基于小型數字礦山的地學軟件開發課程實踐

摘 要：數字礦山是地學信息技術的重要研究方向和應用領域。該文以中國地質大學（武漢）空間信息與數字技術專業應用開發實習課程為例，介紹一個以小型數字礦山系統的設計與開發為主題的實踐教學完整案例，以及相關的思考，可以為其他高校地學與信息相結合的交叉專業的教學提供一定的參考。

關鍵詞：數字礦山系統；空間信息與數字技術；地質信息系統；教學實踐；項目教學法

中圖分類號：G642 文獻標志碼：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

中國地質大學（武漢）空間信息與數字技術本科專業以地學和計算機科學的交叉融合為主要特色[1-2]。應用開發實習為該專業學生大三階段一門重要的綜合性專業實踐課程[2-3]，其目的是讓學生在學完大類平臺課、專業基礎課和專業主干課等課程后（進入畢業設計前），對所學知識有一次綜合應用和充分實踐的機會，對于深化學生理解、掌握及獨立開發空間信息系統的能力具有重要價值。

數字礦山[4-5]是地學信息技術的重要研究方向和應用領域。它是存儲于網絡上的、能供多用戶訪問和應用的一種虛擬礦山，是真實礦山整體及其勘探生產和經營過程的全面數字化、信息化和可視化。同時，數字礦山系統的開發也需要用到多門專業課程的知識，例如面向對象程序設計、數據結構、算法設計、綜合勘查學、地學數據分析與挖掘、三維可視化與過程模擬、地質信息系統工程等。

因此，將數字礦山選定為應用開發實習的主題，不僅能夠精準對接行業需求，還能全面檢驗并提升學生的綜合能力，為學生將來在地學信息技術領域的職業發展奠定堅實基礎。

一  教學理念與目標

應用開發實習課程秉承“以學生為核心，激發主觀能動性”的教育理念，結合跨學科專業交叉融合、教學與科研實踐融合、創新創業與專業教育融合的“三融合”人才培養模式[6]，致力于實現以下教學目標：①理解地礦勘查信息化，掌握在小型數字礦山系統中集成地質數據采集、管理、圖件生成、三維建模及地質分析等功能，估算礦山儲量。②確保系統安全與穩定，保障開發的地質信息系統具備高容錯性、穩定性和數據安全性。③精通項目管理與開發，熟悉軟件開發流程，能獨立或團隊協作完成地質信息系統開發。④跨學科綜合決策，融合多學科知識，為礦山企業設計個性化數字礦山解決方案，實現高效管理。⑤三維地質建模與分析，利用三維建模、空間分析及模擬技術，精準揭示礦山地質特征。⑥高效溝通與匯報，掌握項目需求分析與成果匯報技巧，編制高質量設計文檔，并有效與甲方溝通。

二 教學方法與內容

本課程圍繞數字礦山系統開發，采用“模擬項目”教學法，以學生為主體，自發組建項目組，指導老師扮演“甲方”及“質量管理經理”角色，通過虛擬項目研發，綜合提升學生專業技能、團隊協作及科研能力。

實習要求與項目組織：①明確實習形式、任務、考核標準及流程。②學習軟件生命周期管理、項目管理技巧、團隊協作與溝通方法。③選舉項目經理，組建高效研發團隊，制定項目合同。

教學方法與手段：①理論講授與案例分析相結合，通過理論講授奠定知識基礎，結合案例分析加深理解。②小組討論與合作學習，促進學生之間的交流與合作，共同解決問題。③實踐操作與項目驅動，通過實際項目操作，提升學生的動手能力和問題解決能力。④反思總結與持續改進，鼓勵學生反思學習過程，總結經驗教訓，不斷優化學習方法。

教學內容主要包括：①三維地學信息系統平臺QuantyView的二次開發培訓；②需求分析及評審；③概要設計及評審；④詳細設計及評審；⑤系統實現及測試；⑥文檔編寫；⑦系統部署與維護；⑧項目驗收。

通過這一系列教學環節，學生不僅能夠掌握地質信息系統開發的全流程技能，還能在項目管理、團隊協作、科研方法等方面得到全面提升。

三 教學案例

（一） 教學目標設定

本教學案例將通過“小型數字礦山系統研發”項目，全方位提升學生的軟件開發技能與地質信息學領域的知識綜合應用能力。強調理論知識與實踐操作的緊密結合，促進學生將課堂所學轉化為解決實際問題的能力。通過本課程的學習，學生將不僅能夠熟練掌握從需求分析、系統設計到文檔編寫的軟件開發全流程，還能深入理解地質數據的特點、三維建模技術的前沿應用、數據分析方法的選擇與實現，以及移動應用開發在地質勘探中的獨特價值。同時，通過項目驅動的教學方式，激發學生對專業知識的興趣，學生將學會如何在復雜工程問題中進行協調資源與溝通合作，培養其解決實際問題的能力和團隊協作精神（圖1）。

圖1 不同階段的教學任務和目標

（二） 教學內容組織

1 案例引入與背景分析

基礎理論講解：在介紹數字礦山概念之前，帶領學生回顧地質學概論、地質信息系統的方法原理及軟件開發基礎等相關知識，構建完整的基礎知識框架。結合國內外數字礦山成功案例，讓學生直觀感受數字礦山技術的先進性與實用性。同時，探討數字礦山對現代礦業轉型升級的重要意義，增強學生的職業認同感和學習動力。

案例背景分析：利用多媒體手段生動展示“小型數字礦山系統”項目的預期功能和效果，講解數字礦山技術在現代礦山開采和生產中的應用價值，如提高礦產資源利用效率、降低開采風險、優化礦山生產管理等，激發學生的探索欲和求知欲。

分組討論：將學生分為若干小組，討論數字礦山系統可能涉及的關鍵技術和功能需求，為后續需求分析做準備。

2 需求分析教學

理論講解：詳細講解軟件需求分析的基本方法，包括用戶調研、業務流程分析、功能點提煉等。

模擬調研：指導學生通過問卷調查、訪談等方式收集用戶需求，分組對“甲方”進行調研，繪制預期用戶業務流程圖（圖2）；模擬需求變更場景，教授學生如何有效處理需求變更情況，保持項目進度的穩定。

功能要點提煉：基于調研結果，引導學生提煉系統應具備的基本功能點（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化建模、距離冪次反比品位估值等），并討論其實現方法和思路。引導學生運用KANO模型、四象限法則等工具對需求進行分類和優先級排序，確保項目資源的高效利用。

技術方案選型：引導學生討論并確定系統采用的核心開發語言（C++）、地學信息系統平臺（QuantyView）、數據庫（Access和MongoDB）等，理解技術選型對系統性能的影響。

需求文檔編寫：指導學生分組編寫詳細的需求規格說明書，包括功能需求、非功能需求、約束條件等，為后續的系統設計開發工作提供依據。

（三） 系統設計教學

設計原則講解：介紹系統設計的基本原則，如模塊化、可擴展性、可維護性等。教授學生使用UML（統一建模語言）等設計工具進行系統設計，繪制類圖、時序圖等，提高設計文檔的規范性和可讀性。

模塊劃分：在理解、掌握系統基本設計原則的基礎上，引導學生基于礦山用戶的業務流程，將系統劃分為采集識別、三維建模、數據分析和數據管理四個模塊（圖3）。

采集識別模塊：講解Android平臺應用開發基礎，以及礦石巖性自動識別技術的原理與應用。

三維建模模塊：介紹三維建模技術，特別是礦山三維地表模型、鉆孔數據三維模型等的構建方法。

數據分析模塊：講解距離冪次反比儲量估算、數據智能分析與挖掘等高級數據分析技術。

數據管理模塊：強調大數據管理的重要性，介紹數據庫設計、數據安全與高效檢索等技術。

系統框架構建：引導學生理解各模塊間的相互關系與數據流，并繪制各模塊的主要功能及相互關系（圖4）。例如：野外數據采集模塊和數據管理模塊主要負責礦山數據的搜集與綜合管理，三維建模模塊和地學數據分析模塊分別負責關鍵數據模型的三維可視化和深度分析。

圖4 系統主要功能模板及相互關系

（四） 編碼與測試教學

編碼規范要求：在編碼開始前，向學生強調編碼規范的重要性，如命名規范、注釋規范、代碼風格等，確保代碼的可讀性和可維護性。

任務分配：根據學生興趣與專長，分配各模塊的開發任務。

編碼指導：提供必要的編碼指導與技術支持，鼓勵學生采用敏捷開發方法，迭代式推進課程項目。

系統集成與測試：介紹持續集成和自動化測試的概念、方法，以及實現代碼自動化構建和測試的常用工具，指導學生進行單元測試、集成測試和用戶驗收測試，提高開發效率和質量。

（五） 項目成果展示教學

文檔規范與要求：向學生講解項目文檔編寫的規范和要求，如文檔的結構、內容、格式等，確保文檔的完整性和規范性。

文檔編寫：要求學生編寫詳細的項目文檔，包括需求分析報告、設計文檔、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的專家參與，要求學生團隊以PPT、視頻和現場操作演示等形式展示項目成果，分享開發經驗與教訓，并接受教師和同學的提問和點評。

總結反思：鼓勵學生積極總結項目過程中的收獲與不足，提出改進建議，為未來的學習和工作積累經驗。

四 教學成果及分析

根據上述教學內容和教學目標，學生采用C++、Java及Python三種編程語言進行了系統實現。圖5展示的是系統在巖性識別與綜合數據管理、三維可視化建模、以及數據分析與挖掘方面的典型界面及成果。基本達到了預期效果。

（a） 巖性識別與綜合數據管理

（b） 三維可視化建模

（c） 數據分析與挖掘

圖5 系統實現結果

（一） 效果及評價

在課程教學階段，學生們展現出了較高的學習熱情。這促使了他們在項目執行階段能夠主動學習，更在潛移默化中顯著提升了他們的專業技能、團隊協作、組織策劃以及成果匯報能力，實現了多維度的提高和發展。

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

（二） 問題與改進

數字化轉型、大數據[7-8]和“第四范式”為地質學由定性科學向定量科學轉型提供了難得的機遇，也為與地質信息技術相關的課程建設和專業建設提出了新的挑戰。我們計劃進一步深度優化現有框架，定期收集學生反饋，調整教學計劃與內容，確保教學質量與效果的持續提升。同時，也將積極探索并融入大數據[8-9]、人工智能[9-10]等領域的新方法和新技術，保證教學內容的時效性和前沿性，提升教學效果和學生的學習體驗。

五 結束語

本文以中國地質大學（武漢）空間信息與數字技術專業的應用開發實習課程為實例，系統展示了以小型數字礦山系統設計與開發為主題的實踐教學案例。該課程實現了地學與計算機科學的深度融合，通過模擬項目教學法，讓學生在實踐中掌握地質信息系統開發的全流程技能，包括三維建模、數據分析、項目管理等。不僅加深了學生對地學信息技術的理解，還顯著提升了他們在軟件開發、項目管理、團隊協作及跨學科綜合決策等方面的能力。

未來，課程將融合大數據、物聯網、AI技術，逐步向智慧礦山轉型，確保教學內容的前沿性和時代性。

參考文獻：

[1] 吳沖龍，劉剛，田宜平，等.地礦勘查信息化與地礦信息科技學科建設[J].中國地質教育，2005（1）：32-35.

[2] 劉剛，吳沖龍，張夏林，等.地質信息技術復合型人才培養模式研究與教育實踐[J].中國地質大學學報（社會科學版），2018，8（6）：6-13.

[3] 張夏林，翁正平，李章林，等.空間信息與數字技術專業“應用開發實習”項目教學法研究[J].中國地質教育，2017，26（2）：56-59.

[4] 吳沖龍，田宜平，張夏林，等.數字礦山建設的理論與方法探討[J].地質科技情報，2011，30（2）：102-108.

[5] 張夏林，張曉軍，李章林，等.“GIS技術及其在礦產勘查中的應用”課程案例教學方法探討[J].中國地質教育，2011，20（3）：27-30.

[6] 侯俊東，牛燁熒，滕笑麗.三融合背景下行業特色高校工商管理專業教學質量標準體系構建[J].創新創業理論研究與實踐，2022，5（22）：93-95.

[7] 張夏林，吳沖龍，周琦，等.基于勘查大數據和數據集市的錳礦床三維地質建模[J].地質科技通報，2020，39（4）：12-20.

[8] 袁磊，楊昆，羅毅，等.大數據時代空間信息與數字技術專業建設探討[J].地理空間信息，2024，22（4）：125-127.

[9] 吳沖龍.大數據和地質信息學能促進地質學定量化進入新階段嗎？[J].地球科學，2022，47（10）：3913-3914.

[10] 周永章，陳爍，張旗，等.大數據與數學地球科學研究進展——大數據與數學地球科學專題代序[J].巖石學報，2018，34（2）：255-263.