专门水文地质学实践性和创新性教学研究论文

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摘 要：专门水文地质学是强化水文地质理论基础、锻炼水文地质工作能力和培养水文地质科研素养的专业主干课程。本文基于创新本科人才的教育需求，分析了专门水文地质学教学内容和教学方式的现有不足， 从实践性和创新性教学模式与方法的角度出发提出了改进建议，并重点介绍了本人在实践性和创新性教学中的实践探索。

关键词：专门水文地质学 ; 实践与创新 ; 互动式教学

本文引用格式：周鹏鹏 , 等 . 专门水文地质学实践性和创新性教学研究 [J]. 教育现代化 ,2020,7(50):99-102.

Study on Practical and Innovative Teaching for Applied Hydrogeology

ZHOU Peng-peng, WANG Guang-cai

(School of Water Resources and Environment of China University of Geosciences，Beijing)

      Abstract: Special hydrogeology is a major course to strengthen the theoretical basis of hydrogeology, exercise hydrogeological work ability and cultivate hydrogeological scientific research literacy. Based on  the   education needs     of innovative undergraduate talents, this paper analyzes the existing shortcomings of the teaching content and teaching methods of special hydrogeology, and puts forward suggestions for improvement from the perspective of practical and innovative teaching mode and method, and focuses on the practical exploration in practical and innovative teaching.

      Key words: Special hydrogeology; Practice and innovation; Interactive teaching

一 引言

       2018 年 6 月 21 日，教育部召开了新时代全国高等学校本科教育工作会议，强调坚持“以本为本”，将本科教育放在了人才培养的核心地位。作为一门与当今国家资源环境开发及保护密切相关的本科专业课程，“专门水文地质学”是地下水科学与工程专业本科生的专业主干课程之一， 其核心教学内容是强化水文地质理论知识、锻炼水文地质工作能力和培养水文地质科研素养。该课程的教学以“地下水科学概论”、“地下水动力学”和“水文地球化学”等课程理论知识为基础，通过地下水勘查中调查内容、关键技术和重要方法的教学，升华学生对专业基础课知识体系及其应用的认识和理解，培养学生开展水文地质工作的思辨能力。
 
       该课程在培养社会经济发展所需求的高级水文地质人才中起着关键作用。为此，“专门水文地质学”应紧密关注国家社会发展需求及国内外地下水科学发展趋势，重点研发实践性、创新性、开拓性教学内容和教学方法。对此，本文分析了“专门水文地质学”这一实践性课程的教学中存在的不足， 并结合当今国家社会发展需求、教育工作改革形势和地下水科学前沿进展，从实践性和创新性教学模式与方法的角度出发提出了建议，并重点介绍了自己在该课程的实践性和创新性教学中的实践探索。

二 “专门水文地质学”教学中的问题分析

       “专门水文地质学”是一门实践性很强的专业必修课程，其教学目标就是要让学生掌握水文地质研究的基本方法、培养水文地质科研思维。然而学生在学习这门课时缺乏兴趣，学生对课程学习总体的反馈是知识点不易理解、且不知该如何在实际中灵活运用。笔者认为构成该课程学习困难的原因主要有以下 3 个方面。

       首先，课程内容抽象。“专门水文地质学” 传统教学侧重于水文地质调查内容和方法等概念知识的讲授，这些概念知识对学生来说较为抽象， 学生很难理解水文地质钻探、物探测井、抽水试验、水文地质参数反演等方法的内涵及其操作流程， 也无法理解和掌握“专门水文地质学”的知识体系。这很大程度上影响了学生水文地质分析能力和开拓创新科研能力的培养。

       其次，教学过程缺乏实例和实践。实践教学是地下水科学与工程专业人才培养的关键环节 [1,2]， 作为实践性强的课程，“专门水文地质学”的教学过程中需要结合丰富的实例和实践。教学中实例素材的不足及试验场地的缺乏，使得教学知识（比如，水文地质钻探和水文地质试验）多停留在文字和图片中，学生不能够直观地掌握，更无法亲自实践水文地质方法。这就影响了学生对水文地质研究方法的灵活运用。

        再次，教学过程缺乏互动。传统的单向教学过程中，大学生尚未接触过实际的水文地质科学问题和工程实例，对于教学知识中的水文地质研究方法无法形成清晰的概念，无法在课堂上深入理解课程知识点，就不能带着问题和思考去分析水文地质问题，无法和教师进行有效的互动式学习。这就限制了学生水文地质思辨能力的培养。

        因此，为了解决“专门水文地质学”课程学习中被动式学习问题、提高课程教学质量、实现高素质创新水文地质人才培养目标，就需要对“专门水文地质学”教学内容和教学方式进行探索改进。

三 “专门水文地质学”的教学探索

        围绕本科教育和创新型人才培养的迫切需求， 从实践性和创新性教学模式与方法的角度出发对“专门水文地质学”教学内容和教学方式进行了探索，并重点介绍了笔者在该课程的实践性和创新性教学中的实践探索。

（一） 结合国家发展需求和国际地下水科学进展，拓展教学内容

       作为一门应用性课程，课程内容应紧密结合国家在资源环境开发与保护方面的重要需求。当今，我们国家重点开展的资源环境开发与保护的主要内容有区域尺度上地下水的定量评估、土壤 - 地下水污染防控、深部含水层探测与评价、深部空间与能源开发及其环境效应等 [3]。相较于传统水文地质研究，这些研究领域涉及到的研究尺度和研究方法复杂多样。比如，区域尺度上地下水的定量评估，需要利用遥感、无人机、重力卫星等先进研究技术；土壤 - 地下水污染防控、深部能源开发及其环境效应等方面的研究，需要从微观尺度来揭示孔隙结构及其演化、污染物迁移转化规律，这就涉及到核磁共振、纳米 CT、微观渗流模拟等关键方法。这些新的研究领域和先进研究方是“专门水文地质学”传统教学中未涉及到的。针对性地开展“专门水文地质学”课程教学内容的拓展研究，对于拓宽学生知识范畴、激发学生学习兴趣、培养学生创新思维具有重要的推动意义。

（二） 加强实例实践教学

       实例实践教学是培养学生水文地质专业思维、提升其综合专业能力的关键环节 [4-6]。

       地下水勘查任务与内容是课程中较为抽象的教学内容之一，讲解中应充分选取典型的水文地质实例，从探明主要水文地质信息的基本思想出发，讲解不同水文地质条件的地下水勘查主要内涵、具体内容、关键技术方法。笔者充分利用自身的科研经历和工作经验，清晰地讲解典型地区的水文地质调查方法和内容。比如，对于内陆平原区，选取银川平原作为分析实例，逐步讲解在查明含水层空间分布、地下水补给 - 径流 - 排泄、地下水 - 地表水水力联系等问题的调查内容、方法和步骤。进而加强学生对知识点的掌握，培养其水文地质问题的思辨能力。

       水文地质参数计算是“专门水文地质学”较为精彩的知识点。不同于地下水动力学的井流理论教学，“专门水文地质学”侧重于水文地质参数计算方法的应用教学。笔者在授课过程中，以实际的稳定和非稳定流抽水试验数据为例，演示配线法中井函数标准曲线的绘制、计算点的选取以及计算公式的运用，同时对比地演示直线图解法中数据分析段的选取和参数计算公式的利用。此外，拓展性地讲解基于地下水水位动态的解析反演和数值反演求参方法，这不仅能够激发学生的课程学习兴趣，更能够拓展学生的专业视野、培养其地下水科学创新思维。

（三） 运用创新性的教学模式和方法，培养学生探索式学习能力

（1）翻转课堂

       对于知识较抽象、实践性很强的课程的学习， 学习者主动参与至关重要。翻转课堂就可以为学生主动性学习提供良好的教学模式。该模式重在强化学生对理论知识和实际问题的思考，注重学生思辨能力和实践能力的发展 [7]。这一教学模式主要包括几下三个环节：首先，课前教师给学生推送学习任务和学习材料，学生可充分利用课余时间以个人或分组形式对进行知识学习、问题思考、难点交流和学习总结，初步掌握知识结构和内涵，为课堂与老师及同学的学习与交流做好准备；其次，基于课前对知识的学习和任务的分析， 针对学习中的难点和问题，在课堂上与老师及同学进行深入探讨，形成准确统一的认识，教师则充分引导同学进行交流，比如，教师可以引出知识难点或问题、提供新的实例分析，内化学生对知识点及其灵活应用的掌握；最后，根据学生课堂学习与任务分析的完成情况，并结合与学生的课下交流，分析学习效果，并建立课后拓展性学习内容与答疑环节， 深化每一位学生掌握知识， 并适当结合学生特点，拓展学生的专业知识，同时为下一次教学做好准备。

       笔者在近期的“专门水文地质学”的教学过程中，尝试着使用了翻转课堂这一教学模式，在此以“不同地区水文地质条件勘查”的教学内容为例进行介绍。

       课前，将制作的“不同地区水文地质调查内容” 和“水文地质钻探和物探”的课件以及钻探物探应用的视频等作为学习材料推送给学生，并以实际的岩溶区的水文地质勘查工作设计作为学习任务交给学生。实例的应用更能激发学生学习理论知识的主动性，为课堂讨论交流奠定了良好基础。

       课中，用 1 个课时请 1 组同学对“不同地区水文地质调查内容”的学习进行了汇报，学生基于自己的水文地质专业知识基础和课前知识学习， 从山前平原区、基岩山区、岩溶区、黄土地区等的地下水补给 - 径流 - 排泄的基本特征出发，阐述自己对不同地区水文地质要素调查内容与方法的理解，其他同学进行知识点交流和补充。通过学生之间的汇报与交流，激发了大家的主观能动性，夯实了对知识及其应用的理解。在第 2 个课时里，针对课前的学习任务“实际的岩溶区水文地质勘查工作设计”，抽取 1 组学生来汇报自己的水文地质勘查设计，其他同学对于汇报中涉及到的水文地质钻孔点位、深度、分层止水等问题进行了互动性的交流和学习。通过这样的实例实践学习，原本枯燥陌生的知识就变得生动具体，内化了学生对知识点的掌握，提高了学生参与程度， 逐步培养了学生主动分析问题、解决问题的科学素养和实践能力。这将非常有助于学生今后的水文地质工作和科研。课时临近结束时，笔者对知识点、学生汇报内容进行梳理总结。

       课后，根据学生在课堂上的表现，评价每位学生的学习程度，分析了本次教学效果，为下次授课教学做准备。并针对学习积极性不高的同学进行交流指导，保证每位学生能够参与到课程学习和知识掌握；针对学习主动性高的学生，为其提供拓展性实例，拓展其对知识应用的理解。

        综上，翻转课堂教学模式很适用于实践性强的“专门水文地质学”的教学，学生变成了学习的主体，其学习积极性会显著提高，对知识的掌握与应用也会更加扎实。教师看似只是引导作用，但是该教学模式对教师提出了更高的要求，教师就要更加认真地去做好课前准备工作，包括简练全面的理论知识点、丰富科学的课堂实践任务、高效充分的师生交流方式、客观合理的教学效果测量。

（2）模拟仿真教学

        除了创新教学模式的运用，教学中也要充分利用新技术与新方法， 拓展“ 专门水文地质学” 的教学素材， 以提升教学质量和学生学习能力。在“专门水文地质学”教学中，水文地质试验实践教学需要足够规模的试验场地，但是受限于试验教学场地，大部分院校都不可能建立完善的水文地质试验教学场地。虚拟仿真技术能够利用计算机生成一种模拟环境，实现一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的仿真系统，可以将实际环境中很难试验的复杂情形，以一种简洁直观的方式表现出来，进行各种不同条件下的预测和结果计算 [8,9]。该技术在“专门水文地质”的试验教学中的实现需要仿真引擎、图形化建模软件和地下水模拟程序的充分耦合，目前尚无该技术在水文地质试验教学中的系统化研究。

       作为一名青年教师，在抽水试验教学中，尝试使用数值模拟技术将抽水试验过程模型化，基于此，将抽水试验设计、试验过程和数据采集可视化（图 1）。首先，结合实例给学生构建一个抽水试验的概念模型，充分展示抽水试验中抽水井位置、深度、滤水管布设层位、观测孔布设距离等试验条件， 使学生通过模型的构建过程较直观地明白抽水试验准备工作；其次，基于地下水流动数值模拟，让学生亲自设定抽水井的抽水量、观测孔的观测频次与时间，使其深刻的掌握抽水试验类别（如，稳定流或非稳定流）、抽水试验数据记录等重要知识，同时，通过抽水试验模拟三维结果的视频展示，激发学生学习主动性，既可让学生清晰地了解到抽水过程中水动力场变化、降落漏斗的形成与恢复等地下水文现象，也可深化学生对课本上井流过程与井流公式的理解；最后，让学生基于模拟结果提取观测孔水位试验数据，并分析实验数据特征，结合相应的公式（如，Jocob 公式）计算水文地质参数（如， 导水系数 T 和储水系数 μ*）。

       通过这样的模拟仿真教学，学生在课堂短时间内就可以掌握抽水试验关键知识，笔者的教学模拟抽水试验过程可在 1 分钟内实现，这远远小于实地 2-3 天的抽水试验时间，有效地应对了水文地质试验场地短缺的限制。

       通过以上翻转课堂和模拟仿真等教学模式和方法的应用，必将能够激发学生对“专门水文地质学”的学习兴趣，能够在培养学生水文地质科研的思辨能力和科学素养。这样的教学也符合《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》（简称“新时代高教 40 条”）[10] 提出的推动课堂教学革命、深化创新教育改革、提升学生综合素质的要求。

四 结 语

       通过“专门水文地质学”课程内容的丰富与完善，使学生清晰地了解地下水科学领域的前沿进展和应用前景、掌握地下水科学工作的先进方法，为培养地下水科学的创新人才奠定良好的基础。笔者通过丰富的实例和实践教学，实现理论知识和实践教学的有机融合，充分调动学生的学习兴趣，使学生直观地掌握地下水科学中的工作方法及其运用。基于新颖教学模式，在“专门水文地质学”授课中进行了翻转课堂的探索应用， 并结合地下水数值模拟技术，实现课堂上可视化的抽水试验教学，初步形成了探索式和开放式的教与学方式。通过这一些实践性和创新性的教学探索，不仅能够增强学生的学习兴趣和对课堂知识的扎实掌握，也能够为学生探索式学习能力和科学素养的培养提供有效支撑。

参考文献

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[9]张志宾 , 刘云海 , 谢宗波 , 等 .“新工科”建设背景下地方普通高校化工虚拟仿真实验教学体系的探讨 [J]. 教育现代化 , 2019, 55:97-98.
[10]《教育部关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》（教高 (2018)2 号），2018-10-08，中华人民共和国教育部 .

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