計算機程序在勘查技術與工程專業教學中的應用探索

摘要：本文結合目前的計算機技術以及勘查技術與工程專業的特點，將自主開發的計算機程序引入課堂，供老師現場演示和學生課后學習。這種教學方法將某些很難講授和實踐的計算理論變得簡單明了，并給學生提供了良好的練習、思考和交流的平臺，不僅豐富了教學內容，而且提高了學生的學習興趣。通過實際的教學實踐，獲得了較好的教學效果。

關鍵詞：計算機程序；勘查技術與工程；教學方法

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）35-0055-03

中國地質大學（武漢）勘查技術與工程專業是由原鉆探工程專業發展和更名而成，該專業的核心內容是巖心鉆探工藝學。該校在該專業內明確出兩個相互關聯，但是又有一定差異性的方向進行辦學，即鉆探與鉆井方向（涵蓋固體礦產勘探、石油天然氣勘探、新能源勘探、水文水井鉆探、科學鉆探等）和巖土鉆掘方向（涵蓋工程勘察、基礎工程、地基處理、邊坡工程等）。該專業呈現出一種很強的跨學科的特點，涉及到的理論和計算比較復雜，很多計算都需要借助計算機來完成，手工實現難度很大，如果沒有相應的計算機程序，那么只能對復雜的公式以及書本上的結果進行走馬觀花式的了解，無法對其產生深刻的印象和透徹的理解。隨著教學方式和手段的不斷發展，實踐教學、錄像教學、計算機多媒體輔助教學等越來越多地被用到各專業課的教學中，并取得了非常好的教學效果。目前課堂教學主要使用PowerPoint制作幻燈片將書本上的內容轉化為文字、圖形、動畫等表現形式進行教學，該方法雖然極大地豐富了教學內容，提高了學生的學習興趣，但是由于幻燈片內容相對固定，主要還是以老師展示和講解、學生觀看為主，學生自己思考并解決問題的能力不易得到提高。本文將結合目前的計算機技術以及勘查技術與工程專業的特點引進一種新的教學手段，并通過實際的教學實踐，獲得了學生的好評。

一、計算機程序與計算機輔助教學（CAI）

現代計算機技術飛速發展，計算機可視化編程、計算機圖形學、計算機動畫等技術已經越來越廣泛地利用到各行各業的工作與教學中。前面已經提到，常規的多媒體已經不能滿足某些復雜計算理論的教學，因此引入計算機程序進行計算機輔助教學（CAI）[1]是一種新的嘗試。雖然一些該專業領域的商業軟件已經被工程實踐所使用，但是購買商業軟件進行教學的成本太高，不易實現。本文作者在多年的教學實踐中，通過對計算機程序設計的學習，結合本專業部分課程中比較復雜的計算理論，編寫了多個小型的計算機程序在課堂上使用，并且給學生免費練習，產生了較好的效果。本文將選取其中的部分程序進行說明。

二、計算機程序在《基礎工程設計》相關課程中的應用探索

《基礎工程設計》是勘查技術與工程專業巖土鉆掘方向的一門很重要的課程[2]，與它相關的課程有《工程勘察技術方法》、《土力學》、《基礎工程施工》等。本文作者針對這些課程的特點編寫了一系列的小程序，內容包括：鉆孔剖面圖繪制程序、基礎沉降計算程序、基坑支護設計程序、邊坡穩定性分析程序、地基處理設計程序、工程概預算程序等。本文作者在《土力學》課程[3]中使用鉆孔剖面圖繪制程序和基礎沉降計算程序進行教學，學生可以使用這些程序實現如下的模擬工作：

1.錄入模擬鉆孔數據、地層數據等，生成鉆孔平面布置圖、單個鉆孔的柱狀圖、任意多個鉆孔之間的剖面圖等。圖1所示為某學生進行的模擬鉆孔剖面圖設計結果，在設計時學生可以個性化地定制自己喜好的內容，因此每個學生的設計結果都不一樣。

2.設計某建筑物的基礎形式，根據模擬的地層參數進行基礎沉降的計算。程序還能夠輸出結果表格，同其他固定的結果表現形式不一樣，學生將鼠標移至曲線上的任意一點時，即可實時顯示該點的計算結果，這樣既增強了結果的豐富性，又提高了學生的趣味性。另外，該程序的一個很重要的功能是可以對學生自己手工計算的結果進行校對。這樣可以避免所有的學生做相同的作業，而發生互相抄襲的現象。

3.設計兩個相鄰的基礎，計算它們的差異沉降量，調整基礎的設計參數，將它們的差異沉降量降至最小，獲得最優的基礎設計參數。圖2所示為初始設計的基礎尺寸，結果顯示兩個基礎的差異沉降量曲線離得比較遠，表明差異沉降量比較大，經過學生自己對設計尺寸進行反復調整，可以得到合適的差異沉降量曲線。

在整個設計過程中，由于可以反復地進行操作，學生對這一個知識點的印象就會不斷地加深。同時，反復設計的過程也是一個摸索的過程，在這個過程中，學生會不斷思考這個操作背后的理論和原理，也會思考自己的操作是否是合適的和最優的。另外，學生之間還可以進行討論。總之，程序的使用可以給學生很多思考和交流的空間，對知識的掌握有很大的幫助。

三、計算機程序在“定向鉆進”相關課程中的應用探索

“定向鉆進”是勘查技術與工程專業鉆探和鉆井方向的一門很重要的課程[4]，其中定向鉆孔軌跡設計相關的計算非常復雜，書本上給出了大量的靜態的圖片和公式，學生學習起來比較枯燥和吃力，對這些公式也沒有留下什么印象。如果不安排相應的課程設計和課外作業，學生幾乎很難運用相關的知識，不過如果安排學生手工進行設計計算的話，工作量確實很大，學生一般也只會對其中的極少部分內容進行計算，依然有一定的局限性。本文作者針對這個問題編寫了一個三維可視化的定向鉆孔軌跡設計程序VHDD（垂直水平定向鉆進設計），其不僅可以實現垂直定向鉆孔軌跡設計，還可以用于非開挖水平鉆孔軌跡的設計，因此該程序也可以很好地將本專業的兩個方向關聯起來。本文作者利用該程序指導了一名本科生的畢業設計，順利完成了其本科畢業論文的撰寫。學生可以使用程序實現自己的模擬設計工作：

1.將某個地層的剖面圖導入到程序中，基于該地層信息，確定開孔點和中靶點的位置，學生輕松地點擊幾下鼠標就可以設計一個定向鉆孔軌跡，界面上隨即可以顯示設計的軌跡曲線圖和相關的設計參數。學生可以采用不同的軌跡形式進行設計，可以用鼠標拖動關鍵節點對軌跡進行修改，如果設計參數不合理，那么屏幕上立即會顯示不合理的結果，學生稍加判斷就可以糾正自己的錯誤。同時，反復的計算機輔助設計又可以促進對該理論更深入的理解。學生還可以從不同的角度觀察自己的設計結果，可以在屏幕上測量任意感興趣的點的坐標、兩點之間的距離、方位角、頂角等信息。最后還可以將設計的結果輸出到表格中向老師進行提交。

2.本程序還可以讓學生進行三維多分支定向鉆孔的設計，這種三維的表現效果是常規的二維圖形所不能完成的。圖3所示為一模擬設計的三分支定向孔，通過三維的形式，學生可以很直觀地看到孔底的鉆孔軌跡、它們之間的相對位置和角度關系等，以判斷軌跡設計的正確性和合理性。

通過本程序的使用，學生不僅對定向孔的概念更加清晰，而且對其整個設計過程和設計要素都能夠掌握。通過學生的畢業設計可以看到，該同學利用此程序對江西某鹽礦對接井進行了模擬設計，設計結果同實際的井眼軌跡十分吻合，這說明該程序已經初步具備對實際工程的設計功能，學生畢業后，還可以將其作為一個輔助工具在工作崗位上使用。

本文論述了計算機程序在勘查技術與工程專業教學中的應用探索，該方法不僅豐富了教學內容，提高了學生的學習興趣，而且將某些很難講授和實踐的計算理論變得簡單明了，給學生提供了良好的練習、思考和交流的平臺。學生甚至還可以把這些程序帶到工作崗位上去，讓他們受益終生。因此，不斷推廣新的教學內容和教學方法，提高教學效率，讓學生學到更有價值的知識，是每一個教學工作者努力的方向和應盡的職責。

參考文獻：

[1]王海斌.給學生飛翔的翅膀——淺談計算機輔助教學[J].學周刊：C，2013，（2）：196.

[2]鄭明艷，楊世浩，黃生根.“基礎工程”課程的教學實踐與體會[J].中國地質教育，2010，（S）：58-60.

[3]高金川，鄭明艷.提高“土力學”課程教學效果的若干認識[J].中國地質教育，2010，（S）：38-41.

[4]吳翔，蔣國盛，賀冰新.“定向鉆進技術”課程教學的幾點體會[J].中國地質教育，2010，（S）：34-37.

作者簡介：高輝，男，講師，主要從事計算力學和鉆探工程的教學和研究工作。