工程實例教學在水文地質學基礎課程中的應用

孫蓉琳 梁杏 郭會榮 汪丙國 羅明明

摘 要：水文地質學基礎課程講述地下水科學的基本概念、原理和方法，理論性和綜合性強。文章提出將工程實例引入到課程教學中，就工程實例教學內容的來源，課堂中的“適時”應用，教學過程中應注意的問題進行探討。實施工程實例教學，既可以幫助學生掌握水文地質學基本概念，深入理解課程重點，又可以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣，培養(yǎng)學生應用水文地質知識解決工程問題的能力。好的應用效果要求教師精心選取工程實例，細心設計教學過程。

關鍵詞：工程實例;水文地質學基礎;課程教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）19-0107-04

Abstract： The course of Fundamentals of Hydrogeology mainly covers the basic concepts， principles and methods of groundwater science， which is theoretical and comprehensive. In this paper， the engineer case teaching is introduced into the course teaching. The source of engineering cases， the timely quotation in the course teaching， and the items that should be paid more attention to during the case teaching are discussed. The implementation of engineering case teaching can not only help students master the basic concepts of hydrogeology， deeply understand the difficulties of knowledge， but also stimulate students' interest in professional learning. Engineering case teaching requires teachers to carefully select engineering cases and design the teaching process.

Keywords： engineering case; Fundamentals of Hydrogeology; course teaching

水文地質學基礎是中國地質大學（武漢）國家一流本科專業(yè)地下水科學與工程、水文與水資源工程、環(huán)境工程的專業(yè)基礎課，也是地礦類高校多個非水文地質專業(yè)的必修課。課程教學使學生能夠在深入理解地下水形成、賦存、運動、水化學、動態(tài)均衡等水文地質學的基本概念和原理的基礎上，初步掌握水文地質問題的分析方法，知識性和實踐能力性并重。張人權指出概念是學科發(fā)展的基石，控制性實驗是探索自然本質的重要途徑，向工程領域延伸是學科發(fā)展的要求[1]。

多年來，主講教師和選修的學生普遍反映：課程涉及的水文地質學基本概念與原理，從字面上理解并不困難，但是，深入掌握并靈活運用頗不容易。這是由于初學者對地下水缺乏感性認識，同時課程本身理論性和綜合性比較強，只有反復練習，結合實際水文地質問題增加實例教學才能深入理解[2]。課程小組在多年的教學改革及教學實踐中發(fā)現(xiàn)，精心準備并適時引用工程實例教學，不僅可以幫助學生理解教學中的重點和難點，還可以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣，讓學生體會到水文地質學研究在社會中的實際應用價值，樹立工程意識，從而提高學生的綜合素質。

本文著重探討教學中工程實例的來源，舉例說明在課程教學過程中如何“適時”應用工程實例，總結教學實踐過程中應該注意的問題。

一、工程實例教學

（一）工程實例教學的優(yōu)點

工程實例教學是指將滿足教學需求、反映教學內容的工程實例引入到課程教學中，結合工程實例對課程中相關知識點進行有針對性地講授，充分發(fā)揮學生的主體地位，促使學生主動學習相關知識、分析問題和解決問題[3]。目前工程實例教學已經(jīng)在很多專業(yè)課程中得到了廣泛應用[4-5]。這種教學能很好地將理論聯(lián)系實際，做到課堂教學和課外實踐有機結合，有效提高課堂教學效率，發(fā)揮任課老師的主觀能動性，提高學生的專業(yè)學習興趣。

工程實例并非隨意拈來的例子，高質量的實例是教學成功的關鍵。實例可以是針對某個知識點，或是將相對零散的知識點緊密地聯(lián)系起來，便于學生對知識點的整體把握[6]。作為工程應用性很強的專業(yè)課程，相關的工程實例非常豐富。教師在選擇工程實例時，應考慮其既滿足教學大綱與課程進度的需求，又有助于學生在日后的工作與學習中運用水文地質學基礎知識，同時更要有助于提高學生解決工程實際問題的能力[7]。

（二）工程實例的來源

工程實例可以是新聞中和身邊的有關課程內容的新鮮事物、前沿知識、工程實例（成功的、失敗的、令人鼓舞的、令人震撼的）[8]。當代水文地質學，由以往的解決局部性生產實際問題，轉向長期性、全局性、可持續(xù)發(fā)展的課題。以地下水流系統(tǒng)理論為核心框架，構建人和自然協(xié)調的與良性循環(huán)的地下水流系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、地質環(huán)境系統(tǒng)、地質工程系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)，成為當代水文地質學的終極目標。在這樣的學科發(fā)展背景下，選取有重大社會影響的工程實例綜合展示有關的水文地質概念，可以激發(fā)學生們的專業(yè)學習熱情。

工程實例可以是學生以往課程中熟悉的工程場景。水文地質學基礎授課的對象是大三本科生，他們經(jīng)歷過大一為期兩周的北戴河地質認識實習，大二為期四周的周口店地質教學實習，許多教學內容記憶深刻。這兩次野外實習路線中的部分內容可以用來作為課程實例教學內容，在第3章巖土中的空隙與水，第11章孔隙水，第12章裂隙水和第13章巖溶水等章節(jié)中的教學過程中適時應用（表1）。

工程實例可以是老師在科學研究過程中積累的科研項目?？蒲惺墙虒W的“源頭活水”，對科研的關注使教師能夠及時將最前沿的學術成果充實到課堂中，可以拓展學生的思維。將科研項目中與課程教學知識點高度相關的工程實例引入課堂，能夠引起學生對理論學習的重視，讓學生對知識的應用有切身的體會，感到確實學有所用。

二、工程實例教學在水文地質學基礎課程中的應用

（一）利用社會關注的工程實例在序言中激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣

每一門課，尤其是專業(yè)基礎課，序言部分很重要。序言部分宛如人的第一印象，序言講得生動有趣，對激發(fā)學生好奇心和學習積極性可以起到事半功倍的作用。水文地質學基礎作為地下水科學與工程、水文與水資源工程的第一門專業(yè)基礎課，面對的是對專業(yè)充滿好奇心的學生，不僅要講述課程的重要性，也要向學生介紹專業(yè)研究及應用前景以激發(fā)學生的學習興趣，增強學生學習的使命感和責任感。序言在講述地下水的五個功能時，可以列舉一些大型工程實例或社會關注的焦點問題，切入水文地質專業(yè)研究的作用，教學效果比較好。如講述到“地下水是活躍靈敏的生態(tài)環(huán)境因子”這一功能時，可以列舉一些工程實例，說明地下水變化對生態(tài)環(huán)境的影響。

以我國甘肅民勤縣超采地下水導致綠洲變沙漠為例。民勤盆地是典型的荒漠綠洲，歷史上是一個水草豐盛、環(huán)境優(yōu)美的地方。20世紀50年代，上游石羊河修建紅崖山水庫，蓄水導致地表水徑流量減少，原本依靠地表水灌溉的民勤盆地轉為抽取地下水進行灌溉。特別是進入70年代以后，大量超采地下水，地下水位普遍下降，引發(fā)了湖泊萎縮、干涸、天然植被枯萎死亡、土地沙漠化等一系列生態(tài)問題[9]。教師在介紹這些背景資料時，可以展示地下水位持續(xù)下降的水位動態(tài)曲線圖、青土湖早些年風光迤邐和完全干涸后的照片，可對學生形成強烈的視覺沖擊，加深學生理解地下水的功能（圖1）。

這一工程實例的引入，可以使學生了解人類活動引起的全球或大區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化問題，激發(fā)學生對人類命運共同體的認識，更增進他們利用自己的專業(yè)為社會服務的使命感。在引入工程實例的同時，也可以提問學生，位于干旱半干旱地區(qū)的民勤盆地為何歷史上是一個綠洲？其天然水文地質條件是怎樣的？如何判斷地下水是否處于超采狀態(tài)？在美麗中國的視域下，如何做才可以改善或恢復生態(tài)環(huán)境？這樣的懸念，可以吸引學生進入后續(xù)的章節(jié)內容學習，主動在課下檢索文獻，收集實例背景資料，學習有關水文地質的知識。

（二）引入學生熟悉的工程實例和教師的科研項目加深對教學中重點和難點的理解

水文地質學基礎課程難點在于同學們對于基本概念、理論和方法的理解與運用，涉及到部分機理與作用方式的影響因素分析，以及對所學知識的綜合運用。如課程第11章、12章和13章有關孔隙水、裂隙水和巖溶水的章節(jié)內容是對前面所學知識的綜合分析，涉及不同介質地下水運動的特征和差異，知識點多，應用性強，而課堂學時有限。引入工程實例可以讓學生既能有效認識和理解野外實際不同介質中地下水的基本特點，又能夠深入掌握當前的研究現(xiàn)狀和趨勢。本文以第12章裂隙水的部分知識點教學為例，探討不同來源的工程實例教學在課堂教學中的實施過程和效果。

1. 引入學生熟悉的周口店地質教學路線中的工程實例

裂隙水章節(jié)比較重要的知識點是構造裂隙發(fā)育規(guī)律的影響因素。構造裂隙的張開寬度、延伸長度、密度，以及由此決定的導水性等，很大程度上受巖層性質（巖性、單層厚度、相鄰巖層的組合情況等）的影響。其中“巖層的單層厚度決定層面裂隙的密集度，從而決定其他各組裂隙的發(fā)育程度。單層厚度越薄，層面裂隙越密集，次生應力分布均勻，因此單層沉積巖中的脆性巖層裂隙密集而均勻;巨厚或塊狀巖層，次生應力集中釋放，裂隙稀疏而不均勻”（圖2）。教學過程中如果單純按照課本的總結內容進行講述，太過抽象，學生只能死記硬背，被動接受。

教師通過圖片或視頻快速展示周口店八角寨-拴馬樁地層觀察路線內容，然后提問學生：“該路線中鐵嶺組白云巖地層有何特點？”同學們對鐵嶺組上、中、下三段地層的特點都有深刻的印象，可概括為“兩白夾一黑、兩整夾一碎、兩厚夾一薄”（圖3）?！昂瘛焙汀氨　敝傅氖菐r層的結構，反映巖層的厚度變化?！罢敝傅氖菐r石比較完整，“碎”指的是巖石比較破裂，反映構造裂隙的發(fā)育程度。巖層“厚”的地層，巖石完整，構造裂隙不發(fā)育;“薄的地層”，巖石破碎，構造裂隙發(fā)育。通過引入學生熟悉的周口店野外地質教學中的工程實例，既吸引了學生的注意力，使學生有很強的代入感，又很好地詮釋了教學中的知識。

2. 引入科研項目，使學生了解野外刻畫裂隙的手段和裂隙水的研究現(xiàn)狀

構造裂隙具有明顯而又比較穩(wěn)定的方向性，這種方向性主要由構造應力場控制，不同巖層在同一構造應力場下形成的裂隙通常具有相同或相近的方向，一般在一個地區(qū)巖層中的主要裂隙可劃分為3～5組。課堂教學中，教師引入了四川某水電站地下水滲流研究的工程實例。教師先展示野外裂隙測量的工作照片，簡要介紹野外裂隙測量方法和裂隙統(tǒng)計過程，呈現(xiàn)裂隙統(tǒng)計結果（裂隙產狀極密度等值線圖，如圖4所示），發(fā)現(xiàn)構造裂隙可以分為四組。

為促進學生對裂隙網(wǎng)絡系統(tǒng)中“大裂隙在傳輸?shù)叵滤衅鹂刂谱饔谩边@一知識點的理解。作者在教學中展示了水電站勘探平硐中的主導大裂隙不斷滴水，而其他地方干燥的多張照片，學生能夠從感性上認識到不同尺度的裂隙在地下水運動中所起的作用。

作者最后展示了廠房區(qū)小尺度離散裂隙網(wǎng)絡的生成結果、壩址區(qū)大尺度等效連續(xù)介質模型的地下水滲流數(shù)值模擬結果，使得學生對等效連續(xù)介質模型和離散裂隙網(wǎng)絡模型的基本原理和適用條件有了基本的認識。

三、工程實例教學在課程實踐中應注意的問題

（一）工程實例教學的手段多樣

水文地質學基礎課程教學內容多，受學時的限制，教師不可能花大量的時間對所列舉的工程實例背景進行詳細的介紹，需要采用科學的教學手段。對于一些較小的實例，可以采用簡單的口頭描述輔以照片。但是對于復雜的案例，則需要借助精簡的錄像、圖片等多媒體技術，對工程實例的內容高度凝練[11-12]。因此教師在參加野外研究工作時，應有意識地選擇一些典型水文地質現(xiàn)象素材與課程教學結合起來，拍攝小視頻或照片，將大量的地質圖件和分析結果以圖片形式向同學展示，可提高教學效率。

（二）精心選取工程實例，設計教學過程

水文地質學基礎理論的應用涉及水文地質、工程地質、環(huán)境地質等多個應用型學科。但學時有限，不可能將工程實例所有涉及的知識點都介紹給學生，要充分考慮到學生的專業(yè)基礎和接受能力。根據(jù)教學進度和教學目標，把握學生對基本理論知識的掌握程度，精心組織教學過程，保證精選出來的工程實例能說明相關的教學知識點。

（三）實施啟發(fā)式和問題式教學

啟發(fā)式教學和問題式教學在工程實例教學過程中可以得到很好的實施，有助于培養(yǎng)學生主動思考問題和分析問題的能力，避免“滿堂灌”和“填鴨式”。這要求教師精心設計教學過程。講授重點、基礎、關鍵，適當提出問題，注意教學過程中學生的反饋，分析學生可能的答案，注重引導學生從基本原理引出具體結論，達到“以少變多、以少勝多”的效果。對于復雜工程實例的引入要能對多個知識點進行串講，提高學生綜合分析水文地質問題的能力。

四、結論與展望

工程實例教學作為溝通現(xiàn)實世界與學習世界的橋梁，在水文地質學基礎課程教學中起著重要的作用，通過引入工程實例，將教師課堂所講授的理論與實踐有機結合起來，既能幫助學生理解教學過程中的重點和難點，又能充分調動學生的專業(yè)學習興趣。

但是工程實例教學對教師也提出了更高的要求。由于水文地質學基礎是專業(yè)基礎課，幾乎涉及到地下水科學的所有方面，要求教師掌握的工程實例比較多，確保對每個引入的實例必須吃透。例如孔隙水、裂隙水和巖溶水三類地下水的特點和差異，教師盡可能對每一類介質地下水的科學研究項目都有所涉及，通過參加科研課題積累豐富的工程實例，精心選取教學材料，這樣才能在教學中游刃有余，對學生提出的各種問題都能較好解決，并能對學生加以引導，提高其分析實際水文地質問題的能力。

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基金項目：中央高校教改基金專項資金“地下水科學與工程專業(yè)國際化辦學模式探索與實踐”（ZL201812）;中國地質大學（武漢）教學研究項目“《水文地質學基礎》課堂授課、實驗實習與課程設計一體化的改革研究與實踐”（2019A09）

作者簡介：孫蓉琳（1979-），女，漢族，湖北襄陽人，博士，副教授，研究方向為水文地質與環(huán)境地質的教學和研究。