地下水動力學教學模式改革與實踐探索

鄭德鳳 魏秋蕊 孫才志 姜俊超

摘要：針對地下水動力學課程教學中存在的部分問題，改革地下水動力學課程教學內容與訓練內容，建設互動式授課模式與平臺，開展預設問題的輔助教學模式和計算機數(shù)值模擬與仿真教學方法。改革實驗教學方法，構建開放式實驗教學模式，建設野外試驗與實踐教學基地。通過教學改革，深化理論教學、實踐教學與創(chuàng)新培養(yǎng)，為水文與水資源工程專業(yè)的基礎教學探索一條新的模式。

關鍵詞：地下水動力學；教學模式；數(shù)值模擬；開放式實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0132-02

一、地下水動力學課程教學改革意義與必要性

當前，我國高等教育重點培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應用型高級工程技術人才。地下水動力學作為水文與水資源工程專業(yè)實踐性較強的核心專業(yè)基礎課，是研究地下水在多孔介質中運動規(guī)律的科學，是解決地下水定量評價和合理開發(fā)利用的基礎。地下水運動規(guī)律的研究以數(shù)學、物理學、水力學等學科知識為基礎，應用數(shù)值計算、模擬實驗等一系列研究方法[1]。教學過程中涉及大量的數(shù)學模型、微積分方程和應用數(shù)值方法，是一門難度極大且在工程技術領域非常實用的課程，也是本科階段培養(yǎng)學生處理復雜水文地質問題、鍛煉綜合應變能力的核心課程。目前該課程的教學與實踐過程中尚存在一些問題，迫切需要對教學手段、教學內容和實驗實踐能力方面進行深入改革。

地下水動力學課程是實踐性很強的基礎學科課程，目前的教學模式主要是以教師講授的理論教學為主，缺乏室內外實驗與創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)[2，3]。針對目前工程技術領域不斷涌現(xiàn)的地下水過度開采導致的一系列水文地質環(huán)境地質問題，中國地下水科學與工程方面的研究取得了一定進展，但我國高等院校人才培養(yǎng)的教學內容與方式尚沒有跟上工程實踐的具體要求。另外，國內高校的專業(yè)教師深入現(xiàn)場調查不夠，不熟悉工程勘察施工的一些新技術和新設備，對工程中碰到的新問題難以應對。這些都會導致課程的理論教學與實際工程、野外試驗等脫節(jié)。近年來，我國大規(guī)模的工程建設項目逐漸增加，如三峽工程、南水北調工程等重大水利工程，尤其是“一帶一路”戰(zhàn)略實施后，各類工程建設更加密集，這勢必給水文地質學帶來許多新的復雜課題，高等學校地下水動力學課程的教學面臨新的挑戰(zhàn)，迫切要求對其教學模式進行改革與實踐探索。

二、地下水動力學教學模式改革的主要內容

1.完善教學內容，改進多媒體課件、增設虛擬實驗和工程案例視頻。地下水動力學課程是理論與實踐緊密結合的課程，既包括嚴密推導的數(shù)學、力學、化學理論，也包括與工程設計、勘察及施工緊密結合的實踐內容。理論教學過程中的難點主要體現(xiàn)在地下水流模型、溶質運移和熱量運移模型的建立等；地下水向完整井穩(wěn)定運動、非穩(wěn)定運動公式的應用等；教學過程中涉及大量的數(shù)學公式和微積分方程及化學方程式，并需配備一定的圖表進行講解[4]。在未來的課程建設過程中，將以教學內容改革為核心，融合現(xiàn)代信息技術，改革傳統(tǒng)的“填鴨式”教學方法，通過形象的多媒體課件、運用Flash動畫演示虛擬實驗、將工程案例做成視頻資料，增加實驗教學、野外抽水試驗與計算機數(shù)值模擬等教學環(huán)節(jié)，探索更加適合現(xiàn)代水文與水資源工程發(fā)展需要的教學方法。將教師團隊最近的科研成果及國內外水文地質學領域的新成果納入實踐教學體系，豐富完善教學內容，達到理論體系全面、工程案例實用的目的；運用多媒體輔助教學手段改進課程教案，將大量內容豐富的工程案例貫穿其中，通過視頻、影像、動畫等多種方式強化教學內容，加強學生對所學知識重點和難點的理解，提高學生的理解能力和應用能力，激發(fā)其學習熱情，拓展其科研視野，增強課程的教學效果。

2.加強啟發(fā)互動式授課，提高學生的創(chuàng)新實踐能力。啟發(fā)式、互動式的授課方法是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的重要途徑之一。地下水動力學是面向水文與水資源工程的專業(yè)必修課，共64學時。授課過程中除了期中、期末考試外，擬增加課堂提問、課后作業(yè)、課程論文3項內容，以激發(fā)學生的學習興趣，確保絕大部分學生掌握課程的基礎知識，并使有興趣、有創(chuàng)新精神的學生有所突破。鼓勵學生在學好理論知識的前提下，查閱文獻資料，撰寫課程論文。論文自主選題，可撰寫對地下水動力學研究某方面內容的綜述，或撰寫對本課程中某節(jié)課的體會或感想。這種課程論文結構的設計方法，既保證了學生能掌握一定的基礎知識，又給學有余力的同學提供了充分發(fā)揮創(chuàng)新能力的平臺，效果很好。通過學生對課程教學提出的建設性改進意見，任課教師可以對教學內容不斷加以改進與完善。

3.開展計算機數(shù)值模擬與虛擬仿真的輔助教學模式。考慮到地下水數(shù)值模擬方法在地下工程、環(huán)境質量評價、地下水開發(fā)與利用工程領域的實用性和通用性等特點，引導學生在課程開設初期結合教師的研究領域，選定一個地下水數(shù)值模擬課題，通過課程學習熟悉課題內容。課程的每個環(huán)節(jié)都能夠使學生對問題的認識不斷深入，最終完成這個數(shù)值模擬課題。這種教學方式增加了師生互動，使學生的學習目標更明確，積極性更高，理解和接收知識更全面，教學效果更實用。

隨著現(xiàn)代信息技術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課程實驗教學的重要補充。為此，本次教學改革將實踐教學與計算機數(shù)值模擬及虛擬仿真相結合，增加數(shù)值模擬演示實驗。以往，由于地下水運動的隱蔽性和多孔介質的復雜性，在地下水動力學教學實驗過程中，學生很難通過重復性實驗看到地下水位實時變化的動態(tài)過程。應用GMS三維地下水模擬系統(tǒng)中的MODFLOW模型對水質、水量進行實時動態(tài)模擬與預測，加深學生對教學內容的理解，對實驗進行輔助教學，可增強學生參與教學活動的主動性、創(chuàng)造性。

4.改革地下水動力學實驗教學方法，構建開放式實驗教學模式。常規(guī)的室內實驗教學是由教師講解實驗原理、現(xiàn)場演示實驗過程、提出實驗結果的處理手段，然后由學生分組進行實驗操作和數(shù)據(jù)處理等步驟組成。由于實驗課人多擁擠，多人共用一臺儀器，往往只有部分學生進行了實際操作，而且實驗過程是復制教師的演示過程，沒有任何改進和創(chuàng)新實踐過程，由此導致實驗課效果往往不夠理想，學生多半是為完成教學任務而進行實驗，沒有體現(xiàn)學生的能動性和創(chuàng)新性。為此，本課程構建開放式實驗教學模式，編寫實驗操作過程多媒體輔助課件，學生通過自學課件，掌握實驗原理，自行設計具體的實驗方案，選擇不同的多孔介質，在不同的水力坡度下設計實驗。實驗室每天對學生開放，每個學生可以選擇不同時間段按要求到實驗室做實驗，這種模式既保證了現(xiàn)代化教學手段的最佳利用，又使實驗室得到合理利用，提高了實驗室的利用效率和實驗教學效果。

地下水動力學實驗是研究水在不同多孔介質中的運動規(guī)律，多孔介質在實驗過程及教學效果中扮演重要的角色。以往的地下水滲流實驗一般選用透水性較好的中砂作為多孔介質進行試驗，由此得到的實驗結果也僅能體現(xiàn)砂質介質的透水特性。為此，在本次地下水動力學實驗教學改革中將單一介質實驗推廣到多介質實驗，介質可改為多種類型（砂土、粘土、亞粘土、黃土等）進行實驗，不同學生選用不同介質做實驗，得出的滲透特性、導水性質也不同，并能對實驗結果進行綜合分析、橫向比較。這樣既豐富了實驗內容，也讓學生熟練掌握了實驗方法，學生更有興趣完成實驗、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，達到良好的實驗教學效果。

5.建設實踐教學基地，增加野外現(xiàn)場試驗。目前地下水動力學課程多以理論教學為主，輔以部分室內實驗教學，缺少野外實踐內容。由于地下水動力學涉及野外抽水試驗和滲水試驗等內容，這些內容僅僅通過教學講解很難起到良好的教學效果，因此只有將學生帶到試驗現(xiàn)場觀摩才能真正領會試驗的過程，才能對試驗過程中出現(xiàn)的問題提出解決辦法和改善方案。為此，本課程增設了野外抽水試驗項目，建立教學科研實習基地，每年定期安排本科生進行現(xiàn)場試驗。

三、結束語

針對現(xiàn)有工程應用型人才培養(yǎng)過程中存在的教學內容死板枯燥、實踐實訓流于過場、教學設置與未來就業(yè)聯(lián)系不夠緊密等問題，本文提出的地下水動力學教學模式改革與創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學實踐，為水文與水資源工程專業(yè)的基礎教學探索了一條新的模式。通過教學改革，深化理論教學，實踐教學與創(chuàng)新培養(yǎng)，完善專業(yè)教學方法，實現(xiàn)了學生工作技能培養(yǎng)的科學化、工程化和實用化，并對相近專業(yè)、相鄰學科的教學改革等均有積極的借鑒和參考意義。

參考文獻：

[1]黃金柏，溫佳偉，王斌，等.數(shù)值模擬應用于地下水動力學課程教學的研究與實踐[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2013，（19）：71-73.

[2]趙玉紅，肖長來，卞建民，等.水文學及水資源專業(yè)實驗教學的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（1）：92-95.

[3]肖先煊，許模，蔡國軍，等.抽水試驗模型與地下水動力學實驗教學[J].實驗室研究與探索，2014，（9）：164-168.

[4]蔣小偉，梁四海，萬力，等.“地下水動力學”課程教學中類比法的運用[J].中國地質教育，2012，（2）：88-90.