孔慧敏 張 瑩 張莉麗 張耀文

（1.防災(zāi)科技學(xué)院地震科學(xué)系，河北 廊坊 065201；2.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

○、前言

環(huán)境同位素水文地質(zhì)屬于地下水科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的開放選修課程模塊，課程性質(zhì)為專業(yè)選修課，其理論性、科學(xué)性和實(shí)踐性很強(qiáng)。同位素水文地質(zhì)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，為研究地下水提供了一種新的有效手段，有助于從宏觀和微觀上闡明水文地質(zhì)過程的機(jī)理［1］。隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，同位素方法在地下水循環(huán)、水巖相互作用、地下水污染來源示蹤等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。環(huán)境同位素作為天然示蹤劑參與到水循環(huán)的每一個(gè)階段，在大氣循環(huán)、水汽凝結(jié)、蒸發(fā)、滲透、散發(fā)等過程中會(huì)產(chǎn)生同位素分餾作用，顯示出不同的演化規(guī)律和組成特征。因此，借助于環(huán)境同位素在水循環(huán)過程中的標(biāo)記特點(diǎn)，尤其是氫氧穩(wěn)定同位素，在揭示包氣帶水分運(yùn)移、地下水循環(huán)等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來，由于人類活動(dòng)的影響，地下水開采量逐漸增大，許多地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的地下水超采，區(qū)域性水位下降、包氣帶厚度增大、地下水咸化及地下水污染等一系列問題，嚴(yán)重制約了地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。尤其是西北干旱—半干旱地區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大制約因素是水資源以及因缺水造成的十分脆弱的生態(tài)環(huán)境［2］。新的形勢對(duì)地下水科學(xué)與工程專業(yè)的教師和學(xué)生提出了新的要求，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。因此要全面意識(shí)到新技術(shù)方法在人才培養(yǎng)中的作用，根據(jù)社會(huì)需求、學(xué)科發(fā)展要求、崗位需求、學(xué)生能力制定科學(xué)合理的教學(xué)目標(biāo)，積極地進(jìn)行課程教學(xué)改革，不斷適應(yīng)新變化和新要求，符合我國高校對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。應(yīng)積極采取各種形式的教學(xué)改革、教學(xué)手段、實(shí)踐活動(dòng)、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合等方式，以便保障創(chuàng)新型人才的全面培養(yǎng)，滿足當(dāng)代社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才的不斷需求［3］。

本文以防災(zāi)科技學(xué)院地下水科學(xué)與工程專業(yè)環(huán)境同位素水文地質(zhì)課程的實(shí)際課堂教學(xué)改革為例，結(jié)合人才培養(yǎng)方案的調(diào)整，明確課程在人才培養(yǎng)過程中的作用和教學(xué)目標(biāo)，從理論內(nèi)容的優(yōu)化，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及開放實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，專業(yè)實(shí)踐能力的提升，學(xué)生科研能力的培養(yǎng)等方面探索課程教學(xué)的改革。通過理論的優(yōu)化及實(shí)踐能力的提升，能充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及本門課程在專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)用性，以科研促教學(xué)，培養(yǎng)地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神，真正提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競爭力。

一、環(huán)境同位素水文地質(zhì)課程在人才培養(yǎng)過程中的作用

環(huán)境同位素水文地質(zhì)課程是地下水科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)選修課。它以環(huán)境同位素技術(shù)為手段，包括地下水和其溶質(zhì)組分以及環(huán)境介質(zhì)中環(huán)境同位素分布、時(shí)空演化規(guī)律的基本理論，以及運(yùn)用這些基本理論在水文地質(zhì)學(xué)中的具體應(yīng)用技術(shù)。其主要內(nèi)容包括同位素的基本概念，穩(wěn)定同位素的分餾原理，放射性同位素的衰變原理，氫、氧、碳和硫等穩(wěn)定同位素的水文地球化學(xué)特點(diǎn)，同位素技術(shù)在地下水示蹤和水循環(huán)、地下水的定年和可更新能力的判斷，同位素樣品的采集技術(shù)與測試技術(shù)等。

同位素水文地質(zhì)學(xué)是水文地質(zhì)學(xué)的一個(gè)重要組成部分，同位素技術(shù)已成為解決許多水循環(huán)難題的精確手段，有助于深化水文地質(zhì)科學(xué)工作者對(duì)天然水的認(rèn)識(shí)層次。通過該課程的教學(xué)使學(xué)生掌握利用同位素技術(shù)研究地下水地表水的運(yùn)動(dòng)速率和混合作用、地下水年齡的測定、地下水地表水之間的補(bǔ)排關(guān)系、地下水污染、在地震預(yù)報(bào)中的應(yīng)用等方面的基本理論和方法，為解決地下水資源及其環(huán)境問題以及地震地下流體研究相關(guān)的監(jiān)測、評(píng)價(jià)奠定理論基礎(chǔ)。

二、環(huán)境同位素水文地質(zhì)課程的教學(xué)目標(biāo)

近年來，本科院校人才培養(yǎng)方案不斷調(diào)整的整體方向是壓縮理論課時(shí)、增加實(shí)踐課時(shí)，去除老舊理論、增加新技術(shù)新方法，舍棄“一言堂”教學(xué)、進(jìn)一步增加開放及討論式教學(xué)，降低學(xué)生的畏難情緒、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。因此需要高校教師及時(shí)做好課程更新和教學(xué)反思，從教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)過程多方面進(jìn)行反思，和學(xué)生保持較高頻率的課堂和課后互動(dòng)，也需要及時(shí)對(duì)人才培養(yǎng)方案調(diào)整后的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行重新梳理，調(diào)整教學(xué)方法并進(jìn)行教學(xué)改革，使學(xué)生不僅實(shí)現(xiàn)知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)，更實(shí)現(xiàn)較高的素質(zhì)目標(biāo)。

（一）知識(shí)目標(biāo)

通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)和理解環(huán)境同位素的基本概念、物質(zhì)組成的表示方法、常用穩(wěn)定同位素和放射性同位素的水文地球化學(xué)基本理論等基本知識(shí)。

（二）能力目標(biāo)

在掌握環(huán)境同位素水文地球化學(xué)的基本概念、基本理論的基礎(chǔ)上，能結(jié)合水文地質(zhì)條件，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工作中的水文地質(zhì)問題；理論與實(shí)踐相結(jié)合，掌握初步的地下水同位素樣品的采集和布點(diǎn)，能夠科學(xué)合理地解釋同位素?cái)?shù)據(jù)，掌握同位素水文地質(zhì)工作的流程和方法。

（三）素質(zhì)目標(biāo)

通過理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生了解環(huán)境同位素水文地質(zhì)學(xué)的基本原理、知識(shí)體系和現(xiàn)代研究領(lǐng)域的前沿與成就，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的邏輯思維能力，訓(xùn)練學(xué)生掌握環(huán)境同位素水文地質(zhì)學(xué)的基本研究方法和研究技能，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)好專業(yè)知識(shí)奠定良好的科學(xué)素質(zhì)與知識(shí)基礎(chǔ)，具備一定的科研素養(yǎng)和興趣，能夠主動(dòng)提出問題，并具備解決相關(guān)科學(xué)問題的初步能力。

三、環(huán)境同位素水文地質(zhì)課程的教學(xué)改革

（一）優(yōu)化理論內(nèi)容

環(huán)境同位素水文地質(zhì)課程的總課時(shí)為32課時(shí)，均為理論課時(shí)，根據(jù)2016級(jí)人才培養(yǎng)方案的調(diào)整原則，在總課時(shí)不變的前提下增加實(shí)踐課時(shí)的比重，現(xiàn)將理論課時(shí)調(diào)整為28課時(shí)，增加4課時(shí)的實(shí)踐課程。因此對(duì)理論部分進(jìn)行了相應(yīng)壓縮和精簡。例如，壓縮氚法和碳14法測定地下水年齡的內(nèi)容，精簡天然水中氫氧同位素的組成與分布規(guī)律，增加氫氧穩(wěn)定同位素的取樣及測試內(nèi)容。

（二）加強(qiáng)與先導(dǎo)課程的銜接

本課程的相關(guān)先導(dǎo)課程包括：水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程，研究地下水在巖石圈、地幔、水圈、大氣圈、生物圈和人類活動(dòng)相互作用下，其水量與水質(zhì)在時(shí)間和空間上的變化，以及對(duì)各個(gè)圈層產(chǎn)生的影響；水文地球化學(xué)課程，其研究對(duì)象不僅是地下水本身，而且包括地下水活動(dòng)過程中各種水文地球化學(xué)作用對(duì)各種地質(zhì)現(xiàn)象的影響和關(guān)系，為本課程教學(xué)提供扎實(shí)的理論基礎(chǔ)；環(huán)境水化學(xué)課程或水分析化學(xué)課程，主要講授實(shí)驗(yàn)室水化學(xué)分析方法，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力，為開展環(huán)境同位素水文地質(zhì)的綜合實(shí)驗(yàn)奠定了良好的實(shí)驗(yàn)操作及理論基礎(chǔ)。因此，在課堂教學(xué)中應(yīng)將地下水中同位素的組分及特點(diǎn)、同位素效應(yīng)、地下水污染示蹤等內(nèi)容與以上課程進(jìn)行有效結(jié)合和銜接，避免出現(xiàn)重復(fù)。

（三）增設(shè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為提高學(xué)生的實(shí)踐能力，增設(shè)課內(nèi)必做實(shí)驗(yàn)“氫氧穩(wěn)定同位素的取樣及測試”，介紹同位素樣品的采集技術(shù)，野外現(xiàn)場樣品采集的流程及注意事項(xiàng)，LGR液態(tài)穩(wěn)定水同位素分析儀測試原理、操作及維護(hù)方法。但由于課時(shí)及實(shí)驗(yàn)場地有限，將其設(shè)置為分組演示性實(shí)驗(yàn)。

（四）開發(fā)課外實(shí)驗(yàn)

為彌補(bǔ)課時(shí)及場地的不足，給學(xué)習(xí)成績較好且對(duì)實(shí)驗(yàn)操作感興趣的學(xué)生提供機(jī)會(huì)，應(yīng)充分利用開放實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐課程，任課教師在相應(yīng)學(xué)期開設(shè)36至48課時(shí)的綜合性實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過兩年實(shí)踐，已成功開設(shè)兩期“氫氧穩(wěn)定同位素在蒸發(fā)過程中的分餾特征”開放實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為通過控制含水介質(zhì)中地下水中離子的種類、含量、pH值、溫度等條件，模擬地下水水質(zhì)演化對(duì)飽和孔隙介質(zhì)地下水中氫氧穩(wěn)定同位素分餾的影響機(jī)制，確定影響飽和孔隙介質(zhì)中氫氧同位素分餾的因素。

開放實(shí)驗(yàn)均采用小班教學(xué)，從實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、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(hù)，均由學(xué)生全程參與，最后小組提交開放實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生反饋較好，獲得良好的教學(xué)效果。

（五）加強(qiáng)課程內(nèi)容在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

我國地學(xué)教育教學(xué)模式表明，實(shí)踐教學(xué)是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充分的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)實(shí)習(xí)和野外實(shí)踐都是培養(yǎng)地學(xué)人才的重要途徑［4-6］。地下水科學(xué)與工程專業(yè)人才的培養(yǎng)需經(jīng)歷地學(xué)思維至專業(yè)思維再至專業(yè)綜合能力過程的轉(zhuǎn)變，因此，由認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)、專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)所組成的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系具有舉足輕重的作用。專業(yè)實(shí)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，因此，將實(shí)習(xí)實(shí)踐課程中的內(nèi)容與環(huán)境同位素水文地質(zhì)的課堂教學(xué)相結(jié)合，能夠提高課堂教學(xué)的水平，也能夠促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)水平的提升。

在地下水科學(xué)與工程專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)中加強(qiáng)對(duì)環(huán)境同位素水文地質(zhì)理論及實(shí)踐知識(shí)的應(yīng)用，在柳江盆地的水文地質(zhì)調(diào)查中得到具體的體現(xiàn)：（1）利用水化學(xué)及同位素的數(shù)據(jù)分析研究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(bǔ)給來源等。（3）根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓€，判斷蒸發(fā)作用的影響程度。（4）氫氧穩(wěn)定同位素樣品的現(xiàn)場采集。以上內(nèi)容在生產(chǎn)實(shí)習(xí)“東部落泉群成因分析報(bào)告”和“黑山嘴溫泉成因分析”等專題中均有體現(xiàn)。

在多年實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的實(shí)地調(diào)研、采樣、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析，累積了多年的柳江盆地地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)、水化學(xué)及同位素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)秦皇島柳江盆地的地下水化學(xué)及同位素特征、地下水循環(huán)特征、地下水污染現(xiàn)狀、典型泉群成因進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，具有很高的科研價(jià)值，也提升了實(shí)踐教學(xué)的水平。

（六）增強(qiáng)學(xué)生科研能力，實(shí)現(xiàn)科研促教學(xué)

通過扎實(shí)理論基礎(chǔ)的奠定和部分實(shí)踐課的開設(shè)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，加強(qiáng)學(xué)生的科研思維和能力，發(fā)揮本課程的理論實(shí)踐技能在本科畢業(yè)論文中的作用。例如，“基于水化學(xué)及同位素的柳江盆地東部落泉成因研究”［7］，“基于同位素技術(shù)的潮白河地表水及地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究”［8］，“柳江盆地淺層地下水水化學(xué)演化規(guī)律淺析”［9］等多篇本科畢業(yè)論文。

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，本專業(yè)教師在柳江盆地開展了以提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量為目的的多項(xiàng)科研工作，例如中國地震局教師科研基金項(xiàng)目“基于水化學(xué)及同位素的柳江盆地東部落泉成因研究”，以及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“秦皇島柳江盆地東部落泉群成因模式研究”，并榮獲二等獎(jiǎng)。結(jié)合課程及實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)條件，本專業(yè)師生已有多篇學(xué)術(shù)論文產(chǎn)出，例如《瓶裝飲用水的水化學(xué)、同位素特征及其指示意義》［10］、《基于水化學(xué)及D、～（18）O的柳江盆地東宮河流域地下水循環(huán)特征解析》［11］等。通過實(shí)踐技能培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的科研水平，為學(xué)生的深造搭建一個(gè)寬闊的平臺(tái)。

通過對(duì)科研成果的梳理和積累，科研成果均轉(zhuǎn)化到實(shí)踐教學(xué)中，為學(xué)生綜合創(chuàng)新提供平臺(tái)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研相互促進(jìn)，學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力得到提高。

四、結(jié)論

環(huán)境同位素水文地質(zhì)課程作為地下水科學(xué)與工程專業(yè)課程體系的重要組成部分，在專業(yè)人才目標(biāo)培養(yǎng)上起到至關(guān)重要的作用。通過理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生了解環(huán)境同位素水文地質(zhì)學(xué)的基本原理、知識(shí)體系和現(xiàn)代研究領(lǐng)域的前沿與成就，掌握環(huán)境同位素水文地質(zhì)工作的基本流程和基本方法，既實(shí)現(xiàn)了知識(shí)目標(biāo)，又實(shí)現(xiàn)了能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。

經(jīng)過對(duì)理論及實(shí)踐內(nèi)容的改革，課堂教學(xué)質(zhì)量不斷提升，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)了本門課程的實(shí)用性，訓(xùn)練學(xué)生掌握環(huán)境同位素水文地質(zhì)學(xué)的基本研究方法和研究技能，為學(xué)生學(xué)好專業(yè)知識(shí)奠定了良好的科學(xué)素質(zhì)與知識(shí)基礎(chǔ)，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析、解決問題的邏輯思維能力；提高了地下水科學(xué)與工程專業(yè)的人才質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)生的就業(yè)競爭力；并在不斷的科研和教學(xué)的融合過程中，逐漸形成了基于教科研融合的地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)模式，教學(xué)科研互相促進(jìn)，有利于培養(yǎng)地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。