“地下水動力學(xué)”線上線下混合式教學(xué)改革與實踐

曾獻奎，祝曉彬，吳吉春

（南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

引言

地下水動力學(xué)是研究地下水在含水介質(zhì)中的運動規(guī)律的科學(xué)，其宗旨在于定量刻畫水流和污染物在含水介質(zhì)中的運動狀態(tài)與過程，從而為地下水資源的開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護提供理論基礎(chǔ)。地下水動力學(xué)的相關(guān)理論已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的多個方面，如居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水問題、地下工程的安全生產(chǎn)問題、場地土壤地下水污染修復(fù)問題、生態(tài)環(huán)境保護等，其成為保障社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，以及生態(tài)文明建設(shè)理論體系中不可或缺的一環(huán)［1］。

“地下水動力學(xué)”是地下水科學(xué)與工程、水文與水資源工程、水利工程等專業(yè)的核心課程［2-3］。由于課程內(nèi)容比較多，并且涉及眾多的公式推導(dǎo)，因此課時量比較多，一般每學(xué)年36課時以上，南京大學(xué)的“地下水動力學(xué)”課程教學(xué)每學(xué)年高達90課時。同時，教學(xué)內(nèi)容涉及若干專業(yè)的前沿科學(xué)問題，如非飽和帶地下水運動、巖溶裂隙介質(zhì)地下水運動、地下水數(shù)值模擬等，專業(yè)前沿動態(tài)和本科教學(xué)的有機結(jié)合是該課程的教學(xué)特點之一。

南京大學(xué)“地下水動力學(xué)”課程歷史悠久，2005年成為南京大學(xué)的精品課程，2009年成為江蘇省精品課程，2010年成為國家精品課程，2018年被認定為南京大學(xué)“百層次”優(yōu)質(zhì)課程，2020年被認定為首批國家級一流本科課程（線下）［4］。隨著教學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，對本科課程教學(xué)提出了更高的要求，線上線下混合式教學(xué)成為主流教學(xué)模式［5］。

筆者長期擔任南京大學(xué)“地下水動力學(xué)”課程的教學(xué)工作，基于多年來的教學(xué)探索與實踐，并結(jié)合近年來采取的線上線下混合式教學(xué)活動的實踐經(jīng)驗，擬針對“地下水動力學(xué)”線上線下混合式教學(xué)改革與實踐進行初步探討。

一、地下水動力學(xué)傳統(tǒng)線下教學(xué)的不足

針對“地下水動力學(xué)”課程的特點，以及新形勢下的教學(xué)要求，傳統(tǒng)線下教學(xué)存在以下不足。

（一）難以滿足多元化的綜合測評需求

優(yōu)化課程測評方式是當前教學(xué)改革的重要舉措之一，多元化綜合測評是目前課程測評的主要方式。常規(guī)的綜合測評思路是要淡化期末考試成績，重視學(xué)生平時的學(xué)習效果，如期中測試、課后作業(yè)的完成情況等。課堂教學(xué)通常包含若干個知識點，掌握學(xué)生對知識點的學(xué)習效果能夠及時反饋本次教學(xué)效果，并且可以隨堂做出針對性的調(diào)整。基于線上移動平臺，采用隨堂小測或課間小測能夠?qū)崿F(xiàn)對教學(xué)效果的反饋。傳統(tǒng)的線下教學(xué)方式，難以掌握全體學(xué)生的學(xué)習效果并進行統(tǒng)計分析，特別是在課堂學(xué)生數(shù)量較多時，需要占有大量的課堂時間進行統(tǒng)計分析，缺乏可行性。

（二）學(xué)生難以理解復(fù)雜抽象的動力學(xué)過程

“地下水動力學(xué)”課程的核心教學(xué)內(nèi)容是通過數(shù)學(xué)模型描述地下水流和污染物的運移過程。教學(xué)過程涉及眾多類型的數(shù)學(xué)模型，如不同類型的含水層、不同類型的抽水井等，且多為高階的偏微分方程。這些數(shù)學(xué)模型的解通常具有復(fù)雜、非線性的表達形式，學(xué)生難以直接觀察到這些數(shù)學(xué)模型及其解的性質(zhì)與特征，這是教學(xué)的難點。因此，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生難以將這些數(shù)學(xué)模型與實際條件下的地下水運移過程對應(yīng)起來進行理解。同時，采用多媒體技術(shù)可以展示數(shù)學(xué)模型及其解的部分特點，但這種教學(xué)方法具有單向性和片面性，難以互動，并且可展示的信息有限。由于無法互動反饋，只能被動接受，學(xué)生難以直觀、深刻地理解復(fù)雜數(shù)學(xué)模型背后蘊含的地下水運動機理，不利于學(xué)習思維的拓展。

（三）難以充分利用多元化的教學(xué)資源

隨著筆記本電腦、智能手機等電子產(chǎn)品的迅速普及，以及高速光纖、5G通信等技術(shù)的快速發(fā)展，慕課、微課、開放網(wǎng)絡(luò)視頻等互聯(lián)網(wǎng)資源具有了信息多樣、獲取便捷、操作簡單等特點，已經(jīng)成為傳統(tǒng)教學(xué)方式的重要補充。同時，隨著學(xué)科發(fā)展的日新月異，教師或教學(xué)團隊無法全面掌握與課程內(nèi)容相關(guān)的前沿動態(tài)。特別是對于“地下水動力學(xué)”課程，教學(xué)內(nèi)容涉及的知識點大多為當前研究熱點，如非達西流理論、反常溶質(zhì)運移理論、非飽和地下水運動等。因此，選用國內(nèi)外學(xué)術(shù)同行的慕課，或高質(zhì)量教學(xué)、科普視頻，或最新的科學(xué)研究成果，可以作為本教學(xué)團隊教學(xué)資源的有效補充，并且能夠開闊學(xué)生的專業(yè)視野和學(xué)習思路。

（四）難以應(yīng)對新冠肺炎疫情防控要求下的授課要求

隨著新冠肺炎疫情在全球的暴發(fā)，疫情防控已成為現(xiàn)階段社會各級單位的重要任務(wù)。高校作為學(xué)生的聚集場所，生源通常來自全國各地，對新冠肺炎疫情防控有著更為嚴格的要求。在新學(xué)期的開始階段（多達數(shù)周至數(shù)月），通常采用線上教學(xué)方式，返校后期采用線下教學(xué)方式。采用錄播或直播等方式簡單地將線下教學(xué)模式搬到線上，脫離線下的教學(xué)環(huán)境，很難持續(xù)吸引學(xué)生的注意力。同時，在線上環(huán)境下，教師難以直接觀察到學(xué)生的學(xué)習狀態(tài)，互動效果不佳，容易導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。

二、“地下水動力學(xué)”線上線下混合教學(xué)模式建設(shè)

線上線下混合式教學(xué)最早由Cooney等人于2000年提出［6］，至今，已廣泛應(yīng)用于全球范圍內(nèi)不同階段、不同行業(yè)的教育實踐中。據(jù)調(diào)查［7］，71%的美國教師在教學(xué)中使用線上線下混合式教學(xué)手段。線上線下混合式教學(xué)已經(jīng)成為高等教育重要的教學(xué)手段及未來的發(fā)展趨勢［8］。

針對“地下水動力學(xué)”課程內(nèi)容的特點及授課對象，結(jié)合已有的教學(xué)資源，本教學(xué)團隊的“地下水動力學(xué)”線上線下混合教學(xué)模式建設(shè)可分為以下幾個部分。

（一）基于在線教學(xué)移動平臺的互饋式課堂教學(xué)

采用在線教學(xué)移動平臺“教學(xué)立方”，掌握學(xué)生在課前、課中、課后的學(xué)習效果。（1）在課前發(fā)布與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的學(xué)習資料（PPT、視頻等），并督促學(xué)生進行課前預(yù)習，并通過平臺監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習情況，如點擊次數(shù)、觀看時間等。（2）在平臺預(yù)先設(shè)計與教學(xué)重點和難點相關(guān)的測試題目，在教學(xué)過程中擇機進行課堂小測并設(shè)置測試時間（通常為1～2分鐘），隨后統(tǒng)計學(xué)生的測試成績，以了解學(xué)生對重要知識點的理解和掌握情況。根據(jù)測試統(tǒng)計結(jié)果進行針對性講解。（3）課堂教學(xué)結(jié)束后，在平臺發(fā)布課后作業(yè)并設(shè)置提交時間（通常為1～3天），以拓展教學(xué)內(nèi)容并鞏固教學(xué)成果，并根據(jù)作業(yè)的完成情況進行針對性講解。同時，利用微信群、QQ群等即時通信工具，與學(xué)生交流討論學(xué)習過程中的各種問題，確保不留疑點。

（二）基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的主動式探索學(xué)習

采用本教學(xué)團隊研發(fā)的2018年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目“地下水中污染物運移過程虛擬仿真實驗教學(xué)”，以及2021年度江蘇省高等學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)項目“地下水污染修復(fù)的多目標優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗”，引導(dǎo)學(xué)生主動探索學(xué)習。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺針對實際復(fù)雜條件下的地下水污染物運移過程模擬、關(guān)鍵影響因素識別及修復(fù)方案設(shè)計等內(nèi)容，通過交互式操作引導(dǎo)學(xué)生進行探索學(xué)習。這些教學(xué)內(nèi)容屬于“地下水動力學(xué)”課程的教學(xué)重點和難點，通常需要較多的課時來學(xué)習，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式效率不高。

進入“地下水中污染物運移過程虛擬仿真實驗”教學(xué)平臺后，首先了解研究背景、基本水文地質(zhì)條件等信息。其次操作建立地下水流模型系統(tǒng)，包括邊界條件、參數(shù)、源匯項、模擬時間等；操作建立污染物運移模型系統(tǒng)，包括邊界條件、泄漏量、污染物濃度、參數(shù)、模擬時間等；運行建立的模型系統(tǒng)，觀察得到的結(jié)果，包括地下水流場、污染物濃度場分布等。最后通過改變模型的設(shè)置條件，觀察條件（模型參數(shù)）變化對模擬結(jié)果的影響，從而認知地下水污染物運移過程的關(guān)鍵影響因素。完成習題后，提交實驗報告，分析實驗結(jié)果。

該教學(xué)平臺的主動式探索學(xué)習特點體現(xiàn)在以下幾方面：（1）根據(jù)課程前期的地下水動力學(xué)理論基礎(chǔ)，逐步進行地下水流模型和污染物運移模型的構(gòu)建；（2）根據(jù)對水文地質(zhì)參數(shù)和模型邊界條件的理解，自行進行模型參數(shù)的取值設(shè)置；（3）通過設(shè)置不同的參數(shù)取值，分析模擬結(jié)果（地下水位、污染物濃度）的變化，識別污染物運移過程的關(guān)鍵影響因素；（4）通過整理實驗操作過程和分析實驗結(jié)果，撰寫實驗報告，提升對地下水污染物運移動力學(xué)過程的理解。

（三）多元化教學(xué)資源的有機結(jié)合

中國大學(xué)MOOC（慕課）、國家精品課程等在線課程資源豐富多樣，獲取方式簡單快捷。針對一些教學(xué)難點，充分利用國內(nèi)外精品教學(xué)資源，不僅能開闊學(xué)生的視野，還可以豐富教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。

積極拓展線下教學(xué)資源，將課堂搬到室外。地下水動力學(xué)的研究對象是自然界的現(xiàn)象，傳統(tǒng)課程教學(xué)缺乏對自然現(xiàn)象的直觀觀察?；谝巴鈱I(yè)實習基地、校內(nèi)監(jiān)測臺站等，通過實踐操作環(huán)節(jié)提高學(xué)生對自然現(xiàn)象的認識，加強專業(yè)理解。

針對一些難以直觀理解的復(fù)雜公式或復(fù)雜的參數(shù)、變量變化規(guī)律，利用專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的先進技術(shù)，通過案例模擬的方式進行講授和演示。例如，承壓含水層完整井非穩(wěn)定地下水運動中，水頭下降速度隨時間呈先增大后減小的規(guī)律，過程中存在一個臨界點（拐點）。若根據(jù)拐點理論公式，則難以直觀理解該過程，存在一定的學(xué)習難點問題。通過設(shè)計簡單案例進行仿真模擬，通過模擬結(jié)果直接顯示圖形。模擬結(jié)果直觀地顯示了拐點的概念，容易被學(xué)生理解。

（四）全過程多元化的綜合測評方式

通過“教學(xué)立方”平臺統(tǒng)計課前預(yù)習記錄、課堂小測完成記錄和課后作業(yè)完成記錄，并結(jié)合平時的考勤記錄、期中考試成績及期末考試成績，分別給這些記錄設(shè)置一定的權(quán)重，實現(xiàn)在課程教學(xué)全過程中多方位、多元化的綜合測評。綜合測評分數(shù)（S）由三部分組成，分別為平時測評分數(shù)（S1）、期中測評分數(shù)（S2）、期末測評分數(shù)（S3），S為這三部分的加權(quán)和，S、S1、S2、S3均為百分制。

平時測評分數(shù)S1由四部分組成，分別為考勤分數(shù)（S11）、課前預(yù)習綜合測評分數(shù)（S12）、課堂小測綜合測評分數(shù)（S13）及課后作業(yè)綜合測評分數(shù)（S14），S1為這四部分的加權(quán)和，S11～S14均為百分制。S12表示課前預(yù)習所有知識點完成情況的平均值，S13表示課堂小測所有知識點完成情況的平均值，S14表示課后作業(yè)所有知識點完成情況的平均值。

需要說明的是，在進行綜合測評分數(shù)（S）計算過程中所涉及的所有權(quán)重，均可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

結(jié)語

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，以及在社會的新形勢下，線上線下混合式教學(xué)成為高等學(xué)校教學(xué)改革的方向。針對傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，通過線上教學(xué)移動平臺實現(xiàn)了互饋式課堂教學(xué)，基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺引導(dǎo)學(xué)生進行了主動探索學(xué)習，同時有機整合多元化的線上線下資源進行針對性的拓展教學(xué)，采用全過程多元化的綜合測評方式評價了學(xué)生的學(xué)習效果?；谶@些探索舉措，克服并接受新形勢下的教學(xué)困難和挑戰(zhàn)，緊抓“地下水動力學(xué)”課程的教學(xué)重點，化解教學(xué)難點，引導(dǎo)學(xué)生主動探索，開闊專業(yè)視野，實現(xiàn)教學(xué)全過程全方位的成效評估、互饋和提升。