鄭德鳳 魏秋蕊 孫才志 姜俊超

摘要：針對地下水動力學(xué)課程教學(xué)中存在的部分問題，改革地下水動力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與訓(xùn)練內(nèi)容，建設(shè)互動式授課模式與平臺，開展預(yù)設(shè)問題的輔助教學(xué)模式和計算機(jī)數(shù)值模擬與仿真教學(xué)方法。改革實驗教學(xué)方法，構(gòu)建開放式實驗教學(xué)模式，建設(shè)野外試驗與實踐教學(xué)基地。通過教學(xué)改革，深化理論教學(xué)、實踐教學(xué)與創(chuàng)新培養(yǎng)，為水文與水資源工程專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)探索一條新的模式。

關(guān)鍵詞：地下水動力學(xué)；教學(xué)模式；數(shù)值模擬；開放式實驗

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0132-02

一、地下水動力學(xué)課程教學(xué)改革意義與必要性

當(dāng)前，我國高等教育重點培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才。地下水動力學(xué)作為水文與水資源工程專業(yè)實踐性較強(qiáng)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究地下水在多孔介質(zhì)中運動規(guī)律的科學(xué)，是解決地下水定量評價和合理開發(fā)利用的基礎(chǔ)。地下水運動規(guī)律的研究以數(shù)學(xué)、物理學(xué)、水力學(xué)等學(xué)科知識為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值計算、模擬實驗等一系列研究方法[1]。教學(xué)過程中涉及大量的數(shù)學(xué)模型、微積分方程和應(yīng)用數(shù)值方法，是一門難度極大且在工程技術(shù)領(lǐng)域非常實用的課程，也是本科階段培養(yǎng)學(xué)生處理復(fù)雜水文地質(zhì)問題、鍛煉綜合應(yīng)變能力的核心課程。目前該課程的教學(xué)與實踐過程中尚存在一些問題，迫切需要對教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和實驗實踐能力方面進(jìn)行深入改革。

地下水動力學(xué)課程是實踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科課程，目前的教學(xué)模式主要是以教師講授的理論教學(xué)為主，缺乏室內(nèi)外實驗與創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)[2，3]。針對目前工程技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)的地下水過度開采導(dǎo)致的一系列水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)問題，中國地下水科學(xué)與工程方面的研究取得了一定進(jìn)展，但我國高等院校人才培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容與方式尚沒有跟上工程實踐的具體要求。另外，國內(nèi)高校的專業(yè)教師深入現(xiàn)場調(diào)查不夠，不熟悉工程勘察施工的一些新技術(shù)和新設(shè)備，對工程中碰到的新問題難以應(yīng)對。這些都會導(dǎo)致課程的理論教學(xué)與實際工程、野外試驗等脫節(jié)。近年來，我國大規(guī)模的工程建設(shè)項目逐漸增加，如三峽工程、南水北調(diào)工程等重大水利工程，尤其是“一帶一路”戰(zhàn)略實施后，各類工程建設(shè)更加密集，這勢必給水文地質(zhì)學(xué)帶來許多新的復(fù)雜課題，高等學(xué)校地下水動力學(xué)課程的教學(xué)面臨新的挑戰(zhàn)，迫切要求對其教學(xué)模式進(jìn)行改革與實踐探索。

二、地下水動力學(xué)教學(xué)模式改革的主要內(nèi)容

1.完善教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)多媒體課件、增設(shè)虛擬實驗和工程案例視頻。地下水動力學(xué)課程是理論與實踐緊密結(jié)合的課程，既包括嚴(yán)密推導(dǎo)的數(shù)學(xué)、力學(xué)、化學(xué)理論，也包括與工程設(shè)計、勘察及施工緊密結(jié)合的實踐內(nèi)容。理論教學(xué)過程中的難點主要體現(xiàn)在地下水流模型、溶質(zhì)運移和熱量運移模型的建立等；地下水向完整井穩(wěn)定運動、非穩(wěn)定運動公式的應(yīng)用等；教學(xué)過程中涉及大量的數(shù)學(xué)公式和微積分方程及化學(xué)方程式，并需配備一定的圖表進(jìn)行講解[4]。在未來的課程建設(shè)過程中，將以教學(xué)內(nèi)容改革為核心，融合現(xiàn)代信息技術(shù)，改革傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)方法，通過形象的多媒體課件、運用Flash動畫演示虛擬實驗、將工程案例做成視頻資料，增加實驗教學(xué)、野外抽水試驗與計算機(jī)數(shù)值模擬等教學(xué)環(huán)節(jié)，探索更加適合現(xiàn)代水文與水資源工程發(fā)展需要的教學(xué)方法。將教師團(tuán)隊最近的科研成果及國內(nèi)外水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的新成果納入實踐教學(xué)體系，豐富完善教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到理論體系全面、工程案例實用的目的；運用多媒體輔助教學(xué)手段改進(jìn)課程教案，將大量內(nèi)容豐富的工程案例貫穿其中，通過視頻、影像、動畫等多種方式強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)知識重點和難點的理解，提高學(xué)生的理解能力和應(yīng)用能力，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，拓展其科研視野，增強(qiáng)課程的教學(xué)效果。

2.加強(qiáng)啟發(fā)互動式授課，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。啟發(fā)式、互動式的授課方法是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑之一。地下水動力學(xué)是面向水文與水資源工程的專業(yè)必修課，共64學(xué)時。授課過程中除了期中、期末考試外，擬增加課堂提問、課后作業(yè)、課程論文3項內(nèi)容，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，確保絕大部分學(xué)生掌握課程的基礎(chǔ)知識，并使有興趣、有創(chuàng)新精神的學(xué)生有所突破。鼓勵學(xué)生在學(xué)好理論知識的前提下，查閱文獻(xiàn)資料，撰寫課程論文。論文自主選題，可撰寫對地下水動力學(xué)研究某方面內(nèi)容的綜述，或撰寫對本課程中某節(jié)課的體會或感想。這種課程論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，既保證了學(xué)生能掌握一定的基礎(chǔ)知識，又給學(xué)有余力的同學(xué)提供了充分發(fā)揮創(chuàng)新能力的平臺，效果很好。通過學(xué)生對課程教學(xué)提出的建設(shè)性改進(jìn)意見，任課教師可以對教學(xué)內(nèi)容不斷加以改進(jìn)與完善。

3.開展計算機(jī)數(shù)值模擬與虛擬仿真的輔助教學(xué)模式?？紤]到地下水?dāng)?shù)值模擬方法在地下工程、環(huán)境質(zhì)量評價、地下水開發(fā)與利用工程領(lǐng)域的實用性和通用性等特點，引導(dǎo)學(xué)生在課程開設(shè)初期結(jié)合教師的研究領(lǐng)域，選定一個地下水?dāng)?shù)值模擬課題，通過課程學(xué)習(xí)熟悉課題內(nèi)容。課程的每個環(huán)節(jié)都能夠使學(xué)生對問題的認(rèn)識不斷深入，最終完成這個數(shù)值模擬課題。這種教學(xué)方式增加了師生互動，使學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)更明確，積極性更高，理解和接收知識更全面，教學(xué)效果更實用。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與計算機(jī)軟件的推廣使用，對地下水運動現(xiàn)象與規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬與虛擬仿真，具有通用性強(qiáng)、方便靈活、可重復(fù)性等特點，而且通過數(shù)值模擬與虛擬仿真可以得到許多在常規(guī)實驗室中難以短期觀測到的動態(tài)信息，可作為地下水動力學(xué)課程實驗教學(xué)的重要補(bǔ)充。為此，本次教學(xué)改革將實踐教學(xué)與計算機(jī)數(shù)值模擬及虛擬仿真相結(jié)合，增加數(shù)值模擬演示實驗。以往，由于地下水運動的隱蔽性和多孔介質(zhì)的復(fù)雜性，在地下水動力學(xué)教學(xué)實驗過程中，學(xué)生很難通過重復(fù)性實驗看到地下水位實時變化的動態(tài)過程。應(yīng)用GMS三維地下水模擬系統(tǒng)中的MODFLOW模型對水質(zhì)、水量進(jìn)行實時動態(tài)模擬與預(yù)測，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，對實驗進(jìn)行輔助教學(xué)，可增強(qiáng)學(xué)生參與教學(xué)活動的主動性、創(chuàng)造性。

4.改革地下水動力學(xué)實驗教學(xué)方法，構(gòu)建開放式實驗教學(xué)模式。常規(guī)的室內(nèi)實驗教學(xué)是由教師講解實驗原理、現(xiàn)場演示實驗過程、提出實驗結(jié)果的處理手段，然后由學(xué)生分組進(jìn)行實驗操作和數(shù)據(jù)處理等步驟組成。由于實驗課人多擁擠，多人共用一臺儀器，往往只有部分學(xué)生進(jìn)行了實際操作，而且實驗過程是復(fù)制教師的演示過程，沒有任何改進(jìn)和創(chuàng)新實踐過程，由此導(dǎo)致實驗課效果往往不夠理想，學(xué)生多半是為完成教學(xué)任務(wù)而進(jìn)行實驗，沒有體現(xiàn)學(xué)生的能動性和創(chuàng)新性。為此，本課程構(gòu)建開放式實驗教學(xué)模式，編寫實驗操作過程多媒體輔助課件，學(xué)生通過自學(xué)課件，掌握實驗原理，自行設(shè)計具體的實驗方案，選擇不同的多孔介質(zhì)，在不同的水力坡度下設(shè)計實驗。實驗室每天對學(xué)生開放，每個學(xué)生可以選擇不同時間段按要求到實驗室做實驗，這種模式既保證了現(xiàn)代化教學(xué)手段的最佳利用，又使實驗室得到合理利用，提高了實驗室的利用效率和實驗教學(xué)效果。

地下水動力學(xué)實驗是研究水在不同多孔介質(zhì)中的運動規(guī)律，多孔介質(zhì)在實驗過程及教學(xué)效果中扮演重要的角色。以往的地下水滲流實驗一般選用透水性較好的中砂作為多孔介質(zhì)進(jìn)行試驗，由此得到的實驗結(jié)果也僅能體現(xiàn)砂質(zhì)介質(zhì)的透水特性。為此，在本次地下水動力學(xué)實驗教學(xué)改革中將單一介質(zhì)實驗推廣到多介質(zhì)實驗，介質(zhì)可改為多種類型（砂土、粘土、亞粘土、黃土等）進(jìn)行實驗，不同學(xué)生選用不同介質(zhì)做實驗，得出的滲透特性、導(dǎo)水性質(zhì)也不同，并能對實驗結(jié)果進(jìn)行綜合分析、橫向比較。這樣既豐富了實驗內(nèi)容，也讓學(xué)生熟練掌握了實驗方法，學(xué)生更有興趣完成實驗、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，達(dá)到良好的實驗教學(xué)效果。

5.建設(shè)實踐教學(xué)基地，增加野外現(xiàn)場試驗。目前地下水動力學(xué)課程多以理論教學(xué)為主，輔以部分室內(nèi)實驗教學(xué)，缺少野外實踐內(nèi)容。由于地下水動力學(xué)涉及野外抽水試驗和滲水試驗等內(nèi)容，這些內(nèi)容僅僅通過教學(xué)講解很難起到良好的教學(xué)效果，因此只有將學(xué)生帶到試驗現(xiàn)場觀摩才能真正領(lǐng)會試驗的過程，才能對試驗過程中出現(xiàn)的問題提出解決辦法和改善方案。為此，本課程增設(shè)了野外抽水試驗項目，建立教學(xué)科研實習(xí)基地，每年定期安排本科生進(jìn)行現(xiàn)場試驗。

三、結(jié)束語

針對現(xiàn)有工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中存在的教學(xué)內(nèi)容死板枯燥、實踐實訓(xùn)流于過場、教學(xué)設(shè)置與未來就業(yè)聯(lián)系不夠緊密等問題，本文提出的地下水動力學(xué)教學(xué)模式改革與創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)實踐，為水文與水資源工程專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)探索了一條新的模式。通過教學(xué)改革，深化理論教學(xué)，實踐教學(xué)與創(chuàng)新培養(yǎng)，完善專業(yè)教學(xué)方法，實現(xiàn)了學(xué)生工作技能培養(yǎng)的科學(xué)化、工程化和實用化，并對相近專業(yè)、相鄰學(xué)科的教學(xué)改革等均有積極的借鑒和參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]趙玉紅，肖長來，卞建民，等.水文學(xué)及水資源專業(yè)實驗教學(xué)的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（1）：92-95.

[3]肖先煊，許模，蔡國軍，等.抽水試驗?zāi)Ｐ团c地下水動力學(xué)實驗教學(xué)[J].實驗室研究與探索，2014，（9）：164-168.

[4]蔣小偉，梁四海，萬力，等.“地下水動力學(xué)”課程教學(xué)中類比法的運用[J].中國地質(zhì)教育，2012，（2）：88-90.