將三維地質建模融入水文地質課程的教學實踐改革*

王益偉 李博 劉埔 褚學偉 段先前

（貴州大學資源與環境工程學院）

水文地質學是一門以地下水為研究對象，以巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及人類活動相互作用下地下水量和水質的時空變化規律為研究主體的學科[1-2]。全國地質和礦業類高校的地質相關專業均開設了水文地質學課程。同時，隨著地下水生態環境日益受到關注，環境類相關專業也將其作為選修類課程，加入培養計劃。水文地質學在地下水資源的評價、開發與利用以及各種工程建設中起到了極其重要的作用。

水文地質學作為地質學的一門重要分支，在教學過程中需要學生有一定的地質學基礎，在構建含水層的概念模型，理解地下水埋藏條件等學科基本概念時，均需要有地質學的儲備知識。一般在開設該課程之前，學生都應修完地質學相關課程。然而，如何構架起地質學與水文地質學的知識橋梁，在水文地質教學過程中是一個重要環節。因此，將三維地質建模融入水文地質課程的教學過程中，既有利于學生對先導地質課程的復習，又有利于對水文地質課程的深入理解。

一、三維地質建模融入水文地質課程的教學實踐改革

三維地質模型不僅能夠全面具體地展現復雜的地質現象與地質過程，而且在地殼穩定性評估、城市規劃、重點工程選址以及地下空間開發利用等方面也發揮著重要作用[4-5]。將三維地質建模融入水文地質課程中，既能讓學生對水文地質現象有較為直觀、形象的認識，同時也能提高學生的空間分析能力。由于將三維地質建模融入水文地質課程的過程中需要采用具體的工程數據，以項目形式展開，這一過程的訓練可增強學生的數據分析能力、動手能力及綜合解決問題的能力。另外，項目小組共同完成建模學習也有利于培養學生合作及互助的精神。基于以上三維地質建模與水文地質教學結合的優勢，以下將從教學設計、教學內容及學生能力訓練三個方面進行教學實踐改革（如圖1）。

圖1 實踐改革流程圖

（一）在水文地質教學設計中融入地質體的三維概念

水文地質學的研究對象是三維空間中的地質體及水體，在傳統的教學中，由于教學手段單一，給學生建立的概念往往是一維、二維的概念。然而，隨著本學科的不斷發展，地質體的三維空間信息將影響我們對地下水賦存及運動規律的認識。因此，在教學設計環節也應該順應學科要求，建立起三維的概念。本次教改中的教學設計包括前期準備、具體實施及考核三個階段。

（1）前期準備階段：①教師準備。梳理出水文地質學中需要用到的基本地質學概念，明確所用到的概念與水文地質學的關系。例如，巖石巖性作為含水層的主要儲水介質，不同巖性將對含水層的空間分布、水質變化產生重要的影響構造通常控制了區域地下水的總體流向及賦存空間，不同構造在含水層形成過程中起著不同的作用等。②學生準備。提前將三維地質建模方法的相關課件及建模軟件發放給學生，讓學生先行學習，學生需要利用已知的二維一維地質數據，通過建模建立起三維地質體的概念。

（2）具體實施：①教師。將每章節梳理出的與水文地質學相關的基本地質學概念作為教案引導部分寫入教案，設計三維建模內容，與含水層概念模型章節相結合，一般教材中給出的含水層概念模型多為一維、二維的，將三維模型的概念融入水文地質教學，有利于學生形象地理解含水層的相關概念。②學生。針對引導部分的內容設計提問環節，組織學生分組討論，并構架起地質學與水文地質學的知識橋梁。

（3）考核：任課教師根據學生在教學開展階段各方面的綜合表現，如課堂出勤和提問情況、數值實驗操作情況和實驗成果報告等，最終給出學生實驗課程成績并進行評價。由于融入三維地質建模，建模過程需要小組合作，其考核標準中還可引入小組互評的方式，增加考核環節的公平性。最終考核各指標應進行量化，給出相對客觀的評價（如表1所示）。

表1 平時成績打分表

（二）在教學內容中增加三維地質建模內容

在水文地質課程教學中，除了課堂教學及實驗教學，還有上機模擬的部分。增加三維地質建模的教學內容，既有利于學生理解含水層的相關概念，又有利于學生在后續課程對地下水動力學及地下水數值模擬等課程的學習。教學內容將增加以下內容：

（1）地質圖讀圖。這是水文地質學的基礎課程，多數學校開設主要是針對低年級學生。其先導課程為普通地質學或自然地理學等，盡管學生通過先導課程對地質學的內容有了初步的概念，但學生對地質現象的認識是否有深刻的了解，以及不同學生對該課程掌握的程度難以檢驗。這無形中增加了教師在講解水文地質學時學生理解相關問題的難度。通過地質讀圖的學習，將對學生學習到的內容有一個綜合性的復習，檢驗學生對先導課程的掌握程度，同時也為水文地質的相關學習打下良好的基礎，有利于教師在后續課程的講解中及時調整講解方式。

（2）地質剖面的繪制。利用地質圖上已有的信息，結合計算機制圖繪制代表剖面。實際的地質體是一個三維體。通過繪制地質剖面，使學生對地質體在二維空間上的形態有一個形象的認識，這是建立三維地質模型的基礎。通過對學生剖面繪制的訓練，不僅提高了學生對地質現象的認知，也訓練了學生的計算機制圖水平。

（3）三維地質建模。雖然學生進行了先導課程的學習，但沒有經過野外實習，學生很難對地質現象有深刻的了解，這也增加了理解水文地質學概念的難度。三維地質模型能夠全面具體地展現復雜的地質現象與地質過程，通過建模的訓練，有利于學生對水文地質學中的基本概念加強理解。圖2展示了采用三維地質建模手段所獲得的地下河形態，圖3展示了采用三維地質建模手段所獲得的含水層結構。

圖2 采用三維地質建模手段所獲得的地下河形態

圖3 采用三維地質建模手段所獲得的含水層結構

（三）以三維地質建模為依托，提高學生的能力訓練

（1）培養學生的空間想象力。水文地質學的主要研究對象為三維地質體，只通過教師對概念的文字講解及圖片展示很難給學生建立起三維地質體的形象，通過三維地質建模訓練，可以逐步訓練學生將常見的一維二維數據與真實的三維空間中的地質體聯系起來。

（2）采用項目式教學模塊，提高學生興趣，增強學生解決實際問題的能力。當開展三維建模訓練的時候，需要依賴一個具體的場地或者一個具體項目，學生完成建模的過程實際就是完成了一個完整的項目，需要經歷建模模方案設計、數據收集、基本資料處理、建模方法選擇、完成建模等流程，在這個完整的過程中，將培養學生獨立思考、分析解決問題的能力。

（3）學習并掌握數值軟件的使用，培養學生的計算機應用能力。提升大學生的現代工程意識、實踐能力及核心競爭力，是工程應用型院校學生培養的重要目標。應社會發展需要，計算機應用能力將是一個需要重點培養的能力。通過在課程中融入建模訓練，不僅能學會單一軟件的應用，也能培養出學生利用計算機技術解決實際問題的能力。

二、結束語

水文地質學作為地質學的一門分支，培養學生對地質體的三維空間理解能力，是掌握水文地質學的重要基礎。同時，隨著本學科的不斷發展，地質體的三維空間信息將影響我們對地下水賦存及運動規律的認識。因此，順應學科發展需求，將三維地質建模融入水文地質學教學過程中，不僅豐富了水文地質學的教學內容，也提高了學生應對實際問題的分析能力和綜合設計水平。