智能地球探測專業課程體系與培養模式探索

摘 要：智能地球探測專業強調地球物理、地質、工程與人工智能的結合，旨在培養具備數理科學、地球探測技術和人工智能交叉領域專業知識的人才。課程體系設計秉承“寬基礎、強能力”的理念，包括通識教育、專業教育和拓展教育三個模塊。教學方法上，注重理論與實踐結合，運用現代教學工具創新教學方法，強化實踐環節，注重交叉學科領域的學習與實踐。同時，智能地球探測專業也面臨技術進步和行業需求變化的挑戰，需要不斷更新培養方案和課程內容，以平衡“寬度”和“深度”的培養要求，使學生緊跟時代步伐，滿足社會需求。

關鍵詞：智能地球探測;培養方案;課程體系;交叉學科

隨著信息科學和智能科學領域技術的迅速發展，高等教育形態正在重構，與之緊密相關的地球物理專業正朝著信息化、智能化和自動化方向快速邁進，逐步從常規探測向智能探測與監測方向轉變。快速、超高密度的探測和長周期監測數據必將推動地球探測向高效采集和智能實時處理的方向發展，同時也促進探測技術向精細監測技術轉變，為未來的智慧城市建設和生態環境監測提供技術支撐。這一趨勢帶來了對新型人才的需求，推動地球物理專業向智能化轉型，以智能化支撐探測、監測需求的智能地球探測專業應運而生。

一、智能地球探測專業符合社會發展需求

2017年7月，國務院正式印發并實施了《新一代人工智能發展規劃》，該規劃立足于我國戰略發展需求，對2030年我國人工智能的發展進行了規劃和部署;2018年教育部發布了《高等學校人工智能創新行動計劃》，指出以完善人工智能領域人才培養體系為重點任務，引導高校進一步提升人工智能領域科技創新、人才培養和服務國家需求的能力。

人工智能與傳統專業結合領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、工程等探測領域現代化發展的必然趨勢。地球探測正逐步從傳統的人工數據采集、處理和解釋模式，轉向以地球物理大數據為分析對象、以智能信息理論為基礎、以能源和礦產工程環境問題為核心的新型智能地球探測和監測模式。未來，資源勘探開發及環境監測新技術、大數據和人工智能等將廣泛應用于地球探測數據的采集、處理與地質解釋中，從而推動傳統地質勘查及環境監測的迅速發展。行業發展對“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境監測從業人員需求將大幅增長。

目前，地球探測現有的從業人員主要集中在能源勘查、地質礦產勘查、水利和工程勘探等領域，但與生態文明建設密切相關的地質災害與環境監測領域相對較少。雖然我國有超400所高校設置了人工智能專業，但人才結構單一，缺乏具體的工程知識，導致無法滿足工程實際需求。巨大的從業人員空位，為智能地球探測專業人才培養帶來了空前的機遇。行業發展與從業人員匱乏的矛盾突出，因此，培養智能地球探測領域的創新型工程技術人才，不僅能夠促進能源地礦勘查、工程和地質環境監測產業優化升級，還能更好地服務全國行業需求。

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

華北水利水電大學智能地球探測專業建設依托水利、地質資源與地質工程等傳統優勢學科，以及人工智能、數據科學與大數據技術等新興學科。它強調地球物理、地質、工程、人工智能相結合，以水利工程地質為核心，將地球物理探測與人工智能、水利、土木工程、生態環境等進行交叉融合，重點解決水利工程建設與災害防治中的智能探測、監測問題，堅持協同共享、交叉融合、開放創新的新工科人才培養模式，實現學科交叉和專業拓展，提升學生創新能力，帶動人才培養質量的持續提升。

該專業以促進學生全面發展為宗旨，面向未來國家建設需要，使學生養成科學的人生觀和價值觀，提升學生的科學與人文素養，增強學生的智能地球探測能力，培養具備數理科學、地球探測技術和人工智能交叉領域專業知識的人才。同時，引導學生系統掌握智能地球探測應用能力，具備基本的創新精神和創新能力，能夠適應工程基礎勘查、城市地下空間探測、地質災害監測、環境監測、資源勘查與開發、人工智能、大數據分析、智能地球探測等領域的科研及生產發展需要。

二、課程體系與學分分配

智能地球探測專業培養方案在人才培養目標的引領下，充分彰顯了學校水利特色。該方案經過多輪次校內外專家論證，秉承“寬基礎、強能力”的設計理念，為學生終身學習和拓寬就業渠道奠定了堅實基礎。

該專業課程體系設計遵循工程教育專業認證通用標準：與本專業畢業要求相適應的數學與自然科學類課程占比不低于總學分的15%;符合本專業畢業要求的工程基礎類課程、專業基礎類課程與專業類課程占比至少為30%，工程實踐占比至少為20%;人文社會科學類通識教育課程占比至少為15%。

培養方案包括通識教育、專業教育和拓展教育三個模塊，共計171學分。

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

專業教育模塊是課程體系的核心，包括8門工程基礎課（16學分，占比9.36%）、7門專業基礎課（16學分，占比9.36%）、8門專業核心課（20學分，占比11.70%）、16門專業選修課（選修8學分，占比4.68%）和18門實踐類課（35學分，占比20.47%）。

專業基礎課主要有學科導論、普通地質學、構造地質學、人工智能與數據挖掘、機器學習及模式識別、場論、彈性波動力學。專業核心課包括工程地質學基礎、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、智能探測與監測技術、3S技術及應用、地學大數據分析技術。

拓展教育包括社會實踐、勞動教育、軍事技能和創新創業，其中前三項各1學分，每項占比0.58%，創新創業3學分，占比1.75%。

從課程類別來看，數學與自然科學類課程31學分，占比18.13%，開設有復變函數、數學物理方程、計算方法等工程數學課程，體現了本專業對學生基礎科學知識的要求;工程基礎類20學分，占比11.70%，專業基礎類16學分，占比9.36%，專業類20學分，占比11.70%，三類合計56學分;工程實踐（含畢業設計和論文）35學分，占比20.47%;人文社科類36學分，占比21.05%。

實踐類課程自第2學期至第8學期開設，集中在第5、6學期，遵循從易到難、由單一到綜合的遞進式學習過程。實踐類課程是對學生應用能力的綜合提升，包含普通地質學、構造地質學實習，這是地質類專業的基礎實習，涉及人工智能與數據挖掘、機器學習及模式識別、數字信號處理等課程的設計環節，地震勘探、電法勘探、重磁勘探等課程設計，還包含智能探測與監測課程設計、地學大數據分析技術課程設計、智能地球探測綜合實習等。

課程設計環節是對理論課程的有益補充，學生通過理論課程結束后一周的實踐訓練，運用和鞏固理論知識，加深對課程的認知，增強獲得感、成就感。普通地質學、構造地質學野外實習則提升學生的野外實踐能力，綜合實習是對野外數據采集、數據處理和解釋的綜合能力訓練。

此外，專業類課程和人文社科類課程分別設置了8學分和10學分的選修課程，占比10.53%。專業選修圍繞科研能力訓練、工程知識和專業能力提升等方面設置了16門課程。這些都為學生的多元化發展提供了有力支撐。

三、教學方法與模式

智能地球探測專業作為一門多學科交叉專業，與地球物理和人工智能技術的發展緊密相連，對學生數理基礎和編程能力要求較高，課程難度較大。同時，該專業具有鮮明的實踐特征，室內和室外實踐環節均不可或缺，這對教學提出了較高要求。在教學方法和模式上，運用多種方式提升學生的學習效果，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方法，在實踐環節運用項目制、競賽制等創新形式，注重與課程理論聯動融合，增強學生的成就感，形成正向反饋，激發學生主動學習的熱情和探索知識的興趣。

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

本專業是應用型學科，豐富的實踐經驗能夠極大提升學生的應用能力，提升學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生的成就感，從而激發其學習興趣。在教學過程中可以采用多元化的教學方法，例如，結合實際案例教學，分析如何在實際中應用所學知識解決問題;在部分課程或教學環節中，設置綜合項目，鼓勵學生組建團隊，每個團隊需完成從數據收集、處理到結果分析的全過程操作，以此鍛煉學生的自主學習能力、團隊協作能力和問題解決能力。

（二）運用現代教學工具，創新教學方法。在線平臺、軟件模擬、虛擬仿真、人工智能等教學工具的運用，使學生能以直觀、感性的方式學習復雜的理論知識，強化實踐環節，從而增強學生的學習體驗和實操能力，拓展他們獲取知識的途徑，激發學生互動的積極性，提升教學效果。學院建設了虛擬仿真教室，并開發了地質學基礎課程的虛擬仿真教學內容，后續將計劃在三維建模、處理解釋等課程環節開發虛擬仿真實驗，使學生對復雜模型有更直觀的認識。在課程實踐與課程設計環節，指導學生運用各類專業軟件，提升他們的學習興趣和學習效果，增強其實踐能力。

（三）注重交叉學科領域的學習與實踐。智能地球探測專業在各行業中有著廣泛的應用場景，從傳統的礦產勘探到大型工程的安全運行監測，從地下環境評價到海洋工程勘查，都有本專業的應用場景。在課堂教學中，引入實際案例的介紹和分析，能激發學生的學習興趣。同時，鼓勵學生參與計算機科學、環境科學和工程學等相關學科的交叉課程，加深對相關領域技術的理解和應用，有助于拓展學生思維。

（四）實踐環節的強化學習。學院采取多種措施，增加學生參加現場調查、項目實踐和企業實習的機會。一方面，通過實踐環節或實踐課程為學生提供更多實際操作的學習機會;另一方面，引導學生積極參與學科競賽、創新實驗項目和教師的科研項目。此外，學院還應積極拓展校企合作，通過項目合作、學生實習等形式，讓學生有機會在實際項目中運用所學知識，從而加深對專業的理解，提升科研和實踐能力。

（五）學習成效評估與改進。學習效果評估對學生培養至關重要，它不僅為學生提供了調整和努力的方向，也是學校及時調整教學方式和培養方案的重要依據。學校通過期末考試、實踐環節、課程項目、競賽活動等多種方式，對學生進行學習成績和能力的多維度評估，以了解短期的教學效果;通過在校生、畢業生和用人單位的調查反饋，評估對學生長期發展的影響，作為其培養成效的重要參照。

（六）注重課程內容的更新。智能地球探測專業作為交叉專業，目前正處于技術迅速發展的階段。學院鼓勵教師積極參加教學、學術會議，交流培養經驗，了解行業前沿和發展方向。同時，注重收集高校和行業專家的建議，對培養方案和課程內容、實踐環節的教學進行修訂。

四、專業展望與挑戰

智能地球探測是一個高度結合地球科學與智能信息技術的專業，擁有廣闊的應用前景，同時也面臨諸多挑戰，技術進步和行業需求的變化對本專業的發展有著顯著影響，并對人才培養提出了更高要求。

從技術進步的角度來看，專業培養方案需要注重新技術的引入，拓寬課程內容，同時也需要注重核心課程的深度，為學生的持續發展奠定基礎。大數據、云計算和人工智能正處于技術快速發展階段，在地球物理領域的應用仍有較大的提升空間，與探測相關的遙感技術、物聯網技術在行業內已得到廣泛應用，將會在探測方案優化和數據處理兩個主要領域持續取得顯著進展，這使得探測或監測采集的數據維度更多、精度更高、數據量更大，從而提升了對數據處理分析的迫切需求。這對課程設置提出了較高要求，既要體現交叉領域的寬口徑培養，又要確保部分專業課程具有厚基礎的深度培養。在學分壓縮的背景下，如何平衡“寬度”和“深度”，是對人才培養模式的雙重挑戰。

從行業需求變化來看，專業培養目標需要根據社會需求不斷調整。隨著全球對環境保護和可持續資源利用的日益關注，本專業在工程、環境與人類可持續發展領域發揮的作用將日益凸顯。專業教學需要加強這方面的課程建設，如地質災害防控、環境與工程監測等。在傳統能源探測需求保持平穩的同時，非傳統能源及新能源的探測是未來能源行業的重要方向，培養方案和課程內容需關注相關技術和前沿問題，并根據反饋不斷進行更新，使學生能夠緊跟時代步伐，滿足社會需求。

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