地下水科學(xué)與工程專業(yè)中軟件應(yīng)用課程建設(shè)與推廣

摘要：伴隨著計算機(jī)信息技術(shù)的高度發(fā)展，軟件開發(fā)與應(yīng)用能力在高等教育中起到越來越重要的作用。對于地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)科，應(yīng)用專業(yè)軟件解決地下水環(huán)境中的實(shí)際問題，成為本科甚至是研究生教育模式改革的需要，更是培養(yǎng)應(yīng)用型和研究型人才的需要。本文結(jié)合桂林理工大學(xué)地下水科學(xué)與工程專業(yè)中軟件教學(xué)課程的建設(shè)與推廣實(shí)例，總結(jié)分析了地下水科學(xué)與工程專業(yè)軟件課程建設(shè)、內(nèi)容以及存在問題，對比分析不同畢業(yè)需求下需要掌握的主要專業(yè)軟件，為地下水科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)與實(shí)踐教育提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：地下水科學(xué)與工程；專業(yè)軟件教學(xué)；課程建設(shè)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）23-0184-03

一、引言

桂林理工大學(xué)是中央與地方共建、以廣西壯族自治區(qū)管理為主的高校。學(xué)校源于1956年原國家重工業(yè)部在廣西組建的桂林地質(zhì)學(xué)校，歷經(jīng)五改歸屬、十易校名的發(fā)展歷程，其中，1978年更名為桂林冶金地質(zhì)學(xué)院，1993年更名為桂林工學(xué)院，2009年正式更名為桂林理工大學(xué)[1]。地下水科學(xué)與工程專業(yè)依托學(xué)校地學(xué)優(yōu)勢學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展，該專業(yè)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展多樣性的需要，培養(yǎng)側(cè)重于地下水資源和地下水工程研究，突出地下水資源的勘查、評價、開發(fā)、管理學(xué)術(shù)型人才及地下水環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、評價和治理，工程地質(zhì)勘察、設(shè)計、施工的應(yīng)用型高級專門人才[1，2]。學(xué)生畢業(yè)后從業(yè)適應(yīng)面廣，主要從事國土資源、水利、城建、環(huán)保、煤炭、冶金、交通等部門的相關(guān)單位（如水利勘察設(shè)計研究院、電力設(shè)計研究院、煤炭設(shè)計研究院、建筑設(shè)計研究院、地?zé)衢_發(fā)設(shè)計院及各種工程施工單位等）以及中外合資企業(yè)、教育部門、部隊(duì)的相關(guān)領(lǐng)域的與地下水科學(xué)與工程的科研、教學(xué)、管理、設(shè)計和生產(chǎn)等方面的工作。

經(jīng)過長期的專業(yè)建設(shè)與發(fā)展，桂林理工大學(xué)地下水科學(xué)與工程專業(yè)形成了一系列主干課程，包括綜合地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、地下水動力學(xué)、水文地質(zhì)勘察、水文地球化學(xué)、水文地質(zhì)數(shù)值法、工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)與地基基礎(chǔ)、工程地質(zhì)勘察和環(huán)境地質(zhì)學(xué)。系統(tǒng)地構(gòu)建了集中性實(shí)踐教學(xué)課程，包括測量實(shí)習(xí)、綜合地質(zhì)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、水文地質(zhì)勘察設(shè)計、工程地質(zhì)勘察設(shè)計和畢業(yè)實(shí)習(xí)[3]。

然而近幾年來，隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，采用傳統(tǒng)學(xué)科的講授與野外實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)不能滿足社會對地下水科學(xué)與工程專業(yè)人才的需求。無論是研究型機(jī)構(gòu)，還是應(yīng)用型單位，越發(fā)迫切的需要大量熟練操作專業(yè)軟件的人才進(jìn)行專業(yè)的數(shù)據(jù)處理與分析、建設(shè)地下水環(huán)境相關(guān)的綜合數(shù)據(jù)庫（地下水水質(zhì)、水位實(shí)時監(jiān)測等信息），甚至是基于特定的應(yīng)用目的進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，而這些恰恰是高校本科以及研究生教育中比較薄弱的環(huán)節(jié)[4-6]。因此，本文以桂林理工大學(xué)地下水科學(xué)與工程專業(yè)為例，結(jié)合其在專業(yè)軟件應(yīng)用課程方面的建設(shè)與推廣過程，總結(jié)分析了地下水科學(xué)與工程專業(yè)軟件課程的建設(shè)與內(nèi)容，揭示其存在的主要問題，對比分析不同畢業(yè)需求下需要掌握的主要專業(yè)軟件，為地下水科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)和實(shí)踐教育提供理論基礎(chǔ)。

二、地下水科學(xué)與工程專業(yè)軟件應(yīng)用課程建設(shè)

與其他高校不同的是，桂林理工大學(xué)的地下水科學(xué)與工程學(xué)科建設(shè)保留了學(xué)科前身——水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)辦學(xué)的模式，重點(diǎn)針對廣西等西南巖溶地區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題與解決進(jìn)行了專業(yè)建設(shè)與學(xué)生培養(yǎng)[1]。作為廣西唯一的學(xué)科專業(yè)，畢業(yè)生就業(yè)率連年100%。盡管該學(xué)科辦學(xué)早，教學(xué)制度成熟，師資力量強(qiáng)，但受計算機(jī)信息教育條件所限，該學(xué)科中專業(yè)軟件應(yīng)用教學(xué)建設(shè)直到近幾年才得到重視和發(fā)展。目前，該學(xué)科的軟件應(yīng)用教學(xué)主要包括三方面：圖像繪制與處理軟件的操作與應(yīng)用、以地下水動力學(xué)為主的軟件操作與應(yīng)用以及水文地球化學(xué)方面的軟件教學(xué)與應(yīng)用。對軟件的二次開發(fā)與應(yīng)用則主要以學(xué)生自學(xué)和小班研究型課程為主。

1.圖像繪制與處理軟件的操作與應(yīng)用。本科學(xué)習(xí)的第二年，地下水科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)了CAD軟件制圖等必修課程，需要掌握CAD軟件操作的基本能力，包括利用軟件繪制水文地質(zhì)鉆孔圖、地下水流等值線圖、地形圖等。第三或第四年設(shè)立GIS軟件原理與應(yīng)用選修課，選用MAPGIS和ARCGIS兩款軟件作為教學(xué)工具，要求學(xué)生能利用GIS軟件提取地形圖中的點(diǎn)、線、面等信息，熟練進(jìn)行不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

2.以地下水動力學(xué)為主的軟件教學(xué)與應(yīng)用。在學(xué)習(xí)水文地質(zhì)學(xué)、地下水動力學(xué)、水文地質(zhì)數(shù)值法課程的基礎(chǔ)上，開設(shè)Visual modflow為主的軟件操作應(yīng)用課程，根據(jù)學(xué)生的掌握情況，適時增加與此類似的專業(yè)軟件操作教學(xué)，例如GMS等。Visual Modflow是目前國際上最流行且被各國一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評價的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在原Modflow軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開發(fā)研制的。這個軟件包由Modflow（水流評價）、Modpath（平面和剖面流線示蹤分析）和MT3D（溶質(zhì)運(yùn)移評價）三大部分組成，并且具有強(qiáng)大的圖形可視界面功能。設(shè)計新穎的菜單結(jié)構(gòu)允許用戶非常容易地在計算機(jī)上直接圈定模型區(qū)域和剖分計算單元，并可方便地為各剖分單元和邊界條件直接在機(jī)上賦值。掌握該軟件的操作與應(yīng)用，有助于學(xué)生從事研究型和應(yīng)用型的工作，例如，對水文地質(zhì)調(diào)查區(qū)進(jìn)行三維建模，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測水流、水質(zhì)的演化，進(jìn)行有效的地下水環(huán)境影響評價等。

3.水文地球化學(xué)方面的軟件教學(xué)與應(yīng)用。在學(xué)習(xí)地下水污染與防治、水文地球化學(xué)課程的基礎(chǔ)上，設(shè)立phreeqc軟件應(yīng)用課程的教學(xué)實(shí)習(xí)。Phreeqc是一個用于計算多種低溫水文地球化學(xué)反應(yīng)的計算機(jī)軟件。Phreeqc最簡單的應(yīng)用就是計算溶液中各種化學(xué)物質(zhì)的分布以及溶液中礦物質(zhì)與氣體的飽和狀態(tài)。反演模擬功能可推導(dǎo)和量化在流動過程中能夠反映化學(xué)物質(zhì)變化的化學(xué)反應(yīng)方程。Phreeqc能夠處理的反應(yīng)方程包括建立礦物、表面絡(luò)合物、陽離子交換劑、土壤溶液、氣體組分單位分壓、固定壓強(qiáng)或固定體積氣相間平衡的物質(zhì)運(yùn)移反應(yīng)。Phreeqc在未污染和污染環(huán)境的調(diào)查中，在實(shí)驗(yàn)室、野外和區(qū)域調(diào)查中也是有用的。Phreeqc能夠調(diào)查各種自然和受人類影響的環(huán)境的地球化學(xué)反應(yīng)，包括酸性礦水排放、放射性廢物隔離、污染物運(yùn)移、營養(yǎng)物富集、含水層自然及人工修復(fù)、含水層儲量恢復(fù)、飲用水處理、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和區(qū)域含水層系統(tǒng)等。在地下水科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)過程中，該軟件的教學(xué)課程包括軟件的所有操作功能，主要以簡單的礦物平衡、混合反應(yīng)、新物種的形成與逆向模擬等四個功能的應(yīng)用操作為主。

三、軟件應(yīng)用課程推廣

地下水科學(xué)與工程專業(yè)軟件應(yīng)用課程的推廣過程需要考慮諸多方面，例如專業(yè)軟件的篩選、場地建設(shè)、計算機(jī)系統(tǒng)、軟件的版權(quán)問題等。

1.軟件篩選。地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)科涉及的軟件專業(yè)性強(qiáng)、種類豐富、各有特色。在軟件應(yīng)用課程的建設(shè)與推廣中，選擇合適的軟件進(jìn)行教學(xué)尤為重要。例如，目前國內(nèi)外常用的幾個水文地球化學(xué)模擬軟件有PHREEQC、TOUHG2TOUGHT2 & TOUGH REACT、Visual MINTEQ、CHEAQS、CHESS and JCHESS和WATEQ4F等，每款軟件都有自己的特色和局限性?，F(xiàn)在許多高校以開設(shè)PHREEQC軟件教學(xué)為主，部分研究生課程會增加TOUHG2TOUGHT2& TOUGH REACT軟件操作。此外，由于軟件的各個開發(fā)公司不定期更新數(shù)據(jù)庫，需要操作者實(shí)時對軟件的版本進(jìn)行更新。軟件應(yīng)用教學(xué)的課程也相應(yīng)的需要及時補(bǔ)充和更新，有針對性的調(diào)整課程內(nèi)容或者增減相應(yīng)軟件操作的課程。

2.硬件設(shè)施。場地和計算機(jī)系統(tǒng)要求是專業(yè)軟件課程建設(shè)和推廣必不可少的硬件條件。國外很多高校針對地下水學(xué)科的軟件開發(fā)與應(yīng)用，單獨(dú)設(shè)立數(shù)據(jù)庫和機(jī)房，組裝多個處理器進(jìn)行快速計算。國內(nèi)近幾年來對計算機(jī)計算能力建設(shè)方面日益重視，例如中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）等高校均設(shè)立了處理器機(jī)房并進(jìn)行計算。

3.版權(quán)購買。在軟件應(yīng)用課程推廣方面，版權(quán)費(fèi)的投入是巨大的。地下水科學(xué)與工程專業(yè)相關(guān)的軟件，大多由國外的公司開發(fā)，費(fèi)用昂貴，大部分需要進(jìn)行采購，在這方面學(xué)校需要投入較多的財力進(jìn)行課程建設(shè)和推廣。

四、問題與分析

近幾年來，桂林理工大學(xué)地下水科學(xué)與工程專業(yè)在軟件教學(xué)與應(yīng)用課程建設(shè)和推廣方面取得了較好的發(fā)展，仍然存在一些不足。例如，在課程的建設(shè)推廣中，迫切需要加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)。師資隊(duì)伍建設(shè)不僅是學(xué)科建設(shè)的重要任務(wù)，同時也是專業(yè)建設(shè)的主要內(nèi)容。學(xué)科建設(shè)更多地強(qiáng)調(diào)通過科學(xué)研究提高教師的學(xué)術(shù)水平，而專業(yè)建設(shè)則更側(cè)重于提高教師的教學(xué)水平。為了提高專業(yè)辦學(xué)水平，兩者缺一不可。有了一支好的師資隊(duì)伍，教學(xué)質(zhì)量才有保證，才可能辦出高水平的專業(yè)。在科學(xué)研究時強(qiáng)調(diào)學(xué)術(shù)梯隊(duì)建設(shè)，在專業(yè)建設(shè)時需要強(qiáng)調(diào)教學(xué)梯隊(duì)建設(shè)，兩者相輔相成，互相促進(jìn)[1]。當(dāng)前的師資力量主要集中在軟件操作與應(yīng)用方面的教學(xué)，在二次開發(fā)與利用，尤其是編程方面缺少人才，主要原因是計算機(jī)能力強(qiáng)的教師缺少專業(yè)積累，而專業(yè)能力強(qiáng)的教師主要是老教授，缺少計算機(jī)能力。

目前加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)采取的措施主要有兩個方面：（1）通過對現(xiàn)有的師資力量，特別是對青年師資力量到各軟件公司設(shè)立的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行培訓(xùn)，提高師資質(zhì)量，為教師創(chuàng)造更多的深造機(jī)會，幫助教師提高自身的綜合素質(zhì)，努力建設(shè)一批具有強(qiáng)勁競爭力的師資隊(duì)伍。（2）積極引進(jìn)本專業(yè)相關(guān)的專家，實(shí)現(xiàn)以老帶新的良好發(fā)展梯隊(duì)，為此桂林理工大學(xué)出臺了一系列引進(jìn)專業(yè)教師的高薪待遇。

五、展望

水資源短缺和環(huán)境惡化是21世紀(jì)人類面臨的兩個重大問題。地下水作為水資源的重要組成部分，地下水科學(xué)與工程學(xué)科的建立與發(fā)展將對人類生存、生活、生產(chǎn)和推動社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用。地下水科學(xué)與工程課程的合理建設(shè)與人才培養(yǎng)，對于國家發(fā)展和地下水環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要[1]。計算機(jī)信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，對地下水科學(xué)與工程學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展提出了新的要求和助力。針對性的建設(shè)和推廣社會需要的軟件應(yīng)用型人才，加強(qiáng)研究型人才的軟件開發(fā)能力建設(shè)，成為地下水科學(xué)與工程專業(yè)面臨的主要問題和未來發(fā)展所需。此外，具備一定專業(yè)基礎(chǔ)的本科生，甚至是研究生，都日益認(rèn)識到掌握專業(yè)軟件的操作與應(yīng)用的重要性，對于未來從事社會工作以及科學(xué)研究起到了重要的作用，因此越發(fā)迫切需要學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。

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