專業(yè)實(shí)驗(yàn)對(duì)地下水動(dòng)力學(xué)教學(xué)的促進(jìn)作用

張莉麗

[摘 要]地下水動(dòng)力學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)是地下水動(dòng)力學(xué)理論教學(xué)體系的進(jìn)一步驗(yàn)證和擴(kuò)展，對(duì)學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用，學(xué)生在參加專業(yè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過(guò)程中能夠獲取專業(yè)知識(shí)并培養(yǎng)專業(yè)能力。文章以防災(zāi)科技學(xué)院地下水科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合目前的行業(yè)需求有目的地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系能夠有機(jī)地融合，在實(shí)踐中取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]地下水動(dòng)力學(xué)；地下水科學(xué)與工程；專業(yè)實(shí)驗(yàn)；室內(nèi)試驗(yàn)；抽水試驗(yàn)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）11-0092-03

地下水動(dòng)力學(xué)課程在地下水科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，是繼水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程之后開(kāi)設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，同時(shí)本門課程也是地下水科學(xué)與工程專業(yè)考研必考的專業(yè)課之一。開(kāi)設(shè)地下水動(dòng)力學(xué)這門課程的主要目的是使學(xué)生系統(tǒng)掌握地下水運(yùn)動(dòng)的基本理論，運(yùn)用基本理論分析水文地質(zhì)問(wèn)題，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，提出適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法或模擬方法，對(duì)地下水進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)本專業(yè)的課程打下良好的基礎(chǔ)，并為以后的專業(yè)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

但是地下水動(dòng)力學(xué)這門課程的知識(shí)面涉及廣泛，主要的基礎(chǔ)知識(shí)涉及地質(zhì)學(xué)、地貌及第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、應(yīng)用數(shù)學(xué)及數(shù)學(xué)物理方程、水力學(xué)等課程，它的先修課程有高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、水力學(xué)等，它們?yōu)榈叵滤鬟\(yùn)動(dòng)方程及數(shù)學(xué)模型的建立和求解打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)本門課程的講授，如Jacob直線法、標(biāo)準(zhǔn)曲線配比法等求水文地質(zhì)學(xué)參數(shù)的方法，是后續(xù)開(kāi)設(shè)的地下水科學(xué)與工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程中野外抽水試驗(yàn)求參的主要方法，是地下水流數(shù)值模擬的建?；A(chǔ)。此外，地下水向各種不同水文地質(zhì)條件下含水層的運(yùn)動(dòng)計(jì)算，也是專門水文地質(zhì)學(xué)課程中水資源評(píng)價(jià)的前提和基礎(chǔ)。地下水動(dòng)力學(xué)課程的開(kāi)設(shè)對(duì)地下水科學(xué)與工程專業(yè)知識(shí)的銜接起到了承上啟下的作用。

由此可見(jiàn)，地下水動(dòng)力學(xué)課程在地下水科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和專業(yè)課程體系中的地位非常重要，根據(jù)理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則，必須配備專門的實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐教學(xué)課程來(lái)支撐該門課程的教學(xué)。本文將從實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐教學(xué)的必要性、實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐教學(xué)在專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)這三方面來(lái)論述地下水科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)地下水動(dòng)力學(xué)教學(xué)的促進(jìn)作用。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展的必要性

地下水動(dòng)力學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科課程，目前開(kāi)設(shè)該門課程的大專院校大都以教師講授的理論教學(xué)為主，缺乏室內(nèi)外的專門實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1-5]。防災(zāi)科技學(xué)院根據(jù)人才培養(yǎng)方案及地下水動(dòng)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)了一系列的專業(yè)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)包括潛水模擬實(shí)驗(yàn)、承壓水模擬實(shí)驗(yàn)、達(dá)西滲流實(shí)驗(yàn)、繞壩滲流實(shí)驗(yàn)、地下分水嶺實(shí)驗(yàn)、間歇泉成因?qū)嶒?yàn)、入滲及地下水滲流實(shí)驗(yàn)、壩下滲流實(shí)驗(yàn)滲水試驗(yàn)以及抽水試驗(yàn)。除抽水試驗(yàn)外，其他實(shí)驗(yàn)均在正常教學(xué)周內(nèi)完成。由于抽水試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，占用場(chǎng)地較大，所以該實(shí)驗(yàn)通常在大學(xué)三年級(jí)的暑期小學(xué)期開(kāi)設(shè)，抽水試驗(yàn)教學(xué)基地的建設(shè)及運(yùn)行可夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)理論基礎(chǔ)，對(duì)在地下水動(dòng)力學(xué)等課程中所學(xué)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證和深化，對(duì)學(xué)生理解專業(yè)知識(shí)、深化專業(yè)能力起著承上啟下的銜接作用。關(guān)于防災(zāi)科技學(xué)院地下水科學(xué)與工程專業(yè)抽水試驗(yàn)教學(xué)的詳細(xì)內(nèi)容可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6]。

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》要求 “加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地、課程教材等教學(xué)基本建設(shè)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)”。蘇聯(lián)的水文地質(zhì)人才培養(yǎng)的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)就是夏令訓(xùn)練營(yíng)，在訓(xùn)練營(yíng)里學(xué)生大都可以學(xué)到地質(zhì)填圖和基礎(chǔ)的水文測(cè)量等[7]。在日本，學(xué)生的地質(zhì)知識(shí)主要來(lái)自經(jīng)常性的、有組織的野外活動(dòng)[8]。加拿大和美國(guó)的高校都十分重視教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)并隨時(shí)向?qū)W生開(kāi)放[9]。德國(guó)的高等地質(zhì)教育實(shí)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)，并且非常嚴(yán)格，學(xué)生的實(shí)習(xí)必須有記錄和有關(guān)人員的簽字，經(jīng)認(rèn)可方能有效，否則必須重做[10]。在英國(guó)，學(xué)生實(shí)習(xí)學(xué)時(shí)占據(jù)課內(nèi)教學(xué)時(shí)數(shù)的5%左右，實(shí)習(xí)課和野外教學(xué)活動(dòng)占有較大比重[11-12]。我國(guó)的大學(xué)也特別重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，因?yàn)檫@不但可以培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，為學(xué)生將來(lái)的工作奠定基礎(chǔ)[13-18]。國(guó)內(nèi)外高校的這些教育模式說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)人才不可或缺的途徑。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)在專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和室外實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)時(shí)間較短，比如潛水模擬實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生熟悉與潛水有關(guān)的基本概念，形成對(duì)潛水補(bǔ)給、徑流、排泄的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)運(yùn)用達(dá)西定律及利用流網(wǎng)分析水文地質(zhì)問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)采用分析討論與觀察模擬現(xiàn)象相結(jié)合的方式，因此要求學(xué)生針對(duì)提出的問(wèn)題進(jìn)行分析討論，積極思考，在此基礎(chǔ)上帶著討論中的結(jié)論及疑難進(jìn)行模擬演示，從而加深對(duì)問(wèn)題的理解。上課時(shí)，學(xué)生先熟悉潛水演示儀的裝置及功能，然后進(jìn)行地表徑流的實(shí)驗(yàn)，觀察潛水面形狀及流線特征，觀測(cè)地下分水嶺的偏移，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的資料，繪制斷面的剖面流網(wǎng)，分析分水嶺的存在、偏移和消失需具備哪些條件，分析在什么條件下會(huì)存在地下分水嶺，它們與徑流系統(tǒng)有何關(guān)系，對(duì)比課堂上、書本上的相關(guān)內(nèi)容，看實(shí)驗(yàn)與理論是否一致。這樣學(xué)生就把抽象的理論知識(shí)同具體的實(shí)踐知識(shí)聯(lián)系起來(lái)了。

室外實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)踐場(chǎng)地較大，比如抽水試驗(yàn)。通過(guò)抽水試驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、應(yīng)急處理事故數(shù)據(jù)的能力以及對(duì)參數(shù)計(jì)算方法運(yùn)用的綜合能力等。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在專業(yè)人才培養(yǎng)的過(guò)程中有不可忽視的作用。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

防災(zāi)科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)包括專門實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)。專門實(shí)驗(yàn)室就是室內(nèi)試驗(yàn)的教學(xué)場(chǎng)地，地下水科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室是目前地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要教學(xué)平臺(tái)。目前設(shè)有5個(gè)實(shí)驗(yàn)室，包括地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、地下水動(dòng)力學(xué)板房實(shí)驗(yàn)室、地下水污染控制與修復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)室、水化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室及同位素水文地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，總建筑面積約500m2，配備有達(dá)西儀、土柱儀、地下水流運(yùn)動(dòng)模擬物理模型、雷諾實(shí)驗(yàn)演示裝置、能量方程演示裝置、局部水頭損失演示裝置、液相色譜儀、氣相色譜儀、離子色譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、總有機(jī)碳分析儀、液質(zhì)聯(lián)用儀、氣質(zhì)聯(lián)用儀、原子吸收光譜儀、原子熒光光譜儀等儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室在滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要的同時(shí)，還為大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目、開(kāi)放實(shí)踐項(xiàng)目、本科生畢業(yè)實(shí)踐和教科研項(xiàng)目提供實(shí)踐平臺(tái)。

防災(zāi)科技學(xué)院實(shí)踐教學(xué)基地位于河北省秦皇島市柳江盆地，屬石門寨鎮(zhèn)管轄。南起黑山窯村，北至義院口長(zhǎng)城腳下，長(zhǎng)約15km；東起張崖子村，西至伍莊—山羊寨一帶，寬約12km，總面積約180km2。盆地中心南距秦皇島市23km，由秦皇島市區(qū)開(kāi)來(lái)的班車通往盆地內(nèi)各村寨，青秦鐵路縱貫盆地中部，交通較為便利。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為4個(gè)階段，6周時(shí)間。第1階段為地質(zhì)實(shí)習(xí)階段。學(xué)生通過(guò)野外路線的觀察，了解秦皇島柳江盆地實(shí)習(xí)區(qū)的地形、地貌、地層、構(gòu)造、巖石等方面的內(nèi)容，加深對(duì)巖漿作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地下水的地質(zhì)作用等基本理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)鍛煉野外工作方法和技能，為水文地質(zhì)路線實(shí)習(xí)奠定基礎(chǔ)。如張巖子—東部落地質(zhì)路線，通過(guò)該路線的實(shí)習(xí)，可以讓學(xué)生掌握結(jié)晶基底新太古界鉀長(zhǎng)花崗巖巖性，掌握新元古界青白口系長(zhǎng)龍山組和景兒峪組、古生界寒武系府君山組地層巖性。學(xué)生在野外需要完成以下學(xué)習(xí)任務(wù)：（1）觀察并描述新太古界鉀長(zhǎng)花崗巖巖性。（2）描述鉀長(zhǎng)花崗和上覆地層的接觸關(guān)系。（3）觀察并描述新元古界青白口系長(zhǎng)龍山組和景兒峪組、古生界寒武系府君山組地層。（4）描述侵入體巖性。（5）觀察寒武系府君山組灰?guī)r的巖溶發(fā)育情況。（6）繪制張巖子村西鉀長(zhǎng)花崗巖與上覆石英砂巖接觸關(guān)系圖。（7）繪制東部落寒武系府君山組地層與侵入巖體接觸關(guān)系圖。（8）繪制張巖子—東部落地層隨手剖面圖。教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論花崗巖、頁(yè)巖、灰?guī)r水文地質(zhì)意義，府君山組灰?guī)r的巖溶發(fā)育規(guī)律，東部落泉水出露的水文地質(zhì)條件等問(wèn)題，為后續(xù)水文地質(zhì)路線實(shí)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

第2階段為水文地質(zhì)實(shí)習(xí)階段。學(xué)生通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)繪，了解研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，掌握不同地形地貌條件下孔隙水、裂隙水、巖溶水的形成、賦存及變化特征的分析方法和思路，熟悉和掌握水文地質(zhì)參數(shù)的測(cè)定方法及參數(shù)的影響因素，掌握地表水主要水文及水利特征的分析計(jì)算方法。比如亮甲山奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水形成條件與富集規(guī)律實(shí)習(xí)路線。通過(guò)該路線的實(shí)習(xí)，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r巖溶發(fā)育條件及發(fā)育規(guī)律，了解奧灰?guī)r裂隙水儲(chǔ)存、運(yùn)動(dòng)和富集的特點(diǎn)及形成較大供水水源地的條件。學(xué)生需要完成以下學(xué)習(xí)任務(wù)：（1）在石門寨北沿亮甲山東坡坡腳觀察灰?guī)r節(jié)理、裂隙發(fā)育狀況，溶蝕程度及充填程度。（2）觀察亮甲山下溶洞發(fā)育情況并分析其發(fā)育的條件。（3）觀察輝綠巖床及巖脈的巖性、產(chǎn)狀及其與巖溶發(fā)育及巖溶水富集的關(guān)系。（4）調(diào)查亮甲山下6口機(jī)井的分布位置，所處的地形地貌及地質(zhì)部位，并分析其地下水富集條件；繪制亮甲山水源地機(jī)井分布平面圖。（5）調(diào)查機(jī)井的井深、地層剖面、水質(zhì)、水量及開(kāi)采動(dòng)態(tài)。（6）繪制亮甲山組灰?guī)r垂向溶蝕素描圖。（7）繪制亮甲山組灰?guī)r與輝綠巖接觸關(guān)系圖。（8）繪制亮甲山附近的水文地質(zhì)平面（1∶2000）及剖面圖。（9）編制《亮甲山水源地灰?guī)r巖溶裂隙水富集規(guī)律分析報(bào)告》。教師可以引導(dǎo)學(xué)生探討以下問(wèn)題：（1）奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r裂隙巖溶水的形成與富集條件與規(guī)律是什么？（2）形成大中型供水水源地應(yīng)具備的條件是什么？（3）亮甲山下供水井的布置是否合理，為什么？這樣把課堂上學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)生活聯(lián)系到一起，讓學(xué)生更有學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性。

第3階段為獨(dú)立測(cè)繪階段。學(xué)生以小組為單位，獨(dú)立進(jìn)行水文地質(zhì)測(cè)繪和水資源調(diào)查，測(cè)繪面積為40km2-60km2，通過(guò)野外調(diào)查工作，掌握地下水資料調(diào)查的主要工作內(nèi)容和工作手段，獨(dú)立完成水文地質(zhì)調(diào)查及水文地質(zhì)填圖，目的是在地質(zhì)、水文地質(zhì)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，由學(xué)生獨(dú)立安排并完成研究區(qū)的水文與水文地質(zhì)測(cè)繪工作，進(jìn)一步掌握各種類型地下水以及地表水的野外調(diào)查方法、調(diào)查程序和主要調(diào)查內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生野外發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)際工作能力。學(xué)生需要完成以下學(xué)習(xí)任務(wù)：（1）獨(dú)立進(jìn)行水文地質(zhì)測(cè)繪，包括孔隙水區(qū)的水文地質(zhì)測(cè)繪、巖溶區(qū)的水文地質(zhì)測(cè)繪、基巖裂隙水區(qū)的水文地質(zhì)測(cè)繪、碎屑巖類孔隙裂隙水區(qū)的水文地質(zhì)測(cè)繪以及環(huán)境水文地質(zhì)測(cè)繪。（2）測(cè)繪面積40km2-60km2，每日填寫水井、泉、地貌等調(diào)查記錄表。（3）根據(jù)實(shí)際測(cè)繪資料繪制實(shí)際材料圖以及綜合水文地質(zhì)圖。

第4階段為編繪圖件、撰寫報(bào)告階段。該階段學(xué)生利用野外實(shí)際調(diào)查獲取的第一手資料，結(jié)合收集的各種已有資料，在室內(nèi)對(duì)各種資料進(jìn)行成果整編工作，編制《地下水科學(xué)與工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》及相應(yīng)附圖、附表。

綜上所述，室內(nèi)專門實(shí)驗(yàn)室和實(shí)踐教學(xué)基地的建設(shè)豐富完善了本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系，改善了專業(yè)教學(xué)條件，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)專業(yè)素養(yǎng)的地下水科學(xué)與工程人才提供了根本性的保障。

四、結(jié)論

專業(yè)實(shí)驗(yàn)是地下水科學(xué)與工程專業(yè)地下水動(dòng)力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)體系中必不可少的組成部分之一，對(duì)專業(yè)人才的培養(yǎng)具有重要的意義。包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、室外實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)基地實(shí)習(xí)試驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展，對(duì)于學(xué)生能力與團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)具有重要的意義。在防災(zāi)科技學(xué)院地下水科學(xué)與工程專業(yè)人才實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，總結(jié)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路，并根據(jù)行業(yè)的需求以及專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容選擇，使理論與實(shí)踐教學(xué)體系完美融合，取得了較好的教學(xué)效果，提高了專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

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