面向“石油+智能”創(chuàng)新能力培養(yǎng)的程序設(shè)計課程群協(xié)同設(shè)計

曹志民，韓 建，呂秀麗，吳 云

（東北石油大學物理與電子工程學院，黑龍江 大慶 163318）

0 引言

智能油田建設(shè)是保障油氣資源戰(zhàn)略安全底線的關(guān)鍵所在[1]。然而，我國陸上油氣資源大多已進入開發(fā)中晚期，非常規(guī)油氣資源早已成為當前我國支撐油氣生產(chǎn)的主力[2-3]。另一方面，海上油氣資源的可動用能力還極大地受到各種因素的制約[3]。在這種情況下，智慧油田建設(shè)已經(jīng)成為我國油氣田發(fā)展的必然選擇。然而，與計算機視覺、智慧交通、智慧城市等領(lǐng)域相比，我國智慧油田建設(shè)才剛剛起步，還存在大量基礎(chǔ)性問題需要解決，同樣，對于具有智慧油田建設(shè)所需創(chuàng)新能力的基層人才的需求也是非常迫切。

作為油田人工智能所必需的輔助技術(shù)，石油高校中電子信息工程、計算機、自動化等專業(yè)本科人才培養(yǎng)方面必須針對智慧油田建設(shè)需求進行教學內(nèi)容的調(diào)整與改革[4-5]。其中，程序設(shè)計類課程群建設(shè)是一個重要領(lǐng)域，為此本文提出了一套有效的程序設(shè)計類課程群教學體系。

1 程序設(shè)計類課程群“石油+智能”頂層設(shè)計

為了完成程序設(shè)計類課程群教學理念和教學內(nèi)容的改革，首先采用產(chǎn)出導(dǎo)向的思想，從智慧油田建設(shè)所需創(chuàng)新型人才知識結(jié)構(gòu)，相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)學生需要對典型勘探開發(fā)數(shù)據(jù)類型及特點、典型應(yīng)用的性能評價要求、人工智能相關(guān)基礎(chǔ)理論有一定的理解，同時還需要具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化以及機器學習方法等多方面程序設(shè)計能力。

基于以上產(chǎn)出導(dǎo)向的分析，程序設(shè)計類課程群整體教學理念應(yīng)該為：使學生在充分學習程序設(shè)計基本知識和熟練掌握程序設(shè)計方法與技巧的前提下，進一步了解勘探開發(fā)及典型“石油+智能”復(fù)雜工程應(yīng)用的基本概念，并通過逐級遞進的程序設(shè)計練習來切實掌握勘探開發(fā)領(lǐng)域數(shù)據(jù)處理基本原理和任務(wù)分析的外延思維，以完成智慧油田建設(shè)復(fù)雜工程中智能數(shù)據(jù)分析相關(guān)領(lǐng)域關(guān)鍵知識的積淀，為今后成為合格的具備足夠解決跨學科復(fù)雜工程問題的智慧油田建設(shè)人才打下堅實基礎(chǔ)。

2 程序設(shè)計類課程群“石油+智能”協(xié)同教學設(shè)計

2.1 “C語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”—夯實基礎(chǔ)、培養(yǎng)能力

“C語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是學生大學期間學習的第一門程序設(shè)計類課程，其教學理念必須以夯實基礎(chǔ)和開拓視野為基礎(chǔ)。那么，這里說的“基礎(chǔ)”除了高級語言程序設(shè)計的知識基礎(chǔ)外，還要通過對油氣工業(yè)知名的大工程、大突破等內(nèi)容拓寬學生的眼界、激發(fā)學生的學習熱情，逐步滲透石油工業(yè)中勘探開發(fā)典型應(yīng)用及典型數(shù)據(jù)的相關(guān)基礎(chǔ)?！癈語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的基礎(chǔ)包括如下幾個方面：

2.1.1 程序的基本組成及典型結(jié)構(gòu)

該部分的重點在于通過貫穿全課程始終的反復(fù)強調(diào)與對比，以常量、變量、指針等基本概念的理論定義及內(nèi)存中的物理實現(xiàn)及區(qū)別為基礎(chǔ)和根本，不斷深入理解數(shù)組、函數(shù)、結(jié)構(gòu)體、鏈表、樹、圖等越來越復(fù)雜的概念和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.1.2 程序的調(diào)試和分析方法

作為學生接觸的第一門程序設(shè)計課程，該部分內(nèi)容的重點是要求學生建立良好的程序設(shè)計思維和習慣，并不斷在程序調(diào)試和分析過程中把變量、數(shù)據(jù)和內(nèi)存的關(guān)系進行具體化，使學生真正掌握程序設(shè)計是和計算機“交流”的語言這一概念進行深入理解。

2.1.3 算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)典型思維

前兩部分內(nèi)容是“C語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”這門課的基本要求和整個程序設(shè)計體系的基礎(chǔ)。該部分通過算法、算法評價及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對算法的影響等內(nèi)容的講解，以儲層巖性識別算法的性能評價及對比為例，幫助學生切實實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法在復(fù)雜工程問題解決過程中的重要性的理解，完成程序設(shè)計類課程體系中從學習基礎(chǔ)知識到解決實際問題的過渡。

2.2 “MATLAB語言及實踐訓(xùn)練”—提高效率、豐富技能

2.2.1 以靈動的函數(shù)設(shè)計為重點，強調(diào)工程問題分析的模塊化、接口化方法

MATLAB程序設(shè)計具有C語言程序無法比擬的靈活性，以實際項目開發(fā)歷程為例，重點強調(diào)解決工程問題過程中靈活實現(xiàn)程序設(shè)計的模塊化，特別是接口設(shè)計的重要性，培養(yǎng)學生靈活地解決實際問題的能力并建立良好的程序設(shè)計習慣。

2.2.2 以豐富直觀的數(shù)據(jù)可視化為重點，提高對工程問題分析實現(xiàn)能力

承接“C語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的大實驗，以實際測井大數(shù)據(jù)及其聚類分析結(jié)果為基礎(chǔ)，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化處理讓學生真正感受數(shù)據(jù)可視化重要性，提升學生數(shù)據(jù)分析和展示的實現(xiàn)能力。

2.2.3 以全面系統(tǒng)的科學計算為重點，增強工程問題數(shù)學建模分析的能力

該部分內(nèi)容以測井大數(shù)據(jù)為載體，通過曲線擬合、缺失曲線重構(gòu)等形式，結(jié)合數(shù)據(jù)可視化過程，增強學生對復(fù)雜工程為題地理解，建立良好的數(shù)據(jù)分析與相關(guān)方案設(shè)計的能力。

2.2.4 以人工智能實現(xiàn)體系為重點，建立對勘探開發(fā)應(yīng)用中大數(shù)據(jù)分析的初步了解

通過典型機器學習方法的學習，讓學生充分理解人工智能的概念和特點，結(jié)合前面的數(shù)據(jù)處理、分析及可視化學習，全面提升學生利用人工智能方法解決勘探開發(fā)及相關(guān)領(lǐng)域工程問題的能力。

2.3 “Python語言程序設(shè)計”—開闊眼界、實現(xiàn)智能

Python語言的面向?qū)ο竽芰Α⒖蓴U展能力及可解釋能力都非常優(yōu)秀，是進一步夯實程序設(shè)計，特別是智能程序設(shè)計能力的高級語言。為此，“Python語言程序設(shè)計”課程的教學理念是開拓程序設(shè)計眼界，培養(yǎng)智能應(yīng)用設(shè)計能力。

2.3.1 以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計為基礎(chǔ)，強調(diào)工程問題分析中任務(wù)對象的抽象

該部分內(nèi)容以Python語言基本語法為基礎(chǔ)，重點介紹面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想，并通過單砂體儲層類對象的建立增強學生程序設(shè)計能力和對勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用地理解。

2.3.2 以典型人工智能任務(wù)及實現(xiàn)為例，講解人工智能應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計方法和理念

通過基于TensorFlow及OpenCV等相關(guān)Python工具的介紹和應(yīng)用，以基于CNN的人臉識別項目開發(fā)為例，通過對比分析讓學生建立數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量和算法質(zhì)量對問題解決的重要性，進一步梳理從數(shù)據(jù)到最終人工智能方案實現(xiàn)中各個環(huán)節(jié)的關(guān)系和知識重點。

2.3.3 以實際勘探開發(fā)大數(shù)據(jù)分析任務(wù)為例，鍛煉混合編程智能任務(wù)快速開發(fā)能力

該部分內(nèi)容讓學生綜合利用MATLAB和Python程序設(shè)計的優(yōu)勢，完成測井大數(shù)據(jù)巖性智能識別復(fù)雜工程問題的人工智能解決方案設(shè)計，進一步夯實學生利用人工智能技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的能力。

通過以上三門程序設(shè)計類課程的綜合設(shè)計，不僅能夠從接觸程序設(shè)計開始就建立學習程序設(shè)計及人工智能的積極性外，還能通過持續(xù)加深融入的智慧油田建設(shè)相關(guān)內(nèi)容，切實提高電子信息工程專業(yè)本科生培養(yǎng)質(zhì)量。

3 結(jié)論

針對石油高校現(xiàn)有程序設(shè)計類課程教學與飛速發(fā)展的智慧油田建設(shè)的要求越來越脫節(jié)的問題，完成了“石油+智能”理念指導(dǎo)下的石油類高校程序設(shè)計類課程群設(shè)計，提升了課程群對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用。通過近一輪的教學實踐，相關(guān)老師普遍反映學生的程序設(shè)計能力和復(fù)雜工程問題的分析能力得到了顯著提升，教學成果也得到了工程專業(yè)認證入校專家的認可，課程群建設(shè)為電子工程專業(yè)通過工程教育認證作出了較大的貢獻。