基于多學(xué)科融合的本科生水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究

肖樂樂 牛超 聶文杰

摘 要：為響應(yīng)國家提出的“培養(yǎng)與招生”聯(lián)動機(jī)制，適應(yīng)學(xué)校新制定的地質(zhì)大類本科生培養(yǎng)方案，建設(shè)陜西省一流地質(zhì)專業(yè)，深化改革實(shí)驗(yàn)教育，在水文地質(zhì)學(xué)、地下水動力學(xué)、水力學(xué)、礦井水文地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科融合的過程中，進(jìn)行地質(zhì)大類本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究。通過水文地質(zhì)與其他學(xué)科的交叉貫通及融合，擴(kuò)展地質(zhì)大類本科生學(xué)術(shù)視野，建立本科生相應(yīng)專業(yè)的學(xué)術(shù)思維，激發(fā)地質(zhì)大類本科生對相應(yīng)方向水文地質(zhì)問題的創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)本科生進(jìn)行水文地質(zhì)問題獨(dú)立思考、解決的能力。該研究既有助于對地質(zhì)大類招生與培養(yǎng)的聯(lián)動機(jī)制的探索，又能推動學(xué)校地質(zhì)學(xué)科進(jìn)行陜西省一流專業(yè)的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)；本科生培養(yǎng)；地質(zhì)大類專業(yè)；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究

中圖分類號：C961 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）18-0048-03

Abstract： In response to linkage mechanism of "cultivate and enroll student" that put forward in China， to adapt to the new training program for undergraduates of geological large class， to construct the Shanxi Province first-class geology major， the Xi'an university of science and technology has deepen the experiment education reform， cultivated the experimental innovation ability in the fusion process of hydrogeology and groundwater dynamics， hydraulics， mine hydrogeology of multidisciplinary. Through the fusion between the hydrogeology and the other fields， their academic vision will be extended， corresponding professional academic thinking will be established， and interested in corresponding direction of hydrogeological problems of innovation stimulate the geological categories undergraduates， the ability of independent thinking and solving problem about hydrogeology will be cultivated. The study can help both explore the linkage mechanism of cultivate and enroll student for geological large class undergraduates， and promote the construction of first-class professional.

Keywords： hydrogeological experiment； cultivation of undergraduates； geological large class； experimental innovation research

引言

國家在2017年底提出了“推動高校形成就業(yè)與招生計(jì)劃人才培養(yǎng)聯(lián)動機(jī)制的指導(dǎo)意見”，意見指出，目前我國正在積極推進(jìn)深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，其決定性因素是“人才”，而培養(yǎng)人才就必須形成就業(yè)與招生計(jì)劃、人才培養(yǎng)的聯(lián)動機(jī)制，從轉(zhuǎn)變本科生培養(yǎng)模式、提高專業(yè)建設(shè)質(zhì)量，并建立、完善動態(tài)適應(yīng)機(jī)制，將專業(yè)建設(shè)提升到學(xué)校的基礎(chǔ)建設(shè)高度，將專業(yè)結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的保障，最終使人才培養(yǎng)目標(biāo)與培養(yǎng)效果的達(dá)成度契合[1]。

以上意見的提出，與我校地質(zhì)大類招生培養(yǎng)模式不謀而合。自2016年開始，我校將地質(zhì)工程與資源勘查合并招生，該招生及培養(yǎng)制度既與社會需求密切聯(lián)動，同時(shí)也建立了新型的人才培養(yǎng)模式，有助于擴(kuò)展地質(zhì)類本科生的專業(yè)視野，建立學(xué)生地質(zhì)思維，提高學(xué)生對專業(yè)的熱愛，是響應(yīng)國家創(chuàng)新人才建設(shè)、一流專業(yè)建設(shè)的重要舉措。

在地質(zhì)大類招生與本科生培養(yǎng)過程中，水文地質(zhì)學(xué)作為本科生課程體系中的支柱之一，其理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)直接關(guān)系本科生的培養(yǎng)質(zhì)量。我校突出優(yōu)勢為煤炭類相關(guān)專業(yè)，在礦井突水災(zāi)害如此嚴(yán)重的形勢下，煤礦安全、煤炭采礦、煤炭地質(zhì)等專業(yè)作為陜西省一流專業(yè)，水文地質(zhì)學(xué)作為研究方向的基礎(chǔ)學(xué)科，若能夠與其他地質(zhì)類學(xué)科、采礦類學(xué)科相互融合，既符合地質(zhì)大類招生的目的，又對煤礦水害治理具有重要的意義。礦井水害防治理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高度統(tǒng)一的，尤其實(shí)驗(yàn)教學(xué)更為重要。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，若能夠采用多學(xué)科融合、交叉等方式，必定能夠?qū)Φ刭|(zhì)大類招生制度下的本科生培養(yǎng)形成互相支持，凸顯煤炭地質(zhì)優(yōu)勢特色專業(yè)，提升整個(gè)地質(zhì)工程學(xué)科的創(chuàng)新水平[2-4]。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用地質(zhì)、力學(xué)、采礦等多學(xué)科交叉、融合，為水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)向礦井水害防治、保水采煤、水文地質(zhì)勘察等本科教學(xué)創(chuàng)造良好的學(xué)術(shù)氛圍，通過跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)本科學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)中主動與其他學(xué)院師生加強(qiáng)聯(lián)系，發(fā)揮多學(xué)科融合、協(xié)同、交叉的作用，積極探索地質(zhì)大類招生實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

一、多學(xué)科融合水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

多學(xué)科的交叉、融合對開闊學(xué)生專業(yè)視野，培養(yǎng)本科生地質(zhì)思維，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣具有積極作用。我學(xué)院自2016年開展了地質(zhì)大類招生模式，地質(zhì)大類招生就是為了突破專業(yè)壁壘，拓展學(xué)生發(fā)展方向。在推動招生、專業(yè)培養(yǎng)、就業(yè)相互協(xié)調(diào)的模式改革中，必須要協(xié)調(diào)、融合相關(guān)專業(yè)、交叉學(xué)科知識，建立相互聯(lián)系知識點(diǎn)的理論教學(xué)模式，配套多因素的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，形成地質(zhì)大類本科教學(xué)特色培養(yǎng)機(jī)制[5]。

在以社會服務(wù)為最終目的形勢下，多學(xué)科交叉、融合是大勢所趨，特別是在借助優(yōu)勢學(xué)科學(xué)術(shù)水平、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)條件和裝備技術(shù)條件下，通過一流學(xué)科融合和交叉，構(gòu)建水文地質(zhì)學(xué)科本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，既能夠?yàn)榈刭|(zhì)大類學(xué)生提供基礎(chǔ)教學(xué)服務(wù)，同時(shí)也能夠?yàn)槠渌麑W(xué)院相關(guān)研究方向的本科生提供開放實(shí)驗(yàn)服務(wù)，促進(jìn)學(xué)校相關(guān)學(xué)院知識交流，推動跨專業(yè)、跨學(xué)科相關(guān)專業(yè)儀器的開發(fā)，探索大類招生綜合培養(yǎng)模式[6-7]。

對于地質(zhì)大類本科生的水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既要保證傳統(tǒng)優(yōu)勢煤田水文地質(zhì)、工程水文地質(zhì)教學(xué)，又要積極探索礦井水害防治、保水采煤等新學(xué)科及發(fā)展方向的探索教學(xué)。在進(jìn)行多學(xué)科融合水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，最為重要的是要理解地質(zhì)大類本科培養(yǎng)的方向，統(tǒng)籌地質(zhì)大類相關(guān)水文地質(zhì)學(xué)的交叉學(xué)科，綜合考慮研究方向需求；對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器性能及操作步驟進(jìn)行合理分析，針對地質(zhì)大類招生進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤诟脑爝^程中要綜合考慮研究方向需求，充分利用同一平臺開展多學(xué)科實(shí)驗(yàn)，對多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)方案提供儀器支持；改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，由以往的引導(dǎo)式教學(xué)，向啟發(fā)式教學(xué)轉(zhuǎn)變，特別是對多學(xué)科交叉實(shí)驗(yàn)，通過啟發(fā)學(xué)生多學(xué)科知識，激發(fā)本科生對知識點(diǎn)的興趣，拓展學(xué)生專業(yè)視野。通過以上三個(gè)方式，構(gòu)建多學(xué)科融合的水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)平臺，服務(wù)地質(zhì)大類本科生的理論教學(xué)。

二、多學(xué)科融合水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施

多學(xué)科融合的水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)要突出服務(wù)地質(zhì)大類本科教學(xué)，同時(shí)要拓展本科生的地質(zhì)視野、學(xué)術(shù)思維，發(fā)揮煤礦地質(zhì)專業(yè)及學(xué)科的主體優(yōu)勢，做到水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)覆蓋全、擴(kuò)展性高、融合性強(qiáng)的特點(diǎn)。在組織實(shí)施中，需要對以下幾個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

（一）開展地質(zhì)大類專業(yè)方向統(tǒng)籌研究，探索多學(xué)科融合方式及途徑

根據(jù)學(xué)院本科培養(yǎng)方案，地質(zhì)大類專業(yè)后續(xù)將劃分為四個(gè)方向，即工程地質(zhì)方向，巖土鉆掘方向、資源勘查方向、礦井水害防治方向。針對水文地質(zhì)學(xué)科相關(guān)性，主要涉及水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、水力學(xué)、地下水動力學(xué)、應(yīng)力滲流耦合理論等學(xué)科或課程。通過與以上學(xué)科、課程專業(yè)老師探討，建立多學(xué)科水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論支持，進(jìn)而進(jìn)行學(xué)科融合，發(fā)揮各學(xué)科專任教師的優(yōu)勢，最終解決多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。特別是地下水動力學(xué)和水力學(xué)對水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)具有很大的指導(dǎo)作用，三個(gè)課程均是相互貫穿融通的。

（二）厘清各課程體系中的主次關(guān)系，加強(qiáng)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

在水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)多學(xué)科融合教學(xué)過程中，必須對地質(zhì)大類專業(yè)的課程體系進(jìn)行劃分，結(jié)合各課程涉及的水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行分類分析，對各學(xué)科、各課程的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拆解，理清重復(fù)性、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，將各個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行排序，按照理論課程講解進(jìn)度、學(xué)科交叉程度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排。對水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，要加強(qiáng)與各個(gè)理論的支撐聯(lián)系，對支撐理論和后續(xù)理論進(jìn)行綜合教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)過程中，加強(qiáng)對本科生的指導(dǎo)，并與學(xué)生進(jìn)行互動，對學(xué)生的操作過程進(jìn)行引導(dǎo)提問，對涉及的多學(xué)科知識點(diǎn)進(jìn)行考查。

（三）改革多學(xué)科融合水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生考查體系

在多學(xué)科融合水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，本科生為主體地位，指導(dǎo)教師既要引導(dǎo)本科生，同時(shí)還要擴(kuò)展學(xué)生的發(fā)散性思維，同時(shí)最終的考核仍需要教師進(jìn)行評定?？己俗鳛轵?yàn)證學(xué)生理解能力的一種指標(biāo)，既要突出試驗(yàn)重點(diǎn)內(nèi)容的考核，同時(shí)也應(yīng)考慮交叉內(nèi)容的更深層次考核。考核方式同樣需要考慮多學(xué)科融合，從不同學(xué)科、專業(yè)方向出發(fā)考核相應(yīng)知識點(diǎn)。以多學(xué)科交叉、融合角度，構(gòu)建本科生水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)考核指標(biāo)，對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行層次分析以確定各自比重，最終獲得學(xué)生的考核成績。

三、多學(xué)科融合水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容

（一）多學(xué)科融合水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)安排

為適應(yīng)地質(zhì)大類本科專業(yè)后續(xù)研究方向的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心安排，主要分為三個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)各自研究方向的培養(yǎng)課程體系，為本科生開展水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。三個(gè)方案中，地質(zhì)工程與巖土鉆掘?yàn)橐粋€(gè)方案，資源勘查為一個(gè)方案，礦井水害防治為一個(gè)方案。三個(gè)實(shí)驗(yàn)方案包含的內(nèi)容不同，培養(yǎng)過程也不同，三個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的具體實(shí)施為后續(xù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索出了創(chuàng)新途徑（圖1）。

（二）多學(xué)科融合水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)施步驟

1. 水文地質(zhì)學(xué)多學(xué)科理論融合

在地質(zhì)大類本科專業(yè)水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，需要厘清水文地質(zhì)學(xué)交叉學(xué)科。經(jīng)過地質(zhì)工程系與資源勘查系的教師溝通，需要確定水文地質(zhì)學(xué)的研究方向。將不同方向涉及的水文地質(zhì)學(xué)相關(guān)理論進(jìn)行整理，提煉基礎(chǔ)理論，以達(dá)到理論的融合。以工程地質(zhì)與礦井水害防治兩個(gè)研究方向?yàn)槔?，涉及兩者的同一理論有“太沙基有效?yīng)力原理”，工程地質(zhì)重點(diǎn)是研究地下水位與巖土顆粒有效應(yīng)力的影響作用，而礦井水害防治則研究承壓水釋水機(jī)理與潛水給水機(jī)理的不同，兩者在水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)側(cè)重的方向就不同，實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)手段不一樣；例如地下水動力學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，涉及兩者的同一理論有“流網(wǎng)的性質(zhì)”，地下水動力學(xué)強(qiáng)調(diào)的是流網(wǎng)的性質(zhì)的“數(shù)學(xué)推導(dǎo)”，而水文地質(zhì)學(xué)強(qiáng)調(diào)的是流網(wǎng)的信手繪制及水文地質(zhì)分析，但在水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)需要通過測量水位來繪制流網(wǎng)，并利用觀測井分析不同位置水位的異同。

2. 水文地質(zhì)學(xué)多學(xué)科實(shí)踐融合

在理論融合的前提下，最為重要的是多學(xué)科在水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)踐的融合，即多學(xué)科融合后對水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。融合實(shí)踐比理論融合更難實(shí)現(xiàn)，因此在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，必須對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改造，達(dá)到融合的實(shí)現(xiàn)。以潛水運(yùn)動為例，水文地質(zhì)學(xué)與地下水動力學(xué)涉及的重點(diǎn)有兩個(gè)，水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)重點(diǎn)在潛水水位分布，地下水動力學(xué)重點(diǎn)在潛水向井中的運(yùn)動。這兩者體現(xiàn)在具體實(shí)驗(yàn)中，可共用潛水模擬裝置。但由于兩個(gè)課程涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同，因此必須要對潛水模擬裝置進(jìn)行合理的改造，加密水位觀測裝置（液壓排）、增加大氣降雨補(bǔ)給、在原有儀器箱體中部設(shè)置抽水井。

3. 水文地質(zhì)學(xué)多學(xué)科融合教學(xué)的考核

考核是多學(xué)科融合的水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果優(yōu)劣的檢驗(yàn)效果，但在構(gòu)建考核體系時(shí)就應(yīng)該將多學(xué)科考慮進(jìn)去，而不是將實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績作為考核的唯一指標(biāo)。因此，在多學(xué)科融合過程中，建議采用理論教師與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師組織多次聯(lián)合教學(xué)，挖掘多學(xué)科契合度，推動實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中的擴(kuò)展性。以承壓水流動為例，承壓含水層水在流動過程中不同含水層厚度下的水頭落差不同，即厚層部位、薄層部位的水頭損失不同，雖然在承壓水流動實(shí)驗(yàn)中不涉及水力學(xué)的知識（即伯努利方程、雷諾方程的驗(yàn)證及水頭損失的分類），但在進(jìn)行承壓水實(shí)驗(yàn)時(shí)，該現(xiàn)象非常明顯，因此必須引入水力學(xué)的理論，以達(dá)到多學(xué)科理論知識、實(shí)踐操作、專業(yè)擴(kuò)展的目的。

四、結(jié)束語

在地質(zhì)大類招生及專業(yè)培養(yǎng)的大形勢下，通過多學(xué)科融合、交叉教學(xué)，厘清不同專業(yè)、研究方向、課程之間的通用理論，并在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中進(jìn)行體現(xiàn)，不但為地質(zhì)大類學(xué)生水文地質(zhì)學(xué)視野擴(kuò)展提供了理論與實(shí)踐結(jié)合的機(jī)會，也促進(jìn)了學(xué)生對地質(zhì)專業(yè)的認(rèn)識，也實(shí)現(xiàn)了其他專業(yè)的實(shí)驗(yàn)資源共享，為大類專業(yè)本科生培養(yǎng)及時(shí)提供了借鑒。

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