基于大數據和虛擬仿真技術的水文地質實踐教學新體系改革探索

閆佰忠　周亞紅　于開寧　李鐸　李方紅　劉昭　邱淑偉

[摘? ? ? ? ? ?要]? 為了提高水文地質實踐教學的時效性和前瞻性，通過融合大數據和虛擬仿真技術，構建了基于室內實驗室、室外實驗場、校外實踐基地和多種專業軟件仿真模擬的“四維度”水文地質教學實踐平臺。采取“虛實互補、以虛促實”的教學實踐原則，擴充豐富了教學實踐內容，增強了學生教學實踐過程的操作性和鍛煉性，完善了實踐成績評定體系，解決了教學實踐場地、師生比低、資金不足的問題。實踐證明，這一平臺能滿足水文地質學相關課程的室內和野外實踐教學要求，達到了強化學生專業知識實踐，增強學生的野外獨立工作能力和創新能力的預期目標，同時為地下水科學與工程專業進行工程教育專業認證服務。

[關? ? 鍵? ?詞]? 大數據;虛擬仿真;水文地質實踐教學;新體系

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2022）34-0046-04

隨著社會經濟發展對工科應用創新型人才的迫切需求，高等教育對大學生的創新實踐能力也提出了越來越高的要求。特別是在新形勢下，國家對人才的需求發生了變化，學科的戰略發展方向改變以及地質行業轉型的時期，對于高素質、具有創新實踐能力的卓越工程師人才的培養提出越來越高的要求。地下水科學與工程專業（前身為水文地質專業）是河北地質大學國家級特色專業、河北省一流本科專業建設點、河北省高等學校品牌特色優勢專業，在學生培養方面已經具有完善的培養體系，但是傳統的實踐教學環節已不能完全滿足“卓越工程師”培養的需要。如何在大數據、虛擬仿真等新興技術快速發展的新形勢下，按照社會需求和新工科的要求進行課程體系整合，探索虛擬現實、數據挖掘等新興技術促進水文地質實踐教學改革，進而培養卓越的地下水科學與工程專業技術人才，已成為刻不容緩的工作。

目前，在新工科和工程教育專業認證背景下，大數據和虛擬仿真技術廣泛應用于地質、水文地質實踐教學中。代俊鴿等通過對地質專業實驗室建設概況分析后，探索了“四步驟”實驗教學模式，將虛擬仿真技術融入實踐教學中，建立了“以學生為本”的教育理念[1]。丁明濤等開發了一套基于虛擬仿真技術的地質災害減災選線實驗教學系統，讓學生在虛擬環境中進行身臨其境的交互學習，以彌補課堂教學過程中的不足[2]。陳健等探索建立了“虛擬場景—模擬設備—實景教學”三結合的實踐教學新模式，提高了防震減災實踐教學水平[3]。強偉帆等探討了虛擬仿真技術在地質學中的應用，介紹了面向地學的綜合型、國際化的沉浸式虛擬仿真實驗室實例[4]。梁莉莉等闡述了建設“地下水與環境”虛擬仿真實驗室的優缺點，并列舉了部分已建成的虛擬仿真實驗室項目，闡述了地下水相關專業的培養目標為“厚基袖、強能力、重創新”的新型人才，闡明了“虛實結合，優勢互補，多元協同工作”的實驗室建設方向[5]。何虎軍等探討了漢中梁山野外地質實習虛擬仿真教學平臺建設的思路和解決的關鍵問題[6]。賈蓬等針對隧道工程課程的特點和實踐教學難點，“以學生為中心”，開展了“慕課+翻轉課堂”和“線上虛擬仿真+線下研討”的混合式教學實踐[7]。

通過對以上現有虛擬仿真技術的應用，其在地質和水文地質教學過程中發揮了至關重要的作用，但是目前沒有關于大數據和虛擬仿真技術融合的教學嘗試，這將是本文主要研究的內容和方向。

一、水文地質實踐教學現狀

我校是在20世紀50年代設置水文地質專業，現有水資源與環境領域的本科專業均由原水文地質工程地質專業發展而來。學校依托水資源學科群優勢，面向京津冀戰略需求，以優勢學科為平臺，以重大科研項目為引導，以一流師資隊伍為保障，以培養適應京津冀水資源開發利用與保護所需的應用人才為培養目標，不斷進行人才培養模式改革、創新與實踐，充分發揮“水文學及水資源”重點學科、“水資源可持續利用與開發”重點實驗室、“水資源可持續利用與產業結構優化”協同創新中心等學科平臺的優勢，形成了以“水資源環境開發利用與保護”為特色方向的創新人才培養體系。近年來，也嘗試引入虛擬仿真技術和數據挖掘等新興技術用于水文地質實踐教學環節，在實踐教學硬件和軟件基礎、實踐教學師資培訓和虛擬仿真實踐教學應用方面均有一定的加強，具體如下。

（一）實踐教學硬件基礎

目前，水文地質實踐教學平臺包括實習基地、野外試驗場、實驗教學示范中心和專業實驗室。在2016—2018年期間，購置了并行計算機越海揚波海嘯（T9200）1套、高性能計算機（XPS13D-9343-5708）80臺、多功能電法工作站1套以及高密度電法測量系統及多功能直流電法儀1套，具有完備的大數據分析和虛擬仿真技術應用硬件條件。

（二）實踐教學軟件基礎

目前，水文地質實踐教學平臺具有涵蓋繪圖制圖、數理統計、地下水數值模擬、水文地球化學模擬、遙感衛星數據解譯和數據庫開發等一系列軟件，包括繪圖軟件Surfer10、CAD2010、ARCGIS10.0、MAPGIS6.7、CorelDRAW等;統計軟件SPSS16.0、Origin;專業軟件MATLAB、GMS、AquaChem、PHREEQC、Aquifer Test;遙感解譯軟件ENVI、ERDAS及數據庫開發軟件Visual Studio、SQL Server等，為本項目大數據分析和虛擬仿真技術運用提供了軟件基礎。

（三）實踐教學師資基礎

本項目具備高素質的師資力量，項目組成員近年來開展了相關研究工作，在水文地質教學案例建設、教學技能訓練、實習模式方面進行探索與實踐，積累了一些實踐教學經驗，并且學院組織相關專家進行了水文地質大數據分析和地下水數值仿真模擬等培訓工作。近年來，項目成員主持的教學改革項目10余項，包括“水資源學科群應用型人才培養改革與實踐（2015GJJ G119）”“地下水污染場地修復技術多層次引導式教學案例（KCJSZ2017095）”“《水力學》實驗課教學改革的研究（2012J29）”“《水文地質學基礎》實驗教學改革實踐研究（2013J28）”“水資源實驗示范中心建設提升（2016J30）”“《地下水動力學》教學案例資源庫建設（2018J11）”和“《專門水文地質學》教學案例資源庫建設（2019J05）”，形成主干課程教學案例資源庫4個，編著本科生實踐教材5部，發表教改論文10余篇，并獲得“河北省教學成果一等獎”。

（四）數據分析、虛擬仿真教學實踐基礎

早在20世紀70年代，我校成功研制了全國第一臺模擬水資源開發的R-C電網絡模擬機，虛擬仿真技術就已經應用并獲得“全國科技大會獎”和“地礦部科技進步一等獎”。基于具有的數據分析計算平臺和虛擬仿真軟硬件設施，初步形成了數據分析和虛擬仿真實踐教學的基礎，并在本科生專業必修課程地下水流數值模擬和三年級生產實習中得到初步應用。地下水流數值模擬課程中包含地質結構三維仿真模擬、地下水流流動狀態虛擬仿真模擬和地下水溶質或污染物質運移仿真模擬3個虛擬仿真模擬環節。通過虛擬仿真課程，學生的學習積極性得到很大提升，同時對于實驗室不易操作或者現象不易刻畫的環節有了更加直觀的認識和理解，加強了學生對于知識的理解和掌握。此外，在三年級實習中，要求學生對于調查區范圍內取得的大量地下水位數據和地下水水質數據進行數據歸納分析，利用數理統計理論SPSS軟件，通過主成分分析、回歸分析、聚類分析和時間序列分析等，挖掘水位、水質數據特征和規律，從而推求水文地質信息。

二、基于大數據和虛擬仿真技術的水文地質實踐教學改革思路

（一）教學新體系改革主要思路

通過融合大數據和虛擬仿真技術，整合目前所開設的水文地質實踐課程和資源，構建基于室內實驗室、室外實驗場、校外實踐基地和多種專業軟件仿真模擬的“四維度”水文地質教學實踐平臺;通過大數據整理為水文地質實踐教學平臺提供各種網絡資源、專業書籍、公開課資料、野外水文地質現象照片、視頻、實驗動態監測數據等教學實踐案例;構建的虛擬仿真實踐平臺涵蓋信息管理、實驗室管理系統、實驗實踐系統、自主科研、教學案例資源庫、信息管理、教輔功能、系統管理、數據反饋等模塊，即平臺擁有數據分析和豐富的案例資源庫、完備的學生信息管理和教輔功能、強大的實踐案例虛擬仿真呈現功能和信息反饋功能。通過實踐平臺實踐教學數據反饋耦合大數據分析，綜合評價實踐教學效果，達到強化學生專業知識，提高學生野外獨立工作能力和創新能力的目的。教學實踐平臺具體的設計思路詳見文末圖1所示。

（二）具體改革措施

1.“情境模擬”數據庫、實例庫建設

收集與本課題相關的各種網絡資源、專業書籍、公開課資料，結合目前已開設水文地質實踐相關實驗課程和已有教學案例資源庫，整合目前所開設的水文地質實踐課程（水文地質學基礎實驗課、地下水動力學實驗課、水文地球化學實驗課和本科生野外實踐實習等），將課程相關數據，如實驗數據、各種參考數據整理成Excel表格或者文本文檔保存并建立數據庫;同時將野外水文地質現象照片、視頻、實驗動態監測數據等教學案例整理匯編，建立案例庫，為虛擬仿真實踐平臺提供情景案例。

2.“四維”虛擬仿真實踐平臺建設

基于目前已有的并行計算機、高性能計算機、各類專業模擬軟件等虛擬仿真軟、硬件設施，構建基于室內實驗室（包括水文地質學實驗室、滲流力學實驗室、水文地球化學實驗室）、室外實驗場（抽水實驗場地和滲水實驗場地）、校外實踐基地和多種專業軟件仿真模擬的“四維度”水文地質教學實踐平臺，該平臺能夠實現信息管理、實驗室管理系統、實驗實踐系統、自主科研、教學案例資源庫、信息管理、教輔功能、系統管理、數據反饋等功能。

其中，實驗實踐系統涵蓋地下水滲流仿真模擬、地下水數值仿真模擬和水文地球化學仿真模擬3個虛擬仿真子平臺。地下水滲流仿真模擬子平臺包括“穩定流達西仿真實驗”“水電比擬仿真實驗”“潛水運動特征仿真實驗”“承壓水運動特征仿真實驗”“滲流槽仿真模擬實驗”“井流仿真模擬實驗”6個相關仿真實驗;地下水數值仿真模擬子平臺包括“三維地質結構仿真概化”“群井干擾抽水仿真模擬”和“非穩定流有限差分求解仿真模擬”3個相關仿真實驗;水文地球化學仿真模擬子平臺包括“污染物溶質運移仿真模擬”“水-巖溶濾反應仿真模擬”和“水中碳酸平衡與pH關系仿真模擬”3個相關仿真實驗。通過構建的實驗實踐系統能夠滿足水文地質學基礎、地下水動力學、專門水文地質學、本科生三年級生產實習等教學實驗實踐內容的需要。

除上述實驗實踐系統核心系統外，建設的虛擬仿真實踐平臺擁有強大的信息反饋功能，能夠將學生實踐環節中各種信息進行反饋用于大數據分析。大數據分析功能設計了相關的數理統計方法，包含聚類分析、回歸分析、主因子分析等功能，能夠對學生的成績進行分類、歸納，并能夠總結影響學生實踐能力培養的主要因素，從而使教師對學生實驗實踐環節有全局的掌握，做到有的放矢。

3.虛擬仿真實踐操作手冊編制

根據上述建立的“四維”虛擬仿真實踐平臺，編制《虛擬仿真實踐操作流程指導書》1冊，要求指導書中實驗全流程涵蓋實驗安排與選課、實驗準備、預習、測試、仿真模擬、提交實驗報告、復習等環節。實驗過程中設計了智能答疑模塊，教師指導、師生互動、實驗成果材料的管理、實驗教學效果評估與分析等內容均可在線上完成;對學生在實驗過程中的各類行為數據進行系統采集并分析，從而提供針對性的輔導，并進行個性化學習評估。以“污染物溶質運移仿真模擬”為例說明虛擬仿真實踐平臺操作的具體流程。

（1）登錄網站，進入虛擬教學;登錄虛擬仿真平臺（輸入學生賬號和密碼）。

（2）閱讀實驗目的，了解本實驗的目標與要求。

（3）學習軟件中實驗預習部分關于污染物溶質運移的背景知識，掌握溶質運移的基本原理與知識點。

（4）觀看污染物溶質運移模擬的相關視頻，掌握相關理論知識和模擬建模所需的基礎數據和建模步驟。

（5）進入沉浸式教學階段。學生若對相關操作步驟不熟練，可以選擇練習模式，根據提示進行操作練習，熟悉整個操作流程，然后再進入考核模式。考核模式下提示較少，且關鍵步驟有知識點考核題目，學生需回答正確才能進行下一步驟，利于學生對知識的掌握。

（6）進入建模操作階段。學生調用案例資源庫中“污染物溶質運移仿真模擬”數據，調用模擬軟件GMS進行建模;此階段，學生的每一操作步驟都會有記錄，且會自動記錄步驟的得分。

（7）提交成果。學生將自己建立的模擬模型進行提交，實踐平臺數據庫將對學生的成果進行儲存，并將整個過程中獲取的學生數據反饋給大數據分析平臺，進行學習效果評估。

4.水文地質實驗、實踐環節教學內容改革

目前開設的水文地質類課程包括水文地質學基礎、地下水動力學和專門水文地質學等必修課程，均未開設專門的野外實踐教學環節，導致學生對抽象的理論知識難以理解和掌握;本研究擬在目前水文地質野外實踐的基礎上，借助虛擬仿真實踐平臺，將課程中涉及的野外現象進行仿真呈現。此外，對于目前三年級實習中某些野外現象和抽象水文地質實驗，借助虛擬仿真實踐平臺進行呈現，例如河流近岸地下水的滲流、干擾井群抽水影響范圍內地下水的流動等問題;通過上述改革擴充野外實踐教學內容，在不增加學時、學分的情況下，豐富水文地質學相關課程的野外實驗、實踐教學內容。

5.融合大數據的虛擬仿真實踐教學新體系

基于構建的“四維度”虛擬仿真實踐教學平臺和上述改革措施，以完整的實驗實踐教學內容為基礎，將其與線下實體實踐教學資源相結合，擴展實驗實踐教學內容廣度和深度、延伸實驗實踐教學時間和空間。實踐教學秉承“虛實互補、以虛促實”的教學原則，實現“虛實結合”的教學組織模式，基本概念、原理的講解利用黑板和多媒體相結合來完成;控制過程、設計方法等知識內容采用多媒體和虛擬仿真實踐平臺相結合的方式進行講解和演示;驗證操作、鞏固訓練、總結與評價等內容在虛擬仿真實踐平臺上完成。實現“教、學、做、評”的有效融合，充分發揮學生在學習過程中的主體作用，構建融合大數據和虛擬仿真技術實踐教學新體系。

三、建設應用成效及推廣

本文探求新興技術在水文地質實踐教學中的應用，并構建融合大數據和虛擬仿真技術的水文地質實踐教學新體系，該體系的構建將擴充實踐教學內容，解決目前實際教學中受場地、時間、師資不足限制等問題，增強學生學習積極性和熱情，強化學生專業知識，提高學生的野外獨立工作能力和創新能力。根據相關調查與研究發現，大數據和虛擬仿真的教學融合，對學生解決實際工程問題能力提升十分有幫助。在參與調查的500名學生中，有90%的學生認為自己的動手能力和實踐能力得到了有效提升（詳見表1）。該水文地質實踐教學培養體系的推廣將為相關類似高校在實踐教學方面提供理論借鑒和參考，對于推動新工科背景下高校大學生實踐教學改革和能力培養具有重要的理論和實際意義。

四、結語

基于大數據和虛擬仿真技術的水文地質實踐教學新體系建設激發了學生的學習興趣及主動性，有效提高了教學效率，同時順應了信息技術與教育融合的歷史潮流，符合教育內容更新、教育方法改革以及受教育者特點變化的客觀事實，體現了新工科教育理念。從教學資源建設途徑、教學方法與教學模式改革等方面獲得了一些經驗，既可以讓信息技術成為教學質量提升的關鍵，又對教師順利完成教學任務有所幫助，但是資源利用的效能評價仍需進一步探索。

參考文獻：

[1]代俊鴿，楊鋒，梁德賢，等.工程教育認證下地質工程專業實驗室建設初探[J].科技視界，2022（5）：91-93.

[2]丁明濤，鄭豪，張露，等.基于虛擬仿真技術的“災害地質學”課程教學模式改革研究[J].中國地質教育，2022（1）：35-39.

[3]陳健，姜紀沂，于曉輝，等.基于虛擬仿真技術的防震減災基礎實踐教學資源建設的探索[J].實驗室研究與探索，2018，37（9）：224-226.

[4]強偉帆，郭艷軍，周哲，等.虛擬仿真技術在地質學中的應用[J].高校地質學報，2020，26（4）：464-471.

[5]梁莉莉，潘歡迎，馬騰.虛擬仿真實驗室在“地下水與環境”教學中的優勢與應用[J].實驗科學與技術，2020，18（1）：141-144.

[6]何虎軍，楊興科，焦建剛，等.野外地質實習虛擬仿真實驗教學平臺建設與思考[J].教育教學論壇，2022（2）：146-149.

[7]賈蓬，趙文，王述紅，等.以慕課和虛擬仿真實驗為驅動的隧道工程混合式教學實踐[J].中國現代教育裝備，2022（381）：72-74.

基金項目：河北省教育廳第二批新工科研究與實踐項目“新興技術范式下融合大數據和虛擬仿真技術的水文地質實踐教學新體系改革研究”（2020GJXGK032）;河北省專業學位研究生教學案例建設項目“地下水流動數值模型案例庫建設”（KCJSZ2022088）。

作者簡介：閆佰忠（1988—），男，漢族，河南新鄉人，博士，副教授，研究方向：水文地質與地熱地質。