水文地球化學(xué)多層次實踐教學(xué)研究

孔慧敏 張瑩 谷洪彪 張瑞蕾

摘? 要? 以水文地球化學(xué)課程實踐教學(xué)改革為例，基于開

放實驗和第二課堂制度，將實踐教學(xué)改革與理論教學(xué)、專業(yè)實習(xí)、行業(yè)需求相結(jié)合，探索提升實踐課程教學(xué)質(zhì)量的路徑，建立多層次實踐教學(xué)體系，培養(yǎng)地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新精神，提高教學(xué)質(zhì)量，增強學(xué)生的就業(yè)競爭力。

關(guān)鍵詞? 水文地球化學(xué);實踐教學(xué);開放實驗;第二課堂;實踐能力;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺;地下水科學(xué)與工程

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0149-03

0? 前言

隨著地下水環(huán)境不斷惡化，社會對地下水科學(xué)與工程專業(yè)的師生提出新要求，要善于利用新技術(shù)新方法解決與地下水資源開發(fā)和利用相關(guān)的問題[1]。

水文地球化學(xué)是解決地下水相關(guān)問題的理論和實踐基礎(chǔ)。隨著水文地球化學(xué)學(xué)科的不斷發(fā)展以及我國高等教育改革的深入推進，該課程面臨一系列的問題和挑戰(zhàn)，如教材問題、教學(xué)內(nèi)容和課時問題、教師能力問題、學(xué)生思維和能力的培養(yǎng)問題以及實踐教學(xué)問題等[2]。在有限的課時內(nèi)，采用何種手段，如何合理、有效地安排教學(xué)內(nèi)容，保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果？如何充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生的實踐能力，達到較好的教學(xué)效果？授課教師面臨嚴峻挑戰(zhàn)。尤其是針對實踐教學(xué)內(nèi)容，教師需要根據(jù)課程特色和課程目標壓縮不必要的理論學(xué)時，并增加工程案例和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

高校陸續(xù)推出的開放實驗和第二課堂形式，將有效彌補課堂教學(xué)課時的不足。如何結(jié)合課程安排及學(xué)習(xí)進度將課外實驗穿插進行？如何設(shè)計豐富可行的實驗內(nèi)容，使學(xué)生的課外實驗成為理論和課內(nèi)實驗的有效補充？如何為學(xué)生綜合創(chuàng)新提供平臺，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，提高創(chuàng)新能力，實現(xiàn)教學(xué)相長？這些問題具有重要的研究價值。

1? 實踐教學(xué)體系構(gòu)建

根據(jù)本專業(yè)的特色和課程內(nèi)容特點，嘗試打破傳統(tǒng)實踐教學(xué)體系的封閉性，與第二課堂和開放實驗相結(jié)合，增加反映水文地球化學(xué)體系新知識、新技術(shù)的實驗內(nèi)容，引入大型測試儀器，建立基于課內(nèi)實驗、開放實驗、第二課堂和專業(yè)實習(xí)的包括基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗的多層次實踐教學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。

第一層次為教學(xué)計劃內(nèi)的理論教學(xué)及課內(nèi)實驗實踐教學(xué)，主要涉及基礎(chǔ)性實驗，作為基礎(chǔ)架構(gòu)的第一課堂，幫助學(xué)生掌握水文地球化學(xué)的基礎(chǔ)理論和基本實踐能力。

第二層次為選修性質(zhì)的第二課堂和以興趣為導(dǎo)向的開放實驗，主要涉及綜合性實驗。綜合性實驗主要培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的綜合能力，實驗內(nèi)容是以基礎(chǔ)性實驗為基礎(chǔ)來探討地下水及其溶解組分在含水介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，是課內(nèi)實踐教學(xué)的擴展[3]，為搭建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺、提升學(xué)生科研實踐能力和創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。

第三層次是以生產(chǎn)實習(xí)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、畢業(yè)設(shè)計、各類競賽作為應(yīng)用平臺的設(shè)計性實驗，在第二層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺的搭建和學(xué)生科研實踐能力提升的基礎(chǔ)上，全方位滲透到應(yīng)用上，進行產(chǎn)出反饋，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

在進行多層次實踐教學(xué)體系設(shè)計的同時，要積極推進實驗平臺硬件、軟件的升級改造，更新教學(xué)內(nèi)容，更新教學(xué)設(shè)備，以傳統(tǒng)教學(xué)為基礎(chǔ)，不斷對教學(xué)知識進行拓展和延伸[4]。

2? 實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

實踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計是提升課程實踐質(zhì)量的關(guān)鍵，從課內(nèi)實驗到開放實驗都需要根據(jù)課程特色和課程目標，設(shè)計不同層次的實踐教學(xué)內(nèi)容。

2.1? 課內(nèi)實驗

根據(jù)長期實驗教學(xué)的探索，在現(xiàn)已開展的課內(nèi)實驗如巖礦水解實驗、水中碳酸平衡與pH關(guān)系測定實驗、土壤介質(zhì)對氨氮吸附平衡實驗、溶濾實驗等實驗的基礎(chǔ)上強化課前實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，依照學(xué)生興趣分類分組開展單項實驗和綜合實驗設(shè)計，并在課下進行實驗成果的交流匯報。

水文地球化學(xué)強調(diào)理論與實踐的結(jié)合，因此，學(xué)生應(yīng)掌握水化學(xué)相關(guān)的實驗操作技能及相關(guān)水化學(xué)模擬軟件的基本原理與操作。運用以AqQA或AquaChem等為基礎(chǔ)的水化學(xué)數(shù)據(jù)分析軟件，可以進行水化學(xué)數(shù)據(jù)的可靠性驗證、基本指標的計算、水化學(xué)類型的劃分及基礎(chǔ)水化學(xué)圖件（如Piper三線圖）的繪制和水質(zhì)評價。水文地球化學(xué)模擬軟件WATEQ/PHREEQC/MINEQA2等，可以進行水溶組分平衡分布計算、氧化還原平衡計算、液—氣平衡計算、礦物飽和指數(shù)計算，因此可篩選個別軟件講授基本原理及實例操作，課下讓學(xué)生進行軟件的實際操作與討論應(yīng)用。

2.2? 開放實驗

依托實驗中心大型測試儀器，結(jié)合水文地球化學(xué)理論基礎(chǔ)和課內(nèi)基礎(chǔ)性實驗，以環(huán)境水化學(xué)講授實驗室水化學(xué)分析方法為實踐基礎(chǔ)，積極開展水文地球化學(xué)的綜合實驗。現(xiàn)已結(jié)合實驗室條件開設(shè)的綜合性實驗包括利用離子色譜儀測試水體中的陰陽離子含量、LGR液態(tài)穩(wěn)定水同位素分析儀基本原理及操作、地表水及地下水中有機碳等有機物含量的檢測、農(nóng)業(yè)開墾對土壤有機碳的影響分析、氫氧穩(wěn)定同位素在蒸發(fā)過程中的分餾特征研究等多項開放實驗。開放實驗均采用小班教學(xué)（6～10人），課時在48～60課時之間，從實驗方案的設(shè)計到樣品的采集及前處理、樣品測試、數(shù)據(jù)分析、異常處理、儀器操作及維護，均由學(xué)生全程參與，最后由學(xué)生小組提交開放實驗報告，學(xué)生普遍反饋較好，獲得良好的教學(xué)效果，在一定程度上提高了學(xué)生的實踐能力。

2.3? 第二課堂

由于水文地球化學(xué)課程涉及內(nèi)容廣泛，需要授課教師具備水文地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)、同位素化學(xué)、分析化學(xué)、軟件模擬、大型儀器操作等相關(guān)專業(yè)知識，而且需要從事過相關(guān)的工程實踐，才能更好地幫助學(xué)生提升解決工程問題的能力，因此，這門課程對授課教師的要求非常高，可以讓具備不同知識專長的教師共同講授這門課

程[2]。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各專任教師的特長，結(jié)合學(xué)生興趣，以提升學(xué)生實踐能力為出發(fā)點，探索開展第二課堂。在第二課堂的設(shè)計過程中，要注重對工程應(yīng)用案例的知識點進行梳理，然后拋出工程案例的問題，啟發(fā)學(xué)生積極思考如何靈活應(yīng)用所講授的知識點和理論去解決工程問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并使其主動思考[5]。

第二課堂要在專業(yè)人才培養(yǎng)方案的框架下以選修課的形式進行設(shè)計，需要完備的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，比開放實驗的要求更高，且對教師能力要求較高。因此，可以根據(jù)教研室相關(guān)專業(yè)教師的專長對第二課堂進行統(tǒng)籌設(shè)計，尤其要讓具有行業(yè)工作背景的教師在充分了解行業(yè)需求、就業(yè)前景和學(xué)生興趣的基礎(chǔ)上參與教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計。

目前根據(jù)專業(yè)教師的專長，擬設(shè)計以下第二課堂內(nèi)容。

1）基礎(chǔ)理論方面擬設(shè)計同位素地球化學(xué)、環(huán)境地球化學(xué)等課程，可作為水文地球化學(xué)理論課程的專業(yè)延伸，體現(xiàn)水文地球化學(xué)在環(huán)境工程、地質(zhì)、資源勘查等其他相關(guān)專業(yè)和行業(yè)的實踐和應(yīng)用，開闊學(xué)生專業(yè)視野。

2）大型儀器操作和實驗方法方面擬設(shè)計現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)、ICP-MS標準操作、樣品前處理技術(shù)、水中污染物的LC-MS檢測方法等課程，這部分內(nèi)容主要涉及大型儀器基本原理、操作維護方法，不同污染物的檢測方法等。另外，擴展在水及土壤污染物質(zhì)檢測方向的應(yīng)用，提升學(xué)生操作大型儀器的能力，為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)搭建基礎(chǔ)平臺，提升其科研和創(chuàng)新能力。

3）工程應(yīng)用技術(shù)方面擬設(shè)計污水處理、地下水修復(fù)技術(shù)、土壤污染場地控制與修復(fù)、污染場地生態(tài)修復(fù)工程等課程，這部分內(nèi)容由具備行業(yè)經(jīng)驗的教師或者校外教師承擔(dān)，結(jié)合工程案例，體現(xiàn)水文地球化學(xué)理論在行業(yè)中的具體應(yīng)用，開闊學(xué)生視野，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

第二課堂注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，包括解決復(fù)雜工程問題的能力、科研和創(chuàng)新能力，也從一定程度上對專任教師能力的提升起到促進作用。選修性質(zhì)的第二課堂和以興趣為導(dǎo)向的開放實驗作為課內(nèi)實踐教學(xué)的擴展，搭建了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，切實提升了學(xué)生的科研實踐能力和創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的就業(yè)競爭力。

3? 實踐教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用

地下水科學(xué)與工程專業(yè)人才的培養(yǎng)須經(jīng)歷地學(xué)思維至專業(yè)思維再至專業(yè)綜合能力的轉(zhuǎn)變，由認識實習(xí)、地質(zhì)教學(xué)實習(xí)、專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)所組成的專業(yè)實踐教學(xué)體系發(fā)揮了舉足輕重的作用，專業(yè)實習(xí)的教學(xué)質(zhì)量直接影響本專業(yè)高素質(zhì)人才的培養(yǎng)質(zhì)量[6]。因此，將實習(xí)實踐課程中的內(nèi)容與水文地球化學(xué)相結(jié)合，既能夠提高該課程課堂教學(xué)的水平，也能夠促進實踐教學(xué)質(zhì)量的提升。

3.1? 加強在生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

在地下水科學(xué)與工程專業(yè)的生產(chǎn)實習(xí)中加強對水文地球化學(xué)理論及實踐知識的應(yīng)用，在柳江盆地的水文地質(zhì)調(diào)查中得到具體體現(xiàn)：

1）利用水化學(xué)及同位素的數(shù)據(jù)分析研究區(qū)地下水和地表水的轉(zhuǎn)換關(guān)系;

2）判斷地下水尤其是泉水的補給來源等;

3）柳江盆地地下水水化學(xué)特征分析;

4）巖溶區(qū)地下水水化學(xué)特征。

畢業(yè)設(shè)計是專業(yè)人才培養(yǎng)的最后環(huán)節(jié)，通過扎實的理論基礎(chǔ)和部分實踐課的開設(shè)，提高學(xué)生的動手能力，加強學(xué)生的科研思維和能力。學(xué)生在完成畢業(yè)論文的過程中能夠自主使用水化學(xué)模擬和制圖軟件、水化學(xué)測試儀器等，充分發(fā)揮實踐體系在畢業(yè)設(shè)計中的作用。

3.2? 增強學(xué)生科研能力，實現(xiàn)科研促教學(xué)

在多年實踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的實地調(diào)研、采樣與實驗室數(shù)據(jù)分析，累積多年的柳江盆地地區(qū)地下水動態(tài)、水化學(xué)及同位素數(shù)據(jù)，具有一定的科研價值，在積累過程中提高了學(xué)生的實踐能力，也提升了教師實踐教學(xué)的水平。通過對科研成果的梳理和積累，科研成果均被應(yīng)用到實踐教學(xué)中，通過科研為學(xué)生提供的數(shù)據(jù)，為學(xué)生綜合創(chuàng)新提供了平臺基礎(chǔ)，實現(xiàn)教學(xué)科研互相促進，學(xué)生的實踐能力得到提升，創(chuàng)新能力得到提高。

基于開放實驗搭建的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺開展了多項大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，如“秦皇島柳江盆地東部落泉群成因模式研究”“莘縣廢酸污染場地治理方案研究”“土壤介質(zhì)中廢酸污染垂向遷移和淋溶實驗研究”。通過實踐技能培養(yǎng)，通過學(xué)生的科研水平，為學(xué)生成長奠定良好的基礎(chǔ)。

通過構(gòu)建多層次實踐教學(xué)體系，不斷挖掘課程理論體系與專業(yè)實踐的結(jié)合點，不斷建設(shè)與行業(yè)背景相關(guān)的新案例，有效實現(xiàn)教學(xué)相長，在促進教與學(xué)的同時，增強教師和學(xué)生的社會責(zé)任感[7]。

4? 結(jié)論

基于開放實驗和第二課堂制度的水文地球化學(xué)課程實踐教學(xué)改革，將實踐教學(xué)與理論教學(xué)、專業(yè)實習(xí)、后續(xù)專業(yè)課程、行業(yè)需求相結(jié)合，探索提升實踐課程教學(xué)質(zhì)量的路徑，初步創(chuàng)建以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，涵蓋課內(nèi)實驗、開放實驗、第二課堂的多層次實踐教學(xué)體系，保障水文地球化學(xué)課程的實踐教學(xué)質(zhì)量，構(gòu)建出一個增強防災(zāi)科技學(xué)院地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新精神的水文地球化學(xué)實踐教學(xué)模式，有效地培養(yǎng)地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新精神，提高教學(xué)質(zhì)量，增強教師和學(xué)生的社會責(zé)任感，提升學(xué)生的就業(yè)競爭力。■

參考文獻

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*項目來源：防災(zāi)科技學(xué)院教學(xué)研究與教學(xué)改革項目“基于開放實驗和第二課堂的‘水文地球化學(xué)’實踐教學(xué)改革”（項目編號：JY2019B04）。

作者：孔慧敏，防災(zāi)科技學(xué)院，中國地震局工程力學(xué)研究所，講師，研究方向為同位素水文地球化學(xué)（150080）;張瑩，防災(zāi)科技學(xué)院，副教授，研究方向為水、土污染的聯(lián)合修復(fù);谷洪彪，防災(zāi)科技學(xué)院，教授，研究方向為地震地下流體;張瑞蕾，防災(zāi)科技學(xué)院，講師，研究方向為應(yīng)急技術(shù)（065201）。