基于新工科理念的《地下水動力學(xué)》課程教學(xué)改革

羅建男 辛欣

摘要：自“新工科”提出以來，引起了高等教育界的廣泛重視。作為傳統(tǒng)工科地下水科學(xué)與工程及水文與水資源工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，《地下水動力學(xué)》課程急需做出改革，以適應(yīng)新工科的要求。該文從《地下水動力學(xué)》的課程特點出發(fā)，針對教育部提出的新工科理念，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，對《地下水動力學(xué)》課程教學(xué)中存在的問題進行深入分析。針對課程教學(xué)中所存在的問題，提出了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、創(chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)、優(yōu)化考核方式等具體的教學(xué)改革的具體措施，力圖提高《地下水動力學(xué)》的教學(xué)效果，提高學(xué)生的工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：地下水動力學(xué)新工科教學(xué)改革教學(xué)內(nèi)容教學(xué)手段

中圖分類號：G642文獻標識碼：A??????? 文章編號：1672-3791（2022）05（a）-0000-00

Teaching Reform of Groundwater Dynamics Course Based on New? Engineering Education Concept

LUO Jiannan*XIN Xin

College of New Energy and Environment， Jilin University， Changchun， Jilin Province 130012， China

Abstract： The new concept of "New Engineering education" has attracted wide attention from higher education field. As the main professional course of groundwater science and engineering， and hydrology and water resources engineering， which are traditional engineering education， the course of Groundwater Dynamics is in urgent need of reform to meet the requirements of new engineering education. Based on the characteristics of the course of Groundwater Dynamics， aiming at the new engineering education concept， and combined with many years of teaching experience， this paper makes an in-depth analysis of the problems existing in the teaching of Groundwater Dynamics. In view of the problems existing in the course teaching， this paper proposes some concrete measures of teaching reform， such as optimizing teaching contents， enriching teaching methods， innovating teaching links and optimizing examination methods， in an effort to improve the teaching effect of Groundwater Dynamics and improve engineering practice ability of the students.

Key Words： Groundwater dynamics; New engineering education; Teaching reforms; Teaching contents; Teaching means

2017年，教育部針對“新工科”問題組織高校進行了深入討論，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》，奏響了人才培養(yǎng)主旋律，開拓了工程教育 改革新路徑。與老工科相比，“新工科”更強調(diào)學(xué)科的實用性、交叉性與綜合性。

自“新工科”提出以來，引起了高等教育界的廣泛重視，新能源科學(xué)與工程、資源循環(huán)科學(xué)與工程、機器人科學(xué)與工程、人工智能等一大批新專業(yè)開始在高校設(shè)立。新工科的建設(shè)不僅包括新興專業(yè)，還包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級與改造，傳統(tǒng)工科通過多年的積累，在師資隊伍、課程體系、實踐基地、社會影響力等方面均有明顯的優(yōu)勢，但囿于“路徑依賴”，傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級成為新工科建設(shè)的重點和難點。“新工科”的提出，引起了采礦工程、冶金工程、車輛工科[6]等大批傳統(tǒng)工科的高度的重視。

新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略型、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特點。作為傳統(tǒng)工科地下水科學(xué)與工程及水文與水資源工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，《地下水動力學(xué)》課程急需做出改革，以適應(yīng)新工科的要求，應(yīng)對國家之所需。

該文將從《地下水動力學(xué)》課程特點出發(fā)，結(jié)合新工科理念，對《地下水動力學(xué)》課程教學(xué)中存在的問題展開研究，提出具體的改革措施，力圖提高該課程的教學(xué)效果。

1《地下水動力學(xué)》課程教學(xué)研究現(xiàn)狀

《地下水動力學(xué)》是水文與水資源工程、地下水科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的主干專業(yè)課，是研究地下水在多孔介質(zhì)中運動規(guī)律的科學(xué)，是對地下水從數(shù)量上和質(zhì)量上進行定量評價和合理開發(fā)利用，以及興利除害的理論基礎(chǔ)?！兜叵滤畡恿W(xué)》課程涉及大量的數(shù)學(xué)模型、微積分方程和數(shù)值計算方法，是一門難度較大且在工程技術(shù)領(lǐng)域非常實用的專業(yè)課程。在水文與水資源工程及地下水科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)中起到重要的作用。

近10年來，一些高校陸續(xù)開展了《地下水動力學(xué)》課程的教學(xué)改革研究。2010年，文章以中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）為例，從實驗設(shè)備、教學(xué)模式等方面對《地下水動力學(xué)》課程進行了教學(xué)改革與實踐[1]。2016年，鄭德鳳等以遼寧師范大學(xué)為例，從啟發(fā)式教學(xué)及數(shù)值仿真等方面對《地下水動力學(xué)》課程進行了教學(xué)模式改革與實踐[2]。2017年，霍思遠等以長江大學(xué)為例，對地下水動力學(xué)的考試形式及內(nèi)容進行了改革探索 。2021年，劉博等對地下水動力學(xué)的可視化教學(xué)問題進行了探索研究。但面對新工科新形式的《地下水動力學(xué)》課程教學(xué)改革研究還鮮有文獻報道。

自1952年設(shè)立水文地質(zhì)專業(yè)開始，《地下水動力學(xué)》就成為長春地質(zhì)學(xué)院水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)的核心課程。經(jīng)過多年的發(fā)展，吉林大學(xué)的《地下水動力學(xué)》課程在教學(xué)內(nèi)容方面不斷優(yōu)化，教學(xué)手段方面不斷豐富，已經(jīng)成為吉林省精品課程。但面對新工科建設(shè)的新形式，仍存在一些需要改善的問題。

2《地下水動力學(xué)》課程存在的問題

2.1 教學(xué)內(nèi)容方面理論推導(dǎo)過多，工程實踐化程度不夠

目前該課程的教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展和工程化需求對接不夠緊密，不能滿足新工程背景下的工程教育對教學(xué)內(nèi)容的新要求。

理論課程方面， 課程既包括嚴密推導(dǎo)的數(shù)學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)理論，也包括與工程實踐密切結(jié)合的實際應(yīng)用內(nèi)容。但在現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容中，學(xué)生普遍反映《地下水動力學(xué)》課程難學(xué)，難在理論基礎(chǔ)及公式推導(dǎo)較多，且公式推導(dǎo)過程較為復(fù)雜。而實際應(yīng)用方面的內(nèi)容雖有但是略顯不足，工程實踐化程度不夠。

實驗課程方面，現(xiàn)有實驗多為驗證性的物理實驗，只有2學(xué)時的aquifer test軟件求解水文地質(zhì)參數(shù)上機實驗。無論是研究機構(gòu)還是生產(chǎn)單位都迫切需要能夠熟練操作專業(yè)軟件的應(yīng)用型人才，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與計算機軟件的推廣使用，對地下水運動現(xiàn)象與規(guī)律進行數(shù)值模擬與虛擬仿真，具有通用性強、方便靈活、可重復(fù)性等特點，而且通過數(shù)值模擬與虛擬仿真可以得到許多在常規(guī)實驗室中難以短期觀測到的動態(tài)信息，可作為地下水動力學(xué)課程實驗教學(xué)的重要補充。有必要在《地下水動力學(xué)》課程中增加虛擬仿真實驗，增加學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代工具解決與專業(yè)相關(guān)的實際工程問題的能力。

2.2 教學(xué)方式缺乏創(chuàng)新性，學(xué)生參與感不強、主動性不高

現(xiàn)有的課堂教學(xué)多采用以教師為中心的“灌輸式”方法，雖然教師也經(jīng)常采用啟發(fā)式、互動式的方式與學(xué)生進行溝通，但是大部分學(xué)生的積極主動性明顯不足，學(xué)習(xí)愿望不夠強，多數(shù)學(xué)生是為了應(yīng)付期末考試而去學(xué)習(xí)。

傳統(tǒng)的布置作業(yè)模式是教師布置課后習(xí)題給學(xué)生做作業(yè)，然后教師批改作業(yè)，有一些同學(xué)抄襲其他同學(xué)的作業(yè)，而還有一部分學(xué)生即使有問題也不愿意主動與老師溝通交流[3]，不愿意請教老師的這種想法已經(jīng)在很多同學(xué)心中根深蒂固。隨著高等教育改革的不斷深入，現(xiàn)有的教學(xué)方法已不適應(yīng)新工科的培養(yǎng)要求，應(yīng)該探索新的方式激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)及本門課程的學(xué)習(xí)興趣、確保大部分學(xué)生都能積極參與到課程中來。

2.3 課程與其他課程及生產(chǎn)實習(xí)銜接不夠緊密

《地下水動力學(xué)》是在學(xué)習(xí)了《水力學(xué)》《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的，在課后作業(yè)及考試中發(fā)現(xiàn)有些同學(xué)對先修課程的學(xué)習(xí)不到位，如果不加以復(fù)習(xí)，將直接影響本課程的學(xué)習(xí)效果。同時，《地下水動力學(xué)》是《地下水?dāng)?shù)值模擬》《專門水文地質(zhì)學(xué)》《地下水資源管理》等許多其他課程的基礎(chǔ)課程。在現(xiàn)階段講授的過程中，課程內(nèi)容與其他課程內(nèi)容聯(lián)系不夠緊密。

《地下水動力學(xué)》不僅是很多專業(yè)課程的基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)實習(xí)中抽水試驗確定水文地質(zhì)參數(shù)的理論支撐。現(xiàn)有《地下水動力學(xué)》課程中只是理論上講授了利用抽水試驗資料求取水文地質(zhì)參數(shù)的方法，并且根據(jù)已抽水試驗數(shù)據(jù)資料對參數(shù)進行求解，但是學(xué)生對抽水試驗過程缺乏直接感官，不知道抽水試驗是如果進行的，這不利于理論與實際的連接。

2.4 考核評價體系單一

現(xiàn)有課程的考核方式為：成績由平時成績和期末考試成績組成。期末考試采用筆試閉卷的方式。閉卷考試存在著重理論輕應(yīng)用的弊端 [4]。另外，很多實際工程問題的解決需要的時間較長，兩個小時的期末考試很難完成。平時成績包括實驗課成績及平時作業(yè)。由于實驗報告及課后作業(yè)是在課堂以外完成的，部分同學(xué)抄襲別人的實驗報告及作業(yè)，實驗報告及課后作業(yè)難以體現(xiàn)出學(xué)生的真實水平。

現(xiàn)有的考核方式對學(xué)生的工程實踐能力及創(chuàng)新能力的考核達成度較低。為了適應(yīng)新工科對人才的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、溝通能力等方面的需求，急需豐富現(xiàn)有考核評價體系，通過合理的方式使考核內(nèi)容向工程實踐應(yīng)用能力方面轉(zhuǎn)變 [5]。

3 《地下水動力學(xué)》教學(xué)改革措施

3.1 優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容，增加工程實踐問題的講授，簡化過于復(fù)雜的公式推導(dǎo)

將教師在教學(xué)科研工作中遇到的典型案例納入教育內(nèi)容中，在學(xué)期初提出《地下水動力學(xué)》可以解決的典型工程實際問題，可以包括以下工程問題：（1）水庫滲漏量及浸沒范圍的預(yù)測問題;（2）根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)求水文地質(zhì)參數(shù)問題;（3）預(yù)測某種開采方案下的地下水動態(tài)問題;（4）礦山或隧道排水量預(yù)測問題;（5）確定灌排溝渠的合理間距、排灌水量問題;（6）地下水污染預(yù)測問題。使學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，在課程結(jié)束之前有效的解決學(xué)期初提出的工程實際問題。通過這個過程使得學(xué)生發(fā)現(xiàn)該門課程的重要之處，拓展其科研視野，增加其解決工程實踐問題的能力[6]。

簡化過于復(fù)雜的解析解推導(dǎo)過程，比如Thies公式的推導(dǎo)過程中包括復(fù)雜的積分變換，而解析解的推導(dǎo)過程不包含地下水運動的物理意義，對此類公式推導(dǎo)過程可省略，把更多的時間用來講授公式能夠解決的實際問題及應(yīng)用過程中需要注意的問題。而對于描述地下水運動規(guī)律的重要方程（比如承壓水運動的微分方程），在教學(xué)過程中應(yīng)該注意從物理意義（質(zhì)量守恒及能量轉(zhuǎn)化）方面對公式進行推導(dǎo)，提高學(xué)生對公式的理解能力，使之能夠更好地應(yīng)用于實際問題中[7]。

3.2 優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容，增加虛擬仿真實驗

實驗教學(xué)的優(yōu)化應(yīng)突出工程性、實踐性，著力培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，為以后的就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。增加虛擬仿真實驗，將科研中遇到的前沿工程問題引入課堂，應(yīng)用GMS（或Visual Modflow、或Feflow）地下水系統(tǒng)模擬軟件對地下水流動過程及溶質(zhì)運移過程進行數(shù)值模擬與動態(tài)預(yù)測，加強學(xué)生利用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜實際工程問題的能力，同時加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，使學(xué)生對看不見摸不著的地下水流動及污染物的運移過程有一個感性認識。提高學(xué)生對本專業(yè)及本課程的興趣及學(xué)習(xí)的積極性[8]。

3.3增加課程創(chuàng)新訓(xùn)練匯報環(huán)節(jié)

學(xué)生自行分組，以小組為單位完成課程創(chuàng)新訓(xùn)練匯報。學(xué)生可以在《地下水動力學(xué)》所能解決的水資源合理開發(fā)利用、水文地質(zhì)參數(shù)識別、礦山及基坑排水、農(nóng)業(yè)水利工程及環(huán)境地質(zhì)問題預(yù)測等問題中選擇一個方面的問題。選擇同樣選題的同學(xué)作為一個小組，通過本課程所學(xué)的知識，結(jié)合文獻檢索、解析法及數(shù)值法計算、PPT制作及匯報等，完成創(chuàng)新訓(xùn)練匯報環(huán)節(jié)。其他小組的同學(xué)可以有針對性地進行提問和討論，最后教師進行總結(jié)、歸納。通過此環(huán)節(jié)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，同時提高學(xué)生團隊合作以及語言表達能力。

3.4充分利用互聯(lián)網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)上布置作業(yè)及答疑

充分利用互聯(lián)網(wǎng)，利用超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等現(xiàn)代化在線教學(xué)手段，完成點名、課堂測驗、課后作業(yè)及答疑等環(huán)節(jié)。避免填鴨式的教學(xué)方式，充分提高學(xué)生的積極主動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[9]。

在網(wǎng)絡(luò)上布置預(yù)習(xí)內(nèi)容及作業(yè)，學(xué)生在網(wǎng)上提交作業(yè)，老師進行批改并及時將存在的問題反饋給學(xué)生。同時學(xué)生可以在網(wǎng)上隨時提問，這樣避免了部分靦腆的學(xué)生不好意思面對面問老師的問題，也在時間上更為靈活，老師不必坐在辦公室等待學(xué)生來答疑。對于學(xué)生提出的問題，第一輪可以由其他同學(xué)進行解答，這樣能夠同時增加學(xué)生提出問題及解決問題的能力[10]。如其他同學(xué)解答不了，由老師解答，便于老師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，及時指導(dǎo)學(xué)生，避免課堂45min時間有限的問題。

3.5 注重與其他課程及生產(chǎn)實習(xí)過程的銜接

課程設(shè)置上，充分考慮學(xué)生對《水力學(xué)》《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》等專業(yè)課的理解，如果學(xué)生理解程度不好，應(yīng)該對相應(yīng)內(nèi)容進行簡要復(fù)習(xí);而如果學(xué)生對先修課程掌握較好，則無須特意復(fù)習(xí)。同時在課程的講授過程中，告訴學(xué)生該課程對后續(xù)《地下水?dāng)?shù)值模擬》《專門水文地質(zhì)學(xué)》《地下水資源管理》《地下水溶質(zhì)運移理論》等課程的具體支撐作用。

在實驗課中，將抽水試驗求取水文地質(zhì)參數(shù)的理論內(nèi)容與生產(chǎn)實習(xí)中的抽水試驗過程有機結(jié)合，帶領(lǐng)學(xué)生觀摩抽水試驗場，使學(xué)生了解抽水試驗的目的及抽水試驗設(shè)計等內(nèi)容，并與水文地質(zhì)參數(shù)的求解方法融會貫通[11]。

3.6 優(yōu)化考核方式，形成多元化考評體系，著力培養(yǎng)應(yīng)用型人才

由以結(jié)果評價為主向結(jié)果過程評價結(jié)合轉(zhuǎn)變，側(cè)重考查學(xué)生的應(yīng)用能力。采取綜合的考核方法，除了原有的期末考試、實驗報告及平時作業(yè)外，增加工程實踐問題分析解決報告、創(chuàng)新訓(xùn)練匯報、網(wǎng)絡(luò)課程作業(yè)、理論課及實驗課表現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)上解決其他同學(xué)提問等內(nèi)容。

在期末考試中，將原有的閉卷考試改為半開卷考試，即將考試中要用到的一些公式給出，減少學(xué)生對公式的死記硬背。在作業(yè)及仿真實驗中，為了避免以往出現(xiàn)的部分學(xué)生抄襲別人作業(yè)的情況，針對不同的學(xué)生，設(shè)立不同的作業(yè)（例如：作業(yè)的數(shù)據(jù)與學(xué)號相關(guān)）。

4 結(jié)語

自“新工科”提出以來，引起了高等教育界的廣泛重視?！兜叵滤畡恿W(xué)》是傳統(tǒng)工科地下水科學(xué)與工程及水文與水資源工程專業(yè)的核心專業(yè)課程。結(jié)合新工科理念，提高《地下水動力學(xué)》課程的教學(xué)質(zhì)量對于培養(yǎng)高素質(zhì)的水文及水文地質(zhì)人才具有重要的意義。該文從課程特點出發(fā)，結(jié)合新工科理念，對《地下水動力學(xué)》課程教學(xué)中存在的問題進行了深入分析，并針對這些問題提出了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，創(chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)，優(yōu)化考核方式等具體的教學(xué)改革措施，力圖提高《地下水動力學(xué)》課程的教學(xué)效果，提高學(xué)生的工程實踐能力。

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