水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐*

孫文潔，楊文凱，董東林，林 剛，曠 達(dá)，李 軍

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

水文地質(zhì)學(xué)是一門研究地下水的科學(xué)，是地質(zhì)學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科，在地下水資源的評(píng)價(jià)、開發(fā)與利用以及各種工程建設(shè)中起到了極其重要的作用［1-2］.全國地質(zhì)和礦業(yè)類高校的地學(xué)專業(yè)（如地質(zhì)工程、地下水科學(xué)與工程、水文與水資源工程專業(yè)）均開設(shè)有水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程，除了中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）該課程為64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課有24學(xué)時(shí)之外［3］，大多數(shù)高校該課程均為48學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課4～8學(xué)時(shí).走訪調(diào)研表明，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少、經(jīng)費(fèi)缺乏、設(shè)備老化和教師不足等因素是影響實(shí)驗(yàn)課持續(xù)正常升級(jí)開展的主要障礙.為了培養(yǎng)滿足社會(huì)與專業(yè)領(lǐng)域需求的水文地質(zhì)人才，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）優(yōu)化了本科生課程體系，增加了實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)時(shí)間，即把水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)納入到地質(zhì)工程和資源勘查工程2個(gè)地學(xué)專業(yè)的水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)中.水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)成為水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)體系中必不可少的教學(xué)手段之一［4-10］.通過對(duì)水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，不僅可以加深學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)水平和創(chuàng)新思維能力，對(duì)課堂教學(xué)質(zhì)量的提高、培養(yǎng)方案預(yù)期目標(biāo)的完成以及創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)也起到了重要的推動(dòng)作用.

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

1.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

為提高水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，對(duì)其教學(xué)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行優(yōu)化管理和控制.依照實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括前期準(zhǔn)備、開展實(shí)施和考核評(píng)價(jià)3個(gè)階段，流程如圖1所示.

（1）前期準(zhǔn)備階段.發(fā)放實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)資料，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程預(yù)習(xí)，提前熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁?、原理、主要?nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器操作等，鞏固復(fù)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展實(shí)施做好準(zhǔn)備工作.

（2）開展實(shí)施階段.指導(dǎo)老師進(jìn)行課堂出勤和預(yù)習(xí)情況考核；學(xué)生組隊(duì)分工協(xié)作，自主完成實(shí)驗(yàn)儀器操作，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定與結(jié)果分析等工作；教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和答疑，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考；學(xué)生編寫提交實(shí)驗(yàn)成果表、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及相關(guān)圖件.

（3）考核評(píng)價(jià)階段.任課教師根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展實(shí)施階段各方面的綜合表現(xiàn)，如課堂出勤和預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)儀器操作情況和實(shí)驗(yàn)成果報(bào)告等，最終給定學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)并進(jìn)行評(píng)價(jià).

1.2 豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

圖1 水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)流程

2016版水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括巖土水理性質(zhì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)、達(dá)西實(shí)驗(yàn)、毛細(xì)上升高度測(cè)定實(shí)驗(yàn)和間歇泉成因演示實(shí)驗(yàn).這些實(shí)驗(yàn)均為傳統(tǒng)的驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)，因而無法培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力.為實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)方案目標(biāo)要求，學(xué)校大規(guī)模引入了先進(jìn)的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，并對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理設(shè)置，在2020版實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)講義中增加了潛水和承壓水模擬演示實(shí)驗(yàn)、入滲和地下水滲流實(shí)驗(yàn)以及綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力.

（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn).此類實(shí)驗(yàn)包括驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)，主要是讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能.主要包括巖土水理性質(zhì)測(cè)定、達(dá)西實(shí)驗(yàn)、毛細(xì)上升高度測(cè)定、潛水和承壓水模擬演示、入滲和地下水滲流以及間歇泉成因演示實(shí)驗(yàn)等.其中：巖土水理性質(zhì)測(cè)定主要讓學(xué)生掌握室內(nèi)測(cè)定容水度、給水度和持水度的方法；間歇泉成因演示主要是要求學(xué)生掌握間歇泉形成的必要條件和主要影響因素；達(dá)西實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生加深認(rèn)識(shí)達(dá)西定律，掌握室內(nèi)測(cè)定巖土滲透系數(shù)的方法.此類實(shí)驗(yàn)是后續(xù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)和前提.

（2）綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).此類實(shí)驗(yàn)主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合分析解決實(shí)際問題的能力和三維空間想象能力.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要為流場(chǎng)模擬和涌水量預(yù)測(cè).優(yōu)選幾個(gè)典型煤礦地層資料供學(xué)生自由選擇，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立操作和實(shí)施，測(cè)定實(shí)驗(yàn)相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)和數(shù)據(jù).利用Visual Modflow專業(yè)軟件進(jìn)行三維數(shù)值建模，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)設(shè)定和賦值，最后進(jìn)行地下水流場(chǎng)模擬或礦井涌水量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，完成綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).此類實(shí)驗(yàn)主要提高學(xué)生綜合分析問題和應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

（3）創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn).此類實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和能力.水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)行全面開放式管理，學(xué)生可以申請(qǐng)到實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn).學(xué)生自擬題目、參與創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目或者導(dǎo)師科研項(xiàng)目，從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理，不斷地進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)一步培養(yǎng)提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手實(shí)踐能力.

1.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

在傳統(tǒng)的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，教師在實(shí)驗(yàn)課堂上進(jìn)行理論知識(shí)講解和實(shí)驗(yàn)操作示范，學(xué)生依照實(shí)驗(yàn)步驟機(jī)械性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作.整個(gè)教學(xué)過程中，教師占據(jù)主導(dǎo)地位，學(xué)生缺乏思考，不僅存在著“齊步走”“一鍋端”的模式化弊端，一定程度上也限制了學(xué)生綜合分析問題能力和創(chuàng)新思維能力的發(fā)揮.因此，可采用以下方式提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量.

（1）采用激勵(lì)式教學(xué)方式，強(qiáng)化學(xué)生的主導(dǎo)地位.實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，首先要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生自主完成方案設(shè)計(jì)、前期準(zhǔn)備、操作實(shí)施和數(shù)據(jù)分析處理等工作，老師僅在實(shí)驗(yàn)過程中提供指導(dǎo)和答疑.充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，及時(shí)給予學(xué)生肯定和鼓勵(lì)，引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生綜合表現(xiàn)情況進(jìn)行考核評(píng)價(jià).

（2）采用多媒體等現(xiàn)代化教學(xué)手段.水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，應(yīng)采取板書與多媒體相結(jié)合的教學(xué)方式，利用多媒體制作相關(guān)視頻和動(dòng)畫，通過可視化的方式將抽象知識(shí)具體化和形象化.例如，進(jìn)行流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，地下三維空間模型的構(gòu)建和建立是個(gè)難題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)進(jìn)行多媒體動(dòng)態(tài)演示，不僅便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解，還能夠進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效率.此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能僅停留在實(shí)體模型上，還可開展基于軟件模擬預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，如利用Visual Modflow數(shù)值模擬軟件進(jìn)行流場(chǎng)模擬和涌水量預(yù)測(cè)，從而提升課堂教學(xué)質(zhì)量.

（3）邀請(qǐng)校外企業(yè)專家授課.進(jìn)行水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，指導(dǎo)老師由校內(nèi)老師和校外企業(yè)專家共同擔(dān)當(dāng)，特別是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn).其中，校內(nèi)老師主要進(jìn)行專業(yè)理論知識(shí)的指導(dǎo)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的校外企業(yè)專家側(cè)重于實(shí)際問題和綜合設(shè)計(jì)方面的授課.理論知識(shí)與實(shí)際問題相結(jié)合，有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合分析解決問題的能力.

（4）因材施教，施行科學(xué)專業(yè)的個(gè)性化引導(dǎo).除必修的實(shí)驗(yàn)課之外，學(xué)生可以根據(jù)興趣和能力在提供的自選實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行選擇.任課教師在了解學(xué)生實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，因材施教，提出合理的建議和專業(yè)的指導(dǎo)，充分挖掘發(fā)揮學(xué)生的潛力.此外，針對(duì)科研興趣和科研能力較強(qiáng)的學(xué)生，可以讓其參與老師的科研項(xiàng)目，并不斷進(jìn)行科學(xué)專業(yè)的個(gè)性化引導(dǎo)，提高學(xué)生的科研水平和素養(yǎng).

1.4 完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核主要以提交的實(shí)驗(yàn)成果表和實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)單一，考核機(jī)制不夠嚴(yán)謹(jǐn)客觀，忽略了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的表現(xiàn).為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)方案預(yù)期目標(biāo)，目前主要實(shí)行“實(shí)驗(yàn)過程考核與結(jié)果評(píng)價(jià)相結(jié)合、團(tuán)隊(duì)考核與個(gè)人評(píng)價(jià)相融合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核機(jī)制.評(píng)價(jià)指標(biāo)包括出勤和預(yù)習(xí)情況、團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況、實(shí)驗(yàn)儀器操作、數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)成果與報(bào)告等，對(duì)于綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，還要考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可行性.成績(jī)考核包含：課堂考勤和預(yù)習(xí)情況（10%）、實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作（10%）、實(shí)驗(yàn)方案可行性（10%）、實(shí)驗(yàn)儀器操作與數(shù)據(jù)分析（30%）、實(shí)驗(yàn)成果與報(bào)告（40%）5個(gè)部分，得出實(shí)驗(yàn)課成績(jī).實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核機(jī)制的完善，不僅增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程控制，也一定程度上促進(jìn)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí).

2 結(jié)束語

水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)是水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)體系的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、豐富教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、完善考核機(jī)制等方式進(jìn)行了水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與改革.實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)增設(shè)學(xué)生自主設(shè)計(jì)內(nèi)容，通過入滲和地下水滲流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際操作，理解地下水的滲流過程和流速、流量的變化，并在Visual Modflow建模綜合設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)三維數(shù)值模擬.邀請(qǐng)中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院、中國地質(zhì)科學(xué)院、北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站等單位的專家進(jìn)校給學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐指導(dǎo)，提高了學(xué)生應(yīng)對(duì)實(shí)際問題的分析能力和綜合設(shè)計(jì)水平.