水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式改革

趙玉紅, 孫曉慶, 卞建民, 肖長來, 蔣惠忠

(吉林大學 環境與資源學院，長春 130021)

水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式改革

趙玉紅, 孫曉慶, 卞建民, 肖長來, 蔣惠忠

(吉林大學 環境與資源學院，長春 130021)

為提高學生素質教育,培養創新精神和實踐能力，從實驗課教學方式、教學儀器、教學內容和實驗室管理等方面進行了研究和探索。進行了水文地質學基礎實驗課網絡混合式教學模式的改革研究。通過采用現代化的網絡信息技術，創建了水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式；將先進的傳感技術，應用到實驗教學儀器中，研發了多種新型實驗教學儀器；制作水文地質學基礎微實驗的多媒體課件；實驗室實行全面開放管理的制度。通過以上改革使學生能夠在實驗課前通過網絡自主學習，完成各系列實驗項目的預習，在實驗室做實驗不受學時、空間、內容的限制，完成一個或多個實驗內容。網絡教學與實驗課教學相結合，拓展了實驗教學的時間和空間，增加了實驗內容，使教學內容和表達方式更加豐富多彩，網絡混合式教學模式更有利于學生理解專業理論知識。

水文地質學； 混合式教學； 實驗儀器； 實驗內容； 實驗方式； 實驗室開放

0 引 言

高校是培養學生創新能力和實踐能力的重要場所，水文地質實驗是“水文地質學基礎”實驗課的重要實踐教學環節，也是理論與實踐相結合的關鍵，對提高學生實驗技能、新技術應用、創新能力的培養及綜合素質提高起著積極的作用。“水文地質學基礎”是地學部地下水科學與工程、水文水資源工程，地質工程等專業的本科教學基礎課，每年有300多人次本科生在實驗室完成實驗教學內容。因此，實現水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式，促進教學方式和教學方法的改革是十分重要的[1-3]。實驗教學儀器的改進更新，實驗教學內容的增加，現代化的網絡信息技術的應用，實驗室全面開放，勢在必行。

1 實驗教學儀器的改進更新和開發利用

水文地質學基礎實驗室原有設備陳舊。自2014年以來，在學校本科教學實驗室設備類建設項目“水文地質學基礎”課程設備平臺建設項目中，研發更新了多種實驗設備，采用計算機技術、先進傳感器技術，自動記錄含水量和水位的數值變化，不但提高實驗儀器的測試精度，同時也使學生通過實驗課教學，掌握現代先進的實驗技術方法。

1.1 全自動達西儀

達西定律是地下水運動的基本理論，達西實驗是水文地質學基礎的重要實驗內容[4]，全自動達西儀見圖1，實驗系統由計算機、供水系統、滲流系統、傳感器以及相應的控制軟件組成。

圖1 全自動達西儀

供水系統：用水泵將水抽至高處供水箱，水箱設置溢流槽，保證水位穩定，而變頻器與計算機連接，控制水泵轉速，控制抽水量；滲流體從底部供水，水分從頂部滲出流入溢流槽，這樣系統內的水位保持穩定，可測得穩定時水頭差。

滲透系統：采用具有較好的透明性、力學性的有機玻璃圓柱制成，直徑為120 mm，高800 mm，下部設有進水孔，底部裝有過濾板(上面均勻分布直徑為2 mm的小孔)，上端有出水孔，供測量滲流量用。在不同高度等距開設兩組(每組3個)測壓孔。分別與測壓管、壓力傳感器連接。用于測量測壓水位、水壓數值。

測壓系統：滲透系統上的一組測壓管上安裝水位傳感器，與數據采集器、計算機相連，將水壓數據傳輸至計算機，測得不同高度的水頭差。

排水系統：滲透系統上的溢流槽內流出的水量，流入燒杯中，燒杯下的傳感器與數據采集器及計算機連接，可測得流量。

全自動達西儀測試水位、水量數值，速度快、精度高。

1.2 土柱儀

多功能土柱儀見圖2，用于測定土壤的容水度、持水度、給水度等。主要由計算機、供水系統、滲流系統、水分傳感器以及數據采集處理系統組成。

圖2 多功能土柱儀

供水系統：采用馬氏瓶用于恒定供水水位。

滲流系統：采用具有較好的透明性、力學性的有機玻璃圓柱制成，直徑為150 mm，高1 200 mm，兩側在不同高度等距設有直徑為30 mm的一系列測孔(用于安裝水分傳感器)。上下各有一個測孔，用于供水或排水。底部按有過濾板(上面均勻分布直徑為2 mm的小孔)，過濾板將土壤隔開，并能保持試樣均勻供水和排水。

水分傳感器：將水分傳感器等距均勻安裝在土柱儀的測孔內，用于測定試樣中的水分百分含量。

數據采集處理系統：水分傳感器采集的數據通過數據轉換器處理，由計算機軟件進行計算。

多功能土柱儀不但增加了測試項目，同時縮短了測試時間，水分傳感器實時監測試樣含水量數值，速度快、精度高。

1.3 多功能土壤滲透儀

多功能土壤滲透儀見圖3，用于測定粘性土壤的滲透系數。主要由注入系統、模型系統、溫控系統、計量系統、數據采集處理系統、控制柜組成。

注入系統：由儲液容器及調壓閥組成。

模型系統：由土樣夾持器及管閥件組成。

溫控系統：由恒溫箱構成。

圖3 多功能土壤滲透儀

計量系統：由壓力傳感器及顯示表和電子天平組成。

數據采集處理系統：包括壓力、溫度、天平等，采用進口數字采集控制卡，從而實現數字化采集傳輸。

多功能土壤滲透儀的特點是：自動測試土壤在不同固結壓力、不同溫度條件下的滲透性。同時可施加水頭壓力加快滲透速度，并實現穩定流滲透[5-6]。固結壓力及水頭壓力用精密壓力傳感器精密控制，數顯壓力表顯示讀數。土樣夾持器及管線閥件安裝在恒溫箱內，在恒定的空氣浴條件下進行試樣滲透實驗。滲透液出口利用出液收集裝置和精密天平測出滲出液體質量，由計算機軟件實時計數。該儀器設計先進，在實驗教學中，收到了很好的教學效果。拓展了儀器的使用功能，操作方便，測試精度高。

1.4 土柱儀測試功能開發

將土柱儀分別改裝成彌散實驗裝置和曝氣充氧實驗裝置，并應用于“水質污染與控制”,順利地完成了一維彌散、水中充氧兩項實驗。

(1) 彌散實驗裝置改裝，在土柱儀的測孔中均勻選取3個測孔，安裝上排水管(分布有均勻小孔的高壓尼龍管)，要垂直安裝在土柱儀中心，以便取出試樣中心流動的水。排水管要用銅紗網包上，以防排水時試樣流出。試樣自下而上進行飽和，試樣頂面放上兩層濾紙或安裝噴頭，使水能均勻滲透，排水用螺旋管夾控制排水速度。

(2) 曝氣充氧實驗裝置改裝，在土柱儀的底部放上曝氣裝置，用空氣壓縮機注入空氣，再用溶氧儀監測水中溶解氧的變化。

1.5 巖心孔隙度儀測試功能開發

研究了基于巖心孔隙度儀測定黏性土天然孔隙度的方法，該方法制樣簡單、測量速度快、測試精度高。

由于黏性土軟而松散，難以制成像固結巖心那樣的標準巖塊，根據巖心孔隙度儀套筒的規格和黏土的特性，設計制作了兩個取黏性土的環刀(見圖4)，規格分別為：直徑d=25.5 mm，長度L=30.8 mm；直徑d=25.5 mm，長度L=40.5 mm，用于制作不同試樣條件的測試標塊。用取土環刀取原狀土(見圖5)作為測試標塊，再將該標塊放入巖心孔隙度儀套筒中進行孔隙度測定。

圖4 取土環刀

圖5 土樣標塊

1.6 顆粒測定儀測試功能開發

利用顆粒測定儀開發了測定水中微量固相物質顆粒的方法，提出用估算法確定樣品中固相物質質量。顆粒測試儀常規測試樣品重量范圍為3～10 g，該方法可以完成0.3～0.5 g固相物質重量的粒度分析測試。

水中微量固相物質顆粒分析步驟：

(1) 將樣品進行沉淀處理，并吸除上層清水，獲得樣品固相物G0，利用顆粒測試儀測定該樣品的沉降曲線f0。

(2) 估計固相物質量上限G1，并測定其沉降曲線f2。

(3) 不斷調試上下限質量，測試系列沉降曲線，使f1和f2逼近，直至使其重合于f0，該固相物質量G0=0.5(G1+G2)，完成水中微量固相物測定。

該方法簡便實用，達到了測試要求。

1.7 滲壓儀多參數測定方法的研究與開發

在不增加投入的情況下，用滲壓儀測試土樣垂向與水平向固結系數、測定土樣的釋水系數與貯水系數、測定地層剖面不同深度滲透系數、測定不同深度巖土的含水量和測定不同巖土的水質變化規律的研究等多項參數。將原來單一的滲透系數測定擴展為多參數測定。

(1) 測定土樣的釋水系數與貯水系數。承壓水和潛水含水層的釋水與貯水，是用滲壓儀將試樣放在滲壓容器中壓縮，回彈模擬實驗來實現的。承壓水頭和潛水位的變化，是引起含水層壓縮釋水或回彈貯水的主要因素。根據水位動態的變化規律，設計壓縮釋水與回彈貯水試驗的逐級荷載，待固結穩定后的壓縮和回彈量即為釋水和貯水量。

(2) 不同壓力條件下滲透系數測定。將飽和后的試樣裝入滲壓容器內，由小到大逐級向試樣施加壓力，當每級固結壓力穩定后(百分表1 h內讀數變化≤5 μm)，再進行滲透，即可求出每級固結壓力下的滲透系數。以此類推，即可求出不同壓力條件下的滲透系數。

(3) 不同壓力條件下含水量的測定。將飽和試樣去掉上下濾紙后稱重，再裝入滲壓容器內，由小到大逐級向試樣施加壓力，當每級固結壓力穩定后(百分表1 h內讀數變化≤5 μm)，取出試樣，去掉濾紙再稱重，以此類推，即可求出不同壓力條件下的含水量。

(4) 測定不同巖土的水質變化規律。將研究水質的離子按要求的濃度配制，作為滲透溶液對不同種巖性進行滲透實驗，濃度由小到大，依次進行滲透試驗。將滲透出的溶液分別測試其濃度的變化進行分析。

2 增加實驗項目、豐富實驗教學內容

為了使學生在有限的實驗課學時內，完成更多的實驗內容，我們在2013版實踐教學大綱的編寫時，在不增加實驗課學時的情況下，由原來的4個實驗項目增加至8個實驗項目。實驗介質由一種變多種，模擬實驗的試樣由單一變為多樣化，豐富實驗教學內容。

2.1 增加實驗項目

“水文地質學基礎”實驗課學時按教學大綱要求為8學時，實驗項目由2009版實踐教學大綱開出達西實驗、巖石持水度測定、巖石給水度測定及毛細上升高度測定4個,增至2013版實踐教學大綱的8個實驗項目，在不增加實驗課學時的情況下，既保持了原有的實驗項目，同時又增加了巖石容水度測定、土壤顆粒分析、潛水演示實驗及承壓水演示實驗4個實驗項目，實驗項目數翻了一倍。使學生在實驗課教學環節中，能夠掌握更多的實驗方法，學到先進的實驗技術，提高實踐能力。

2.2 豐富實驗教學內容

(1) 實驗介質由1種增加到3種。在達西實驗、巖石持水度測定、巖石給水度測定及毛細上升高度測定實驗中，都是測定水在不同介質中運動時，介質所體現處的各種規律。因此，介質在水文實驗中起著重要的作用。以往的實驗方法，都是采用一種透水性較好的介質(中砂)，來進行試驗。實驗結果也只能得出一種介質的水理性質，中砂的滲透系數、持水度與給水度及毛管上升高度。對不同的介質(粗砂或細砂)的水理性質，教師只是向學生介紹一下而已，學生無法從實驗中得出結論。面對這個問題，在現有的條件下，不延長實驗學時，通過實驗得出不同的介質的水理性質，就要挖掘實驗儀器的潛能。根據目前存在的問題，我們進行了實驗教學內容的改革，用同種實驗儀器分別裝上不同的介質(粗、中、細石英砂)進行試驗。先將現有相同的儀器分成3組，每組儀器裝上同種介質(粗砂、中砂或細砂)，裝樣時，每組試樣容重(密度)要盡量相同，以防容重的差異，影響實驗效果。再將做實驗的學生分成3組，每組學生用裝上同種介質的儀器進行試驗，試驗完畢，各組學生相互輪換，再做實驗，直至將3種不同介質的實驗做完。這樣使學生在有效的時間內，既熟練了儀器的使用，也掌握了實驗的方法，同時也得到了不同介質的水理性質，實驗資料由1種到3種，實驗的結果也將單一介質實驗推廣為多介質實驗，豐富了實驗內容。使學生在有限的時間內，通過實驗得出3種不同介質的水理性質，達到了更好的實驗效果。

(2) 由驗證性實驗推廣到綜合性實驗和設計性實驗。“水文地質學基礎”是專業基礎課。實驗教學的內容主要是一些驗證性的實驗。如驗證定律的實驗(達西實驗)和巖土的水理性質測試實驗(容水度、持水度和給水度的測定等)。綜合性實驗和設計性實驗很少，甚至沒有。因此，實驗課內容要從驗證課堂所學理論的驗證性實驗，提高到在學科內一門或多門課程內容的綜合性實驗，以至于提高到自行設計實驗方案、獨立操作完成設計性實驗。這就要對教學內容改革、更新，才能盡快提高實驗教學質量。

在實驗室現有的條件下，利用土柱實驗儀，改變實驗介質條件進行實驗，給學生一些地層剖面的結構圖(厚層黏土除外)，按地層的巖性、密度裝樣，這樣所測的各項參數，具有代表性，更具有實際意義。此外，還可結合科研課題，設計實驗介質的結構，進行各種條件下的實驗。

3 新編實驗指導書及多媒體課件

在近兩年水文地質學基礎實驗設備建設項目中，達西儀等設備得到更新改進，先進的傳感器及計算機技術應用實驗儀器上，設計制作了自動達西儀等教學儀器，實驗儀器的原理和實驗方法都有所改變。按2013版實驗大綱要求的實驗項目內容由2009版的4個實驗項目增加到8個實驗項目，結合水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式的特點，新編了“水文地質學基礎實驗指導書”，并在學校網絡教學建設項目“文地質學基礎微實驗”的支撐下，完成“文地質學基礎微實驗”腳本的編寫，該腳本不但包括2013版實驗教學大綱要求的實驗項目，而且還包括2013版實驗教學大綱沒有的綜合性、設計性和創新性的三性實驗，如畢托管法地表水流速測量實驗、流域水文循環仿真實驗等學科前沿的先進實驗設備及相關實驗項目的多媒體課件。多媒體課件也已經進入制作階段，該課件以實驗教學實驗儀器為基礎，運用聲音、圖像、圖片、文本等多種技術手段，直觀、具體、生動、形象地展示給學生認知對象，更適合學習者使用，為學生自主學習，搭建網絡教育資源共享和學習支持服務平臺。

4 實驗教學方法多樣化

4.1 實驗教學現狀及存在的問題

(1) 水文地質學基礎實驗現有的教學模式是在教師帶領下共同進行的，隨著實驗學生人數的逐年增多，實驗課的壓力越來越大，5、6名同學共用一臺設備的情況已是普遍現象，有的實驗甚至只有一兩臺儀器，如土壤顆粒分析實驗僅有一臺沉降式顆粒分析儀和一臺激光粒度分析儀。這不僅影響了實驗教學的效果，更加影響了學生實驗的積極性與主動性。

(2) 水文地質學基礎實驗學時為8學時，按2013版實驗大綱要求，實驗內容由2009版的4個實驗項目增加到8個實驗項目，在不增加學時的情況下，原有的實驗條件和教學模式難以完成現有的實驗教學內容，更達不到好的實驗效果。

改變現有的實驗教學模式，創建水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式,實現實驗課程由教師講課的模式向自主開放式模式轉變，以擺脫現有實驗課程壓力大、效果差、老師教、學生做、實驗室利用時間短且集中擁擠、實驗儀器閑置時間長的不良狀態。因此，網絡混合式教學模式的建立與實踐勢在必行。

4.2 課堂教學與網絡教學相結合

(1) 網絡自主學習。將編寫的“水文地質學基礎實驗指導書”和制作的“水文地質學基礎微實驗”多媒體課件，作為網絡水文地質學基礎實驗教學課件，用于學生自主學習，教師和學生在網上互動，在線隨時解答問題，拓展實驗教學的時間和空間[7-8]。實驗教材對實驗目的、實驗原理、儀器結構、實驗步驟、資料整理及思考題等內容均作了清楚地介紹，詳細、直觀地將各個實驗的全部內容體系和操作過程完整地展示給學生，更有利于學生自學。學生能夠自主安排做實驗的時間，以靈活的方式完成實驗理論學習，了解實驗的整體過程，并能在實驗室獨立進行實驗，從而提高實驗室的利用率和實驗教學效果。

(2) 課上講解答疑。在實驗課上，教師結合實驗儀器講解儀器的結構、實驗原理、實驗步驟及相關實驗注意事項，對學生提出的問題進行解答，使學生從感性認識到理性認識。學生做實驗項目的內容可在課堂上多項內容同時開展，也可預約時間，隨時到實驗室完成必做實驗項目，同時還可完成綜合性、設計性和創新性的選擇實驗項目。

5 實驗室開放管理

水文地質學基礎實驗室實行全面開放式管理，是實現水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式的必要條件[9-13]，做好實驗室的開放關鍵是合理安排時間，健全開放管理制度。

由于目前實驗室負責人，每人都負責多個實驗室，這給實驗室的全面開放帶來了一定的困難。因此，要想解決這個問題，實驗室負責人要根據教學課程的進度，制定各實驗室的開放時間、開放實驗項目的計劃，統一安排，可采取全天開放、階段開放、定期開放或預約開放等多種形式，按計劃實施，以保障各實驗室的順利開放。

良好的運行模式必須依靠管理制度的保障[14-17]。為了保障水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式的順利運行，我們還制定了開放實驗制度，主要是實驗室負責人的職責和對學生的要求。實驗室負責人要負責審查開放實驗項目、實驗技術指導、實驗材料準備、實驗儀器使用記錄管理等項工作，同時還要對學生要進行安全培訓。學生進實驗室應嚴格遵守實驗室各項規章制度，按預約時間做實驗，填寫實驗儀器使用記錄。

6 結 語

通過對我校水文地質學基礎實驗教學模式改革內容的介紹，得出以下幾點結論：

(1) 通過對達西儀、土柱儀及土壤滲透儀等教學儀器的改進更新、測試方法開發，極大豐富了教學內容，使學生學到先進的實驗技術，提高實踐能力。

(2) 課堂教學與網絡教學混合模式的建立，學生能夠自主安排做實驗的時間，以靈活的方式完成實驗理論學習，提高了實驗儀器的利用率和實驗教學效果。

(3) 實驗室開放管理，無論在時間、空間、實驗內容等方面，都更加滿足實驗教學大綱的要求。保障各實驗室的順利開放，留給學生更加充裕的時間完成實驗，可促進對其科研及創新能力的培養。

綜上所述，水文地質學基礎實驗網絡混合式教學模式切實可行。

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Reformation on the Mixed Teaching Model of Laboratory and Networkfor General Hydrogeology

ZHAO Yuhong, SUN Xiaoqing, BIAN Jianmin, XIAO Changlai, JIANG Huizhong

(College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China)

In order to improve the students’ quality education, cultivate the innovative spirit and practice ability, the research and exploration of the experiment teaching methods, teaching instrument, teaching contents and lab management and so on have been carried out. The hybrid teaching mode of experiment and network for the general hydrogeology is reformed and researched. Through the adoption of modern network information technology, a mixed teaching mode is created. The advanced sensor technology is applied to the experimental teaching. We develop a variety of new experiment teaching instruments, make the micro multimedia courseware of general hydrogeology, and establish comprehensive opening laboratory management system. Through the above reforming measures, the students can learn experimental contents autonomously by the network before class, prepare for the series experiment project, and do the experiment in the lab. The experiment is not restricted by school, space, content. At the same time, one or more of the experiment contents can be completed. The combination of network and experiment teaching, the space and time for the experimental teaching are expanded, it increases the experiment content, makes the teaching content and expression way to be more colorful. The mixed teaching model of laboratory and network is better for students to understand the professional theory knowledge.

hydrogeology; mixed teaching model; experimental instrument; experimental contents; experiment methods; opening laboratory

2016-09-07

吉林大學網絡教學建設項目(2015066)水文地質學基礎微實驗；吉林大學本科生教學改革研究項目(2015XYB104)；吉林大學2015年度本科專業綜合改革試點-環境與水資源班復合型人才培養綜合改革(2015-27)

趙玉紅(1960-)，女，吉林長春人，高級工程師，主要從事水文地質實驗研究。

Tel: 0431-88502606; E-mail: zhaoyh@jlu.edu.cn

G 424.31

A

1006-7167(2017)08-0217-05