點及記錄、室內電腦成圖的方式進行數據搜集、整理及匯總。在學科交叉及“空天地”一體化技術發(fā)展趨于成熟的前提下，將多專業(yè)學科的優(yōu)勢結合，對野外觀測的數據及室內資料進行數據可視化，包括圖像處理、遙感影像解譯、3D建模等多種計算機技術方法對地質數據加以可視化解釋，進而能匯交更直觀、更生動的成果。該項改革能為實踐教學注入新活力并使其煥發(fā)生機，能夠在實踐育人、創(chuàng)新教育、動手能力等多個維度上發(fā)揮積極功能。

4結語

成都理工大學馬角壩實習通過實踐教學改革初步形成了學科交叉融合的大環(huán)境學科群。為進一步加強教學實踐環(huán)節(jié)的建設，滿足現代化地質行業(yè)的需求，馬角壩實習需要繼續(xù)深化改革，增強學生自主動手能力和獨立解決問題的能力，逐步實現由理論性向綜合性、創(chuàng)新性的轉變，在此同時以學科交叉為改革方向，融入“空天地”一體化、數據集成及可視化兩大改革重點，逐步形成新的教學體系，使地學人才培養(yǎng)模式向高科技與高質量方向發(fā)展，培養(yǎng)更多高素養(yǎng)、復合型的地學人才。

參考文獻

[1]賀培鳳，于琦，何小峰，等.從知識生產到認知建構：學科交叉人才培養(yǎng)一體化理論探討[J].基礎醫(yī)學教育，2022，24（10）：806-810.

[2]張曉凱，郭道省，張邦寧.空天地一體化網絡研究現狀與新技術的應用展望[J].天地一體化信息網絡，2021，2（4）：19-26.

[3]Matthew Ward，Georges G.Grinstein，Daniel Keim. Interactive data visualization： Foundations， techniques， and applications[M]. Natick： A K Peters， 2010.

[4]王一凡.教育數據可視化：發(fā)展歷史、研究熱點及典型應用[J].江南大學學報（人文社會科學版），2022，21（5）：76-88.