在教學(xué)中培養(yǎng)水利人才核心素養(yǎng)的探討

謝一凡 魯春輝 吳吉春

[摘 要] 水文水資源、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課“地下水動(dòng)力學(xué)”的教學(xué)，融入培養(yǎng)學(xué)生水利人才核心素養(yǎng)的教育理念，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革和研究，通過豐富課程內(nèi)容、優(yōu)化學(xué)習(xí)方法、改良教學(xué)方式，幫助學(xué)生深入理解教學(xué)內(nèi)容，著力培養(yǎng)學(xué)生的水利人才核心素養(yǎng)，強(qiáng)化素質(zhì)教育，期待為“地下水動(dòng)力學(xué)”的教學(xué)研究提供參考。實(shí)踐表明，基于核心素養(yǎng)理念的“地下水動(dòng)力學(xué)”教學(xué)過程，能夠提高教學(xué)質(zhì)量，有利于水利人才關(guān)鍵能力和必備品格的培育。

[關(guān)鍵詞] 地下水動(dòng)力學(xué);教學(xué)改革;水利人才;核心素養(yǎng)

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）03-0085-04? ?[收稿日期] 2020-10-16

一、引言

人的核心素養(yǎng)是解決復(fù)雜問題和適應(yīng)不可預(yù)測情境的必備品格和關(guān)鍵能力。提出這一教育理念旨在勾勒新時(shí)代新型人才的形象，規(guī)約學(xué)校教育的方向、內(nèi)容和方法。“地下水動(dòng)力學(xué)”[1]是研究地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律和定量評價(jià)地下水資源的基礎(chǔ)，是與地下水緊密相關(guān)的專業(yè)人員研究和解決與地下水有關(guān)的水工環(huán)問題的理論依據(jù)和重要工具，是水工環(huán)各專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在水工環(huán)各專業(yè)核心素養(yǎng)培育中具有獨(dú)特價(jià)值[2-4]。當(dāng)前，我國許多地方存在地下水資源儲(chǔ)量減少、水質(zhì)污染、海水入侵、地面沉降、土壤惡化、工程地質(zhì)災(zāi)害等資源、環(huán)境和災(zāi)害問題。新時(shí)期水科學(xué)研究和水工環(huán)各專業(yè)面臨的實(shí)際問題的解決，要求我們深入推進(jìn)以核心素養(yǎng)培養(yǎng)為目標(biāo)的課程教學(xué)改革[5，6]。本文針對“地下水動(dòng)力學(xué)”課程的性質(zhì)和特點(diǎn)，進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容和方法的改革優(yōu)化研究與實(shí)踐，旨在幫助學(xué)生深入理解和掌握學(xué)科核心內(nèi)容，強(qiáng)化素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的水利人才核心素養(yǎng)，期待能為本課程的教學(xué)研究提供參考。

二、依托核心教學(xué)內(nèi)容蘊(yùn)含的教育資源滲透水利人才的必備品格教育

不同學(xué)科知識(shí)具有不同的價(jià)值，學(xué)科核心內(nèi)容蘊(yùn)含專業(yè)人才必備品格和關(guān)鍵能力的培育因素。所謂學(xué)科核心內(nèi)容，是指對專業(yè)核心素養(yǎng)形成發(fā)展具有奠基作用的、對專業(yè)學(xué)習(xí)和工作具有核心價(jià)值的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法。為此，在本課程教學(xué)中，我們精心選擇核心概念、基本定理和方法，依托其蘊(yùn)含的豐富教育資源，夯實(shí)素養(yǎng)知識(shí)基礎(chǔ)，有的放矢地進(jìn)行學(xué)科專業(yè)核心素養(yǎng)培育。

1.依托學(xué)科核心概念和基本定理教學(xué)，擇機(jī)進(jìn)行尊重規(guī)律的觀念培育。達(dá)西定律等地下水基本定理是“地下水動(dòng)力學(xué)”課程中基礎(chǔ)的核心概念，在水工環(huán)各專業(yè)核心素養(yǎng)培育中具有極其重要的價(jià)值。達(dá)西定律教學(xué)實(shí)質(zhì)上是地下水滲流規(guī)律和能量守恒規(guī)律教育教學(xué)，蘊(yùn)含豐富的尊重規(guī)律意識(shí)培育因素。如果忽視地下水滲流規(guī)律和能量守恒規(guī)律，就不能精確掌握和描述地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就不能科學(xué)評估水資源。如果違背地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在地下水的開采利用、地下水工程建設(shè)等實(shí)踐中，會(huì)面臨一系列問題，甚至導(dǎo)致地質(zhì)、環(huán)境災(zāi)害。因此，在達(dá)西定律等地下水動(dòng)力學(xué)基本定理及其相關(guān)數(shù)值模擬教學(xué)中，教師需要堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際的根本方法，幫助學(xué)生深入理解和掌握，奠定學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)知識(shí)基礎(chǔ)，并通過實(shí)例說明，以幫助學(xué)生樹立尊重規(guī)律的觀念。如，教師在教授利用有限單元法進(jìn)行達(dá)西滲透流速模擬等地下水?dāng)?shù)值模擬過程時(shí)，需要在講解有限單元法等數(shù)值方法內(nèi)容的同時(shí)，分析這些方法在概化地下水模型時(shí)的一些簡化處理手段，同時(shí)簡要評述有限單元法等數(shù)值方法的優(yōu)缺點(diǎn)，比如通過呈現(xiàn)“由于有限單元法算法框架的限制，在建立數(shù)值模型時(shí)，會(huì)忽略所計(jì)算的達(dá)西滲透流速在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的連續(xù)性，并且所計(jì)算的達(dá)西滲透流速在介質(zhì)物理交界面處不滿足折射定律這一基本物理規(guī)律”的例子，說明如果忽視客觀規(guī)律，就不能精確、高效地模擬地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最后，列舉介紹一些符合達(dá)西滲透流速連續(xù)性、折射定律的新型數(shù)值方法，并將其與有限單元法進(jìn)行對比，以此加深學(xué)生尊重物理規(guī)律的教育，教導(dǎo)學(xué)生在建立地下水?dāng)?shù)值模型時(shí)需要深入分析地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并結(jié)合具體的模擬問題要求，選擇合適的數(shù)值模擬方法建立準(zhǔn)確的數(shù)值模型。

2.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)方式，有效進(jìn)行精神品格培育。學(xué)科核心內(nèi)容富含專業(yè)人才關(guān)鍵能力和必備品格培育因素，能否充分開發(fā)利用好其蘊(yùn)含的教育資源，是成功教學(xué)的關(guān)鍵。以往“地下水動(dòng)力學(xué)”教學(xué)，由于教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)方式單一，制約了其教育資源的充分利用，影響了其教育功效的發(fā)揮。為此，必須優(yōu)化本課程核心教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，根據(jù)學(xué)情和學(xué)科核心內(nèi)容教學(xué)與品格培育的需要，適當(dāng)增加和穿插一些典型例子，以栩栩如生的方式少量介紹一些地下水研究成果和著名專家、學(xué)者及工程建設(shè)者的事跡，講好他們的故事，以更好地開發(fā)利用本課程核心教學(xué)內(nèi)容的教育資源，傳承我國優(yōu)秀水文化，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和刻苦鉆研、求真務(wù)實(shí)、勇于奉獻(xiàn)的精神。例如，在講授地下水?dāng)?shù)值模擬方法時(shí)，講述我國地下水?dāng)?shù)值模擬的發(fā)展歷程。如馮康教授獨(dú)立開發(fā)有限元算法，為我國地下水?dāng)?shù)值模擬提供了重要基礎(chǔ)方法;肖樹鐵、薛禹群、謝春紅等老一輩地下水科學(xué)工作者，自發(fā)組織“神仙會(huì)”，進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬的討論與研究，為我國地下水?dāng)?shù)值模擬奠定了基礎(chǔ);等等。借以進(jìn)行地下水科學(xué)工作者和工程建設(shè)者的精神、事跡教育，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)老一輩科學(xué)工作者心系國家、服務(wù)國家和人民的家國情懷，以及刻苦鉆研、攻堅(jiān)克難、奉獻(xiàn)自我、獻(xiàn)身地下水科研和工程建設(shè)事業(yè)的奉獻(xiàn)精神和意志品格，以深化愛國主義教育，加強(qiáng)學(xué)生求真、務(wù)實(shí)、奉獻(xiàn)的品格塑造。

三、加強(qiáng)學(xué)科方法論教學(xué)，強(qiáng)化水利人才的關(guān)鍵能力培養(yǎng)

1.學(xué)科方法論教學(xué)對水利人才關(guān)鍵能力培養(yǎng)的意義。方法論是人們認(rèn)識(shí)世界、改造世界的方法理論，通常涉及對問題階段、任務(wù)、工具、方法技巧的論述，會(huì)對一系列具體的方法進(jìn)行分析研究、系統(tǒng)總結(jié)并最終提出較為一般性的原則，是一種以解決問題為目標(biāo)的理論體系或系統(tǒng)。方法論是創(chuàng)新的源泉和解決問題的關(guān)鍵，它可以為科學(xué)研究和解決實(shí)際問題提供方向、路徑、策略、方法與思維框架。“地下水動(dòng)力學(xué)”的學(xué)科方法論是數(shù)值模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和野外勘察等基本方法構(gòu)成的體系，它是“地下水動(dòng)力學(xué)”學(xué)科的核心教學(xué)內(nèi)容，蘊(yùn)含最為重要的學(xué)科專業(yè)關(guān)鍵能力培育因素。因此，在本課程的教學(xué)中，強(qiáng)化其方法論教學(xué)，對水利人才的關(guān)鍵能力培養(yǎng)具有重要意義。

2.依托學(xué)科方法論強(qiáng)化水利人才關(guān)鍵能力培養(yǎng)的探索。數(shù)值模擬是地下水研究的重要技術(shù)手段，也是解決地下水資源過量開采、水質(zhì)污染、海水入侵等問題的重要途徑之一，它蘊(yùn)含許多思想方法、經(jīng)驗(yàn)智慧與技術(shù)路徑和策略。如地下水問題常具有大尺度，研究區(qū)域很廣，含水介質(zhì)具有非均質(zhì)性，難以精確描述。應(yīng)用傳統(tǒng)有限單元法進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，必須精細(xì)剖分，保證網(wǎng)格內(nèi)部滲透系數(shù)可視為常數(shù)，從而精確描述含水介質(zhì)滲透系數(shù)的非均質(zhì)性，由此導(dǎo)致計(jì)算單元數(shù)目巨大，不僅需要龐大的計(jì)算消耗，而且需要高性能計(jì)算硬件的支持。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和并行技術(shù)等一些新的計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐漸出現(xiàn)，雖然在某種程度上能夠緩解數(shù)值模擬的計(jì)算成本問題，但仍然存在一些問題，如機(jī)群計(jì)算技術(shù)受帶寬的限制、共享內(nèi)存多處理器技術(shù)的硬件昂貴、我國高性能計(jì)算機(jī)群資源的稀缺等。針對地下水問題的大尺度特性和非均質(zhì)特性，國內(nèi)外科學(xué)工作者提出了多尺度有限單元法，該方法具有粗、細(xì)兩層尺度的網(wǎng)格剖分，可在粗尺度網(wǎng)格單元上構(gòu)造滿足退化的橢圓方程的多尺度基函數(shù)汲取細(xì)尺度信息，再通過尺度提升技術(shù)降低計(jì)算成本。簡而言之，該方法通過基函數(shù)來“負(fù)責(zé)”細(xì)網(wǎng)格單元，可以將細(xì)尺度問題轉(zhuǎn)換為粗尺度問題，即精細(xì)把握關(guān)鍵部分，簡化次要部分。通過構(gòu)造局部基函數(shù)抓住研究區(qū)信息，將細(xì)尺度上的問題提高到大尺度上求解，實(shí)現(xiàn)通過關(guān)鍵性內(nèi)點(diǎn)把握區(qū)域整體，在區(qū)域整體中研究關(guān)鍵性部分，在核心部分采用精細(xì)剖分的網(wǎng)格進(jìn)行處理，對關(guān)鍵部分進(jìn)行精細(xì)研究，把握問題解決的精度;在宏觀區(qū)域整體進(jìn)行簡化處理以降低計(jì)算消耗，提高計(jì)算效率。這樣才能在有限的條件下高效、精確地處理相對復(fù)雜的地下水問題。

通過上述內(nèi)容和實(shí)例教學(xué)，不僅使學(xué)生了解了許多數(shù)值模擬思想方法和技術(shù)策略，培養(yǎng)了學(xué)生的關(guān)鍵能力，而且拓展了學(xué)生的學(xué)科視野，使其認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)學(xué)科方法論的價(jià)值，懂得只有學(xué)會(huì)了學(xué)科方法論，具備了運(yùn)用地下水動(dòng)力學(xué)知識(shí)和方法進(jìn)行建模的良好能力，才能更好地探索地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更加精確地把握和描述地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更加高效、精確地解決地下水實(shí)際問題。

四、改革優(yōu)化教學(xué)方法，著力提高水利人才必備品格和關(guān)鍵能力培養(yǎng)的實(shí)效

1.強(qiáng)化討論和探究，增強(qiáng)探究精神和能力的培育效果。“地下水動(dòng)力學(xué)”理論性強(qiáng)，其機(jī)理以公式推導(dǎo)為主，在教學(xué)過程中含有大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，對于學(xué)生的認(rèn)知與理解具有較大的挑戰(zhàn)。在過去的課程教學(xué)中，遇到公式推導(dǎo)，多以教師演示、講解為主，往往忽視學(xué)生的教學(xué)參與，學(xué)生缺乏推導(dǎo)過程的親歷，不僅所獲知識(shí)缺少“活力”，而且影響了對學(xué)生的探究精神和能力的培育。因此，我們增加了學(xué)生對公式推導(dǎo)的親歷，強(qiáng)化了課內(nèi)外討論和探究，在進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)教學(xué)時(shí)，巧妙組織學(xué)生討論，引導(dǎo)學(xué)生探究這些數(shù)學(xué)公式的由來、內(nèi)容、價(jià)值、適用范圍和條件，研究數(shù)學(xué)公式中蘊(yùn)含的地下水動(dòng)力學(xué)過程的物理意義。實(shí)踐證明，這能大大提高探究精神和能力培育的有效性。

2.利用網(wǎng)絡(luò)科技手段，突破時(shí)空對教學(xué)的限制，拓寬學(xué)生的視野，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力。利用騰訊會(huì)議、中國大學(xué)MOOC（慕課）國家精品課程在線學(xué)習(xí)平臺(tái)等多種新型網(wǎng)絡(luò)科技手段，能夠有效地突破時(shí)間、空間對課堂教學(xué)的限制，令學(xué)生可以隨時(shí)、隨地的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)了學(xué)生課外學(xué)習(xí)的意識(shí)，方便了學(xué)生課內(nèi)與課外的學(xué)習(xí)過程，增強(qiáng)了教師與學(xué)生之間的交互，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。例如，2020年新型冠狀肺炎疫情期間，全國進(jìn)行疫情防控，學(xué)生無法到校學(xué)習(xí)，河海大學(xué)采用線上授課的方式，通過網(wǎng)絡(luò)軟件進(jìn)行授課，使我國各個(gè)地區(qū)的學(xué)生，甚至海外留學(xué)生，都能夠保質(zhì)、保量地接受課程教學(xué)。通過建立課程QQ群，教師能夠?qū)⒁恍┱n外資料的鏈接上傳到網(wǎng)絡(luò)軟件中，方便學(xué)生自由瀏覽，提高了學(xué)生的主動(dòng)性。學(xué)生存在問題時(shí)，可以直接在課程QQ群內(nèi)提問，教師能夠及時(shí)進(jìn)行回答，為具有相同問題的學(xué)生提供參考與回溯，也能組織學(xué)生進(jìn)行課外討論，而不再受傳統(tǒng)課堂時(shí)間、空間的限制。還可以邀請一些知名地下水動(dòng)力學(xué)科學(xué)工作者，通過騰訊會(huì)議等網(wǎng)絡(luò)軟件，進(jìn)行線上直播講座，講述他們自己或在指導(dǎo)學(xué)生時(shí)的事跡與實(shí)際工作，并與學(xué)生進(jìn)行交流，這樣不僅豐富了“地下水動(dòng)力學(xué)”的教學(xué)體系，拓寬了學(xué)生的視野，而且讓學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到知名地下水科學(xué)工作者的科學(xué)研究方法，以及求真務(wù)實(shí)、刻苦鉆研等優(yōu)秀學(xué)術(shù)精神，從而激發(fā)學(xué)生地下水科學(xué)研究的興趣，也實(shí)現(xiàn)了地下水科學(xué)學(xué)術(shù)精神的傳承與發(fā)展。通過線上講座，學(xué)生能夠與著名地下水學(xué)者面對面地交流，不僅學(xué)習(xí)了“地下水動(dòng)力學(xué)”的原理與知識(shí)，了解到地下水科學(xué)研究的完整過程，而且能更加真切地感受與學(xué)習(xí)著名學(xué)者的科學(xué)精神，實(shí)現(xiàn)了學(xué)術(shù)精神的傳承，這將對學(xué)生們今后的學(xué)習(xí)與科研具有深遠(yuǎn)的影響和重要的意義。

3.加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，積極引導(dǎo)科研參與，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力。利用教學(xué)方法體系的優(yōu)勢，充分發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)的獨(dú)特功能，帶領(lǐng)學(xué)生參與地下水動(dòng)力學(xué)室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)、野外考察工作，幫助學(xué)生獲得與地下水動(dòng)力學(xué)理論相匹配的豐富感性經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合實(shí)踐能力。例如，在講授地下水滲流的基本定律章節(jié)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室授課，帶領(lǐng)學(xué)生現(xiàn)場完成達(dá)西實(shí)驗(yàn)。通過親手實(shí)踐，讓學(xué)生了解達(dá)西設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思想過程，使其獲得了該實(shí)驗(yàn)的專業(yè)實(shí)踐技能和綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力，懂得了科學(xué)研究源于實(shí)踐作用于實(shí)踐的道理，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的求實(shí)精神，激發(fā)了學(xué)生對“地下水動(dòng)力學(xué)”課程的興趣。

積極引導(dǎo)對地下水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)研究感興趣的學(xué)生參與創(chuàng)訓(xùn)項(xiàng)目，加入課題組實(shí)習(xí)，初步參加地下水科學(xué)項(xiàng)目的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究和野外考察工作，培育學(xué)生對地下水動(dòng)力學(xué)問題的發(fā)現(xiàn)探究能力，培育學(xué)生根據(jù)實(shí)際地下水動(dòng)力學(xué)物理規(guī)律創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題的意識(shí)與能力。提前開展科研活動(dòng)，能夠令學(xué)生對科研工作有初步了解，對學(xué)生職業(yè)生涯規(guī)劃與選擇具有深遠(yuǎn)的意義，也能夠發(fā)掘適于參與學(xué)術(shù)研究的人才，令其能夠提前開展科研工作，選擇自己感興趣的研究方向，盡早地進(jìn)入科研狀態(tài)，為其今后的學(xué)術(shù)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

基于核心素養(yǎng)培育的“地下水動(dòng)力學(xué)”教學(xué)改革，不但使課堂變得豐富、有趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極性，而且使學(xué)生掌握了良好的學(xué)習(xí)方法，增強(qiáng)了學(xué)生具體問題具體分析和持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。同時(shí)，能夠引導(dǎo)學(xué)生開展初步研究，培養(yǎng)其探究精神和能力，使學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，具備運(yùn)用“地下水動(dòng)力學(xué)”知識(shí)和方法創(chuàng)造性地解決問題的初步能力。通過模擬實(shí)踐，學(xué)生從會(huì)學(xué)變?yōu)闀?huì)做，進(jìn)而促進(jìn)了“地下水動(dòng)力學(xué)”課程理解及相關(guān)實(shí)踐工作能力的發(fā)展，同時(shí)還能塑造學(xué)生優(yōu)秀的品格，提升學(xué)生的愛國意識(shí)，培養(yǎng)求真務(wù)實(shí)的精神。實(shí)踐證明，核心素養(yǎng)理念下的“地下水動(dòng)力學(xué)”教學(xué)，能夠提高學(xué)生的認(rèn)知與理解，有利于水利人才關(guān)鍵能力和必備品格的培育。

參考文獻(xiàn)

[1]吳吉春，薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]王錦國，周志芳，張發(fā)明.地質(zhì)工程專業(yè)地下水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)改革初探[J].中國地質(zhì)教育，2008，17（4）：128-130.

[3]文章.關(guān)于地下水動(dòng)力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐的幾點(diǎn)思考[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（18）：181.

[4]黃金柏，溫佳偉，王斌，等.數(shù)值模擬應(yīng)用于地下水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2013（19）：71-73.

[5]喻平.發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)與策略[J].課程·教材·教法，2017（1）：48-53，68.

[6]張紫屏.基于核心素養(yǎng)的教學(xué)變革——源自英國的經(jīng)驗(yàn)與啟示[J].全球教育展望，2016（7）：3-13.