勘查技術與工程《MATLAB語言及應用》教學方法探索

柴新濤 汪玲玲 彭榮華

摘要：MATLAB是一款廣泛應用于科學計算、數據分析及可視化的交互式編程軟件，《MATLAB語言及應用》是勘查技術與工程專業勘查地球物理方向一門重要的課程，MATLAB內容多、課時有限，如何在有限的時間內讓學生盡可能全面地掌握MATLAB并靈活應用于解決專業課程問題值得深入研究。筆者根據近年來在中國地質大學（武漢）任教MATLAB課程經歷，探索出一套適用于勘查技術與工程（勘查地球物理方向）的MATLAB教學方案，并探討了MATLAB授課與即時網絡通訊軟件相結合的優點。

關鍵詞：勘查技術與工程；勘查地球物理；MATLAB

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）23-0158-03

一、引言

MATLAB是MATrix和LABoratory前三個字母的組合，寓意為矩陣實驗室[1]。MATLAB是由MathWorks公司開發的面向科學計算、算法研發、數據分析可視化的交互式程序設計軟件，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平[2]，其官網為：https：//www.mathworks.com/。MATLAB以友善的使用環境、強大的符號處理、精確的數值計算、靈活的圖形顯示、高效的編程功能為越來越多的教師、學生和科研人員所喜愛。目前，MATLAB已成為國內外理工科大學生學習知識和進行科學研究的主要編程語言之一，眾多高等院校都為理工科學生開設了《MATLAB語言及應用》課程[3]。MATLAB語言內容多，特別是函數命令及其使用方式變化多樣，且應用面廣泛，參考學習資料眾多，但課程學時有限。如何在有限的時間內讓學生盡可能全面地掌握MATLAB并靈活應用于解決專業課程問題值得深入研究。筆者結合近年來在中國地質大學（武漢）任教《MATLAB語言及應用》課程的經歷以及自身的工作、研究經歷，進行了總結與實踐，探索出一套較為適用于勘查技術與工程專業（勘查地球物理方向）的MATLAB語言教學方案。

二、課程教學背景

勘查地球物理是一門應用物理的原理解決礦產油氣資源勘查問題的理論和方法的學科。勘查技術與工程專業（勘查地球物理方向）著重培養學生掌握重力、磁法、電法、地震等地球物理勘查的科學知識和方法技術。在公共基礎課和專業課學習過程中，平時作業、課程報告、畢業論文等多方面要用到MATLAB。中國地質大學（武漢）勘查技術與工程專業（勘查地球物理方向）《MATLAB語言及應用》課程共32學時，包括20學時理論課，12學時上機課。

三、教學方案設計

由于MATLAB語言內容多，32學時不可能全面涉及，在教學方案設計過程中，筆者考慮到學生的專業及培養目標，結合筆者在工作、學習和科研過程中對MATLAB的使用經歷以及學生的興趣點，將課程主要內容概括整理為以下幾個章節。

第一章，引入MATLAB。在本章首先向學生介紹什么是MATLAB，MATLAB相比于其他編程語言（比如C++）的優點。接著，向學生展示MATLAB在本專業的應用，比如演示地震勘探數據處理過程中的程序（像多次波壓制、噪聲壓制、數據插值等），列舉MATLAB在重力、磁法、電法勘探應用例子，讓學生了解MATLAB在本專業有著廣泛的應用。進而，向學生介紹國外公開的與本專業相關的MATLAB代碼包，比如阿爾伯塔大學Sacchi教授團隊所研發的SeismicLab，讓學生對MATLAB在本專業中的應用有整體認識。此外，向學生介紹MATLAB在當前熱門研究領域中的應用，比如人工智能、機器學習、深度學習，讓學生認識到學MATLAB有用，進而“學以致用，以用促學”。

第二章，MATLAB編程基礎，包括MATLAB的函數、參數、變量等的命名規則，MATLAB的幫助函數help、doc，部分通用命令，語言標點，數據類型，矩陣數組操作及分析函數，符號運算。著重向學生介紹在專業學習過程中用到的內容，注重及時演示，比如演示清除命令clear、清屏命令clc。

第三章，MATLAB編程核心，包括介紹.m文件編輯環境，文件操作指令（addpath、genpath加載路徑等），默認的特殊變量及關鍵字，控制流（if-else分支結構、switch-case分支結構、for和while循環等），腳本和函數，程序調試和優化，數據讀寫（load、save、fread、fwrite、讀寫txt、segy文件）。

第四章，MATLAB數據可視化，包括畫圖時輸入參數的介紹，二維和三維畫圖，考慮到學生會經常涉及到圖片保存用于寫作業、課程報告等，筆者介紹了便捷的高分辨率圖片保存命令。數據可視化是MATLAB較為重要的一個應用，筆者注重于結合學生的專業課內容，比如結合地震勘探的數據來介紹常用的畫圖命令plot、subplot、imagesc、colormap、slice等。此外，結合地震勘探波場的傳播過程，向學生介紹如何利用MATLAB制作動圖。

第五章，MATLAB的應用。著重于介紹MATLAB在地球物理勘查過程中的應用。由于時間有限，筆者僅向學生展示了部分容易理解的例子，比如MATLAB用于地震數據的插值、河流流量及河底工程布線長度測算、國土面積及國界線長度測算、山地土方及儲層厚度測算等。由于地球物理勘查過程中通常涉及計算量較大的數據處理，筆者向學生詳細介紹了如何利用MATLAB做并行計算。筆者基于地震數據噪聲壓制程序向學生詳細介紹了怎么做好MATLAB的程序設計、綜合利用前幾章所學知識寫出一套系統的MATLAB程序。

筆者根據自身講課經歷，20個理論課學時僅能介紹到前五章。筆者將MATLAB的圖形用戶界面（即如何利用MATLAB編寫圖形用戶界面軟件）、MATLAB編譯器（即如何編譯發布MATLAB編寫的圖形用戶界面軟件）、MATLAB的外部接口mex文件（即如何在MATLAB環境下調用C、C++程序）等章節內容作為課后拓展學習。MATLAB編程語言課涉及代碼較多，僅用多媒體和板書會有些枯燥，筆者采用板書、多媒體加現場演示程序的授課方式，以提高學生的注意力。在每章節及時布置作業，以便學生上機練習，課后作業內容與專業課緊密相關，著重讓學生在解決本專業相關問題的過程中掌握MATLAB。為了將理論課和上機課較好地結合，筆者認為要在理論課后及時給學生安排上機，避免上機課和理論課間隔較長。共12學時的上機課，可以盡量給學生安排6次上機、每次2學時，而不是安排3次上機、每次4學時。如若條件允許，在機房開展理論課，這樣教師每講完一部分內容，學生可及時練習驗證。關于課程考核評成績，日常考勤和平時作業占一定比例，同時將課程報告和閉卷考試相結合，有些不宜閉卷考試的內容放到課程報告里，比如編寫復雜的Matlab程序、讀寫數據、畫圖、結果查驗等；有些內容可以采用閉卷考試，比如一些必須掌握的函數命令、語法格式、矩陣數組操作、if-else分支結構、for循環、while循環等。在平時作業和課程報告布置的過程中，要做到每位學生難度相同但內容有差異，比如布置的課后作業、課程報告與學生的序號有關。

四、國外專業相關MATLAB公開資源介紹

古人云“授之以魚不如授之以漁”。介紹完課堂基本內容，可以給學生介紹一些較好的相關學習資源，進行深入拓展學習。這里列舉了一部分勘查技術與工程專業（勘查地球物理方向）相關的MATLAB公開資源。

1.阿爾伯塔大學Sacchi教授團隊所公開的SeismicLab軟件MATLAB代碼包，其官網為http：//seismic-lab.physics.ualberta.ca/index.html。SeismicLab包含了頻率域帶通濾波、子波估計、頻率空間域噪聲壓制、頻率空間域地震數據插值、Radon變換壓制多次波、速度分析等地震勘探數據處理過程中涉及的方法技術。

2.卡爾加里大學地球科學系CREWES學術研究組所公開的CREWES包，其官方網址為https：//www.crewes.org/ResearchLinks/FreeSoftware/。CREWES包含了許多可視化工具、有限差分地震正演模擬、Gabor反褶積、快速廣義傅里葉變換地震數據插值、反演、地震偏移工具箱、疊前各向異性逆時偏移、射線追蹤、反射率法正演模擬、segy數據讀寫、地震數據處理工具箱、VSP數據處理工具箱、井震匹配等較為齊全的地震數據處理解釋程序。同時，在該網址可下載Margrave教授所撰寫的書籍《Numerical Methods of Exploration Seismology with algorithms in MATLAB》，介紹了勘探地震學方法的Matlab編程實現，學生在學習Matlab編程的同時學習了專業英語。

3.IP4DI是科羅拉多礦業學院地球物理系A.Revil教授領導的研究團隊所開發的時移電阻率數據處理與反演MATLAB軟件包（https：//github.com/mariosgeo/ipi4d）。IP4DI軟件采用標準最優化算法及主動時間約束算法，能夠用于二維、三維及四維直流電阻率法、時域激發極化和頻率域發極化法的正反演研究，并適用于地面、井地及井間等觀測類型。

4.Computers & Geosciences期刊，該期刊的一個特點是：在該期刊發表的論文，多會在該期刊的官網公開論文對應的程序。該期刊官網為：https：//www.journals.elsevier.com/computers-and-geosciences/。該期刊是勘查地球物理領域較高級別期刊之一，會有最新的、較為前沿的方法技術在此發表。這樣學生在學習Matlab編程的同時，也掌握了本專業較為前沿的新方法新技術，加深了對專業的認知。

5.SegyMAT，一個較為系統全面的segy格式地震數據讀寫源代碼包，其官網為.http：//segymat.sourceforge.net/。值得注意的是，我們在向學生介紹公開的學習資源時，我們應該警醒學生在學習利用他人程序的同時，要注重對他人知識產權成果的尊重與致謝。

五、MATLAB課程與即時網絡通訊軟件

隨著有線網絡、無線網絡、手機網絡以及智能手機的推廣普及，以騰訊QQ、微信為代表的即時網絡通訊軟件具有滿足大學生移動式學習、互動式參與等重要功能，將Matlab課程與即時網絡通訊軟件相結合，筆者認為有以下幾個優點：①通過即時網絡通訊軟件，教師和學生可以實時交流討論、答疑解惑，不受時間空間的限制，解決了“學生找不到老師”、“老師找不到學生”的問題。②《MATLAB語言及應用》課程涉及很多代碼程序、數據處理及可視化，通過即時網絡通訊軟件，教師可以將課件、電子教學資源、代碼和數據及時共享給學生。③通過即時網絡通訊軟件的群功能，一位學生存有困惑，教師解答時會被所有學生看到，提高了答疑效率。即時網絡通訊軟件的語音留言功能方便了教師和學生之間的交流。

六、結語

《MATLAB語言及應用》是勘查技術與工程專業勘查地球物理方向一門重要的課程，筆者針對培養目標、教學要求，將MATLAB課程、學生專業、筆者自身科研經歷相結合，踐行“學以致用，以用促學”的教學模式，探索出一套適用于勘查技術與工程專業（勘查地球物理方向）的《MATLAB語言及應用》教學方案，介紹了一些與學生專業密切相關的國際化MATLAB學習資源，探討了將Matlab課程與即時網絡通訊軟件相結合的優點，有益于提升《MATLAB語言及應用》教學質量。

參考文獻：

[1]馬昕.“MATLAB語言及其工程應用”課程的雙語教學[J].實驗室研究與探索，2005，（s1）：205-206.

[2]汪勇.淺談Matlab在地震勘探教學中的應用[J].中國地質教育，2012，21（4）：108-110.

[3]徐國保.《Matlab語言及應用》課程教學改革探索與實踐[J].中國教育信息化·基礎教育，2016，（12）：13-15.