強(qiáng)化實(shí)踐能力的環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)模式探索

劉 瑩

（山東大學(xué)，濟(jì)南 250100）

環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)是研究自然環(huán)境中水與地質(zhì)條件及人類活動(dòng)的相互關(guān)系及作用結(jié)果，并據(jù)此對(duì)水資源與水環(huán)境進(jìn)行保護(hù)、控制和改造的學(xué)科[1]。環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)為環(huán)境工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析成果。精確合理的水文地質(zhì)條件分析和預(yù)測(cè)，為水資源開(kāi)發(fā)利用和地質(zhì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要保障。例如，飲用水源地和取水口的選擇、洪水防御工事的建設(shè)、城市雨污排泄管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和施工、污水廠構(gòu)筑物的高程布置、污染水體的溯源和治理、水庫(kù)庫(kù)容的計(jì)算、土壤和地下水污染的修復(fù)、固體廢棄物處理過(guò)程中的地下水污染防控工程，以及大氣污染的環(huán)境沉降研究等，都需要應(yīng)用環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的理論知識(shí)和分析方法。因此，環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，該門課程知識(shí)面廣、理論性強(qiáng)、實(shí)用性高。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，人類的工業(yè)生產(chǎn)持續(xù)破壞全球地表植被并加劇溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球洪澇災(zāi)害及次生地質(zhì)災(zāi)害頻繁出現(xiàn)。以我國(guó)為例，2020 年全國(guó)16 個(gè)省區(qū)198條河流發(fā)生超警以上洪水；重慶綦江上游干流及四川大渡河支流小金川甚至發(fā)生了超歷史洪水。防洪排澇規(guī)劃是保障經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要工程技術(shù)手段，也是全球環(huán)境工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。而利用環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)知識(shí)進(jìn)行洪水的合理預(yù)測(cè)，是防洪排澇規(guī)劃的基石。因此，環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)在環(huán)境工程中的重要性日益凸顯。

環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)課程是教育部高等學(xué)校環(huán)境科學(xué)與工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)推薦的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是環(huán)境工程專業(yè)多門核心課程的重要先修課。目前大多數(shù)高校的環(huán)境工程專業(yè)，直接使用水文地質(zhì)專業(yè)編制的教材，教材的理論性較強(qiáng)，與環(huán)境工程專業(yè)的工程實(shí)踐聯(lián)系不夠緊密。學(xué)生普遍反映課程難學(xué)，而在實(shí)際工作中需要應(yīng)用水文地質(zhì)學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題時(shí)卻找不到切入點(diǎn)。也有少數(shù)高校使用專門的環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)教材，但近年來(lái)環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，氣候條件也在不斷變化，而教材的更新有一定的滯后性，授課過(guò)程中講授的某些公式和方法，學(xué)生就業(yè)后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)不再適用于最新的工程要求。因此，環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)課程的教學(xué)模式，不僅要兼顧理論深度和工程實(shí)踐能力，還要與時(shí)俱進(jìn)，依據(jù)環(huán)保領(lǐng)域的新理念和新形勢(shì)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，從而更好地服務(wù)于環(huán)境工程專業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用復(fù)合型人才的需求。

一、現(xiàn)有的環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)模式存在的幾點(diǎn)問(wèn)題

作為一門對(duì)學(xué)生的綜合能力要求很高的課程，目前的環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)模式還有如下幾個(gè)方面有待改進(jìn)。

（一）理論與實(shí)踐結(jié)合程度不足

在我國(guó)積極推行工程教育專業(yè)認(rèn)證的大趨勢(shì)下，環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)更關(guān)注學(xué)生畢業(yè)后能夠達(dá)到的職業(yè)成就及可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?。目前環(huán)境工程專業(yè)的水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)模式以理論知識(shí)講解為主，以習(xí)題作為知識(shí)點(diǎn)的主要載體，直接給出設(shè)計(jì)資料讓學(xué)生進(jìn)行理論計(jì)算。很多學(xué)生習(xí)題解答得非常順利，但由于教材中沒(méi)有具體的工程案例和工作方法，學(xué)生在工作中無(wú)法將習(xí)題直接套用于實(shí)際工程。例如，學(xué)生可以熟練利用頻率分析計(jì)算出洪水流量，但卻不清楚在防洪排澇規(guī)劃的哪個(gè)具體步驟中使用這一洪水流量。再如，目前全世界防洪排澇規(guī)劃的目標(biāo)區(qū)域已經(jīng)從大中型城市逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹行⌒统鞘泻袜l(xiāng)鎮(zhèn)。在針對(duì)小城鎮(zhèn)進(jìn)行洪峰流量設(shè)計(jì)時(shí)，通常并不像大中城市一樣有多年實(shí)測(cè)資料，實(shí)際工作中通常是查詢流域內(nèi)相關(guān)等值曲線，再結(jié)合地區(qū)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。課堂講授的依據(jù)20 至30 年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行頻率計(jì)算的設(shè)計(jì)方法并不適用，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后在實(shí)際工作中不能熟練調(diào)取資料，也不清楚依據(jù)等值曲線估算經(jīng)驗(yàn)參數(shù)時(shí)的取值原則，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)地區(qū)公式調(diào)用不恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。因此，應(yīng)當(dāng)在教學(xué)過(guò)程中補(bǔ)充適用于多種水文地質(zhì)條件的多元化、實(shí)用性工程設(shè)計(jì)工作方法。

（二）教學(xué)內(nèi)容的時(shí)效性落后

環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的知識(shí)體系，應(yīng)當(dāng)隨著氣候條件、經(jīng)濟(jì)水平和行業(yè)規(guī)范的變化而不斷更新，但現(xiàn)有的環(huán)境水文學(xué)教材和教學(xué)模式時(shí)效性明顯不足。例如，隨著極端降水事件的頻發(fā)，許多城市都開(kāi)展了暴雨強(qiáng)度公式修編工作。對(duì)于已經(jīng)積累了足夠長(zhǎng)年限雨量資料的城市，新修編的暴雨強(qiáng)度公式中選樣方法會(huì)采取“年最大值法”，而非教材中推薦的“年多個(gè)樣法”，雨量資料的年限數(shù)目也比現(xiàn)有教材中的規(guī)定值更大。再如，隨著南水北調(diào)工程的實(shí)施，北方許多城市的飲用水源從地下水轉(zhuǎn)換為地表水，環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的研究重點(diǎn)也從充分開(kāi)發(fā)地下水資源保障生產(chǎn)生活需求，轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)水文涵養(yǎng)、地下水污染防控及地面塌陷和海水倒灌治理等方向。又如，海綿城市作為城市應(yīng)對(duì)極端環(huán)境條件的有力工具，是近年來(lái)城市建設(shè)和開(kāi)發(fā)的工作重點(diǎn)。其目的是通過(guò)完善水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，將城市構(gòu)建為具有吸水、蓄水、凈水和釋水功能的海綿體[3]。海綿城市的大部分工作任務(wù)是由環(huán)境工程專業(yè)的畢業(yè)生來(lái)完成的，規(guī)劃和建設(shè)過(guò)程中需要頻繁地應(yīng)用水文地質(zhì)學(xué)知識(shí)。然而目前環(huán)境工程專業(yè)的水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)內(nèi)容并未涉及海綿城市，學(xué)生不了解所學(xué)的水文學(xué)知識(shí)與海綿城市的結(jié)合點(diǎn)，在畢業(yè)后無(wú)法更好地服務(wù)于城市建設(shè)和改造的各項(xiàng)工作。

（三）教學(xué)過(guò)程中水文分析軟件使用率很低

水文頻率計(jì)算是洪水、平水和枯水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，也是環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的核心知識(shí)之一。但目前教材編寫和課堂講授過(guò)程中，普遍采用傳統(tǒng)的坐標(biāo)紙繪制法完成上述內(nèi)容。隨著分析繪圖軟件的普及，實(shí)際工程實(shí)踐中，普遍采用Excel+Origin 軟件相結(jié)合的方式，進(jìn)行水文頻率曲線的計(jì)算、繪制和擬合。課堂上沒(méi)有接觸過(guò)上述軟件的學(xué)生，在今后的工作中會(huì)出現(xiàn)效率低、“上手”慢的問(wèn)題。另外，隨著環(huán)保工程關(guān)注的時(shí)空尺度日趨擴(kuò)大，在分析解決整個(gè)城市甚至整個(gè)流域的問(wèn)題時(shí)，需要使用專門的降水和徑流模擬軟件，針對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的水文、水力和水質(zhì)情況進(jìn)行高精度的模擬，在此基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)化的方案[4]。而目前各高校的環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)課堂上很少涉及上述軟件。

二、環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)模式新探索

針對(duì)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)現(xiàn)有教學(xué)模式存在的問(wèn)題，筆者在2017 年至2021 年期間，以山東大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)的大二學(xué)生為授課對(duì)象，針對(duì)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的教學(xué)模式進(jìn)行了以下3 個(gè)方面的探索和革新，并取得了較好的教學(xué)效果。

（一）構(gòu)建基于成果導(dǎo)向教育的教學(xué)體系和評(píng)價(jià)方式

成果導(dǎo)向教育（Outcomes-based Education，OBE）是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念[5]。以學(xué)生畢業(yè)時(shí)和工作中應(yīng)達(dá)到的能力為指標(biāo)，反饋指導(dǎo)授課內(nèi)容。因此，在環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程后應(yīng)當(dāng)達(dá)成的工程實(shí)踐能力設(shè)置教學(xué)目標(biāo)，依據(jù)能力目標(biāo)設(shè)置課程考核的評(píng)分體系。授課過(guò)程中，從環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生在工程實(shí)踐中承擔(dān)的具體任務(wù)出發(fā)，首先講授不同任務(wù)的工作流程和步驟，再深入講授具體工作步驟中涉及的水文學(xué)理論和統(tǒng)計(jì)方法。最后通過(guò)布置工程設(shè)計(jì)任務(wù)加深學(xué)生對(duì)于水文學(xué)理論的理解，并對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，依據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)出的工作能力進(jìn)行評(píng)分，據(jù)此計(jì)算學(xué)生每個(gè)能力目標(biāo)的達(dá)成度。根據(jù)學(xué)生能力目標(biāo)的達(dá)成情況，為每個(gè)學(xué)生提出針對(duì)性建議，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

以小流域暴雨洪峰流量計(jì)算的講授為例，具體的授課模式如圖1 所示。授課過(guò)程中強(qiáng)化“資料整理和檢索—查閱國(guó)家/地方性標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)—參照相關(guān)行業(yè)的設(shè)計(jì)手冊(cè)—經(jīng)驗(yàn)參數(shù)查詢—水文頻率計(jì)算—設(shè)計(jì)結(jié)果校核—應(yīng)用于具體工程措施”的規(guī)范化工作流程。授課過(guò)程中還要使學(xué)生明確通過(guò)水文計(jì)算獲得的理論數(shù)值，到底應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的哪個(gè)具體階段。教學(xué)過(guò)程中給學(xué)生布置了一個(gè)依據(jù)山區(qū)城鎮(zhèn)洪峰流量進(jìn)行河道拓寬防洪排澇的工程案例，針對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)完成情況，分析學(xué)生能力目標(biāo)的達(dá)成度。由圖2 可知，資料分析能力達(dá)成度較低的學(xué)生，相應(yīng)的水文計(jì)算能力達(dá)成度也較低。這是因?yàn)樗馁Y料整理的詳盡性直接決定了水文頻率計(jì)算樣本組成的合理性。該班學(xué)生資料分析能力、水文計(jì)算能力、方案設(shè)計(jì)能力和軟件使用能力達(dá)成度的平均值分別為85.7%、87.7%、89.8%和84.3%?？傮w來(lái)講，學(xué)生的軟件使用能力達(dá)成度最低，提示在后續(xù)授課過(guò)程中要進(jìn)一步強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的軟件使用能力。

圖1 基于成果導(dǎo)向教育的教學(xué)體系舉例

圖2 學(xué)生能力目標(biāo)達(dá)成度分析舉例

此外，在授課過(guò)程中，還要幫助學(xué)生掌握環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)，了解哪些工作原則是不可變、必須遵守的，哪些工作方法是可以靈活調(diào)整的。仍以暴雨強(qiáng)度公式修編為例，實(shí)測(cè)暴雨樣本數(shù)量必須高于規(guī)定值（通常為40），即樣本容量不能縮減這是不可變?cè)瓌t。具有暴雨實(shí)測(cè)值的年份數(shù)目達(dá)到或超過(guò)40 時(shí)，可以每年只選擇1 個(gè)降雨量最大值，構(gòu)成樣本系列進(jìn)行水文頻率計(jì)算；具有暴雨實(shí)測(cè)值的年份數(shù)目小于40 時(shí)，可以如教材所述，選擇具有代表性的n 年，每年選擇6～8 場(chǎng)暴雨的降水量數(shù)值，由（6～8）×n＞40 個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)成樣本系列進(jìn)行水文頻率計(jì)算。通過(guò)上述教學(xué)模式的改革，提升學(xué)生因地制宜靈活分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

（二）與時(shí)俱進(jìn)調(diào)整授課重心和豐富教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)針對(duì)地下水的研究重點(diǎn)是水井周圍含水層的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，其目的在于最大限度保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求；而新時(shí)代水文地質(zhì)學(xué)針對(duì)地下水的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)換為地質(zhì)生態(tài)災(zāi)害的預(yù)防和地質(zhì)穩(wěn)定性保護(hù)[6]。另外，新時(shí)代水文地質(zhì)學(xué)的根本研究目標(biāo)，已經(jīng)從最初的局部性問(wèn)題，逐漸拓展為全局性問(wèn)題[7]。因此，環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的授課側(cè)重點(diǎn)也需要進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。例如，開(kāi)展水井抽水試驗(yàn)的主要目的，已經(jīng)從研究井的出水量轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)（如滲透系數(shù)等），研究結(jié)果可以用于指導(dǎo)地下水污染的修復(fù)。再如，在研究地表水和地下水時(shí)，要著重分析包括水圈、大氣圈、巖石圈和生物圈在內(nèi)的多圈層之間的相互作用，研究結(jié)果用于指導(dǎo)水資源綜合規(guī)劃和環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。再如，環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)不再局限于關(guān)注水量的時(shí)空變化，還要關(guān)注水質(zhì)的凈化。這些都需要在教學(xué)過(guò)程中及時(shí)調(diào)整和豐富授課內(nèi)容。

隨著環(huán)保政策法規(guī)的修訂和新增，水文統(tǒng)計(jì)的計(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值原則等內(nèi)容也在隨時(shí)調(diào)整。無(wú)論是采用傳統(tǒng)的水文地質(zhì)專業(yè)教材還是專門的環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)教材進(jìn)行授課，依據(jù)新政策法規(guī)的出臺(tái)而開(kāi)展的教材修訂和出版工作都需要一定的時(shí)間。因此，在水文地質(zhì)學(xué)的教材講授過(guò)程中不可避免會(huì)有一些陳舊知識(shí)點(diǎn)。例如，最新的GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)將雨水管渠流量計(jì)算公式進(jìn)行了修訂，修訂后的雨水管渠設(shè)計(jì)流量增大，對(duì)城市排水的保障率更高。但目前各高校普遍使用的教材中仍沿用修訂前設(shè)計(jì)流量值偏小的版本。再如，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境工程的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程，已經(jīng)修正了過(guò)往主要關(guān)注成本控制的設(shè)計(jì)理念，轉(zhuǎn)為側(cè)重于保障工程效果。這直接導(dǎo)致在應(yīng)用環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)理論指導(dǎo)工程實(shí)踐時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)的取值原則發(fā)生變化。比如，暴雨的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的取值規(guī)定已經(jīng)普遍提升。因此，需要在授課過(guò)程中及時(shí)調(diào)整和更新陳舊知識(shí)點(diǎn)，給學(xué)生講授相關(guān)修訂的原則和意義，督促學(xué)生形成查詢?cè)O(shè)計(jì)規(guī)范的工作習(xí)慣。

最后，針對(duì)海綿城市這一與環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)聯(lián)系非常緊密的新興工程熱點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中設(shè)置專題講座。海綿城市的核心工作是對(duì)城市的低影響開(kāi)發(fā)，以期實(shí)現(xiàn)城市像海綿一樣對(duì)環(huán)境變化與自然災(zāi)害具有“彈性適應(yīng)”能力。海綿城市的主要工作內(nèi)容包括：最大限度保護(hù)原有河湖水系和生態(tài)體系；維持城市開(kāi)發(fā)前的自然水文特征；修復(fù)被破壞的水生態(tài)系統(tǒng)；通過(guò)防洪排澇的規(guī)劃和雨污排放系統(tǒng)的構(gòu)建，減輕暴雨徑流對(duì)城市運(yùn)行的影響[8]。教學(xué)過(guò)程中通過(guò)專題講座，幫助學(xué)生了解用于評(píng)價(jià)海綿城市建設(shè)效果的水文學(xué)指標(biāo)；掌握城市生態(tài)斑塊識(shí)別與生態(tài)廊道構(gòu)建的基本原則；熟練應(yīng)用水文地質(zhì)學(xué)知識(shí)進(jìn)行城市水系（包括供水、節(jié)水、污水、回用水、雨水和河道）綜合規(guī)劃。

（三）強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的軟件使用能力

為提升學(xué)生的軟件使用能力，通過(guò)課堂訓(xùn)練、課后作業(yè)和案例實(shí)操，訓(xùn)練學(xué)生熟練使用Excel 軟件進(jìn)行水文地質(zhì)資料的整理、排序和計(jì)算，和使用Origin 軟件進(jìn)行水文頻率曲線的繪制和擬合?；陂_(kāi)源的暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，SWMM），訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單流域水文模擬。通過(guò)案例講授，幫助學(xué)生掌握利用MATLAB 和SPSS 軟件開(kāi)展水文學(xué)資料相關(guān)性分析、水庫(kù)庫(kù)容模擬和徑流預(yù)測(cè)的工作方法。通過(guò)提升學(xué)生對(duì)水文地質(zhì)分析相關(guān)軟件的理論水平和操作技能，全面提高學(xué)生直面工程實(shí)踐的工作能力，提升學(xué)生在就業(yè)過(guò)程中的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

三、結(jié)束語(yǔ)

鑒于目前高校環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中普遍存在的共性問(wèn)題，以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力為主要教學(xué)目標(biāo)，對(duì)教學(xué)模式開(kāi)展研究和探索，為高校環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的教學(xué)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。以工程案例為知識(shí)載體，調(diào)整教學(xué)和評(píng)價(jià)體系、提高課程的時(shí)效性，提升學(xué)生對(duì)工程軟件的使用能力，幫助學(xué)生開(kāi)闊視野，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合專業(yè)能力。針對(duì)從事環(huán)保工程實(shí)踐工作的2021 級(jí)畢業(yè)生開(kāi)展的回訪表明，該門課程的新教學(xué)模式有助于學(xué)生開(kāi)闊視野，梳理實(shí)踐工作思路，更好地建立起理論知識(shí)與實(shí)際環(huán)保工程之間的聯(lián)系，提升了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和工作能力。