水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)實踐
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摘要：水文地質(zhì)學(xué)實驗是地學(xué)專業(yè)水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)體系的一個重要實踐環(huán)節(jié).為了加強水文地質(zhì)學(xué)科建設(shè)，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，在長期教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，從實驗教學(xué)設(shè)計、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)方法和實驗考核機制4個方面對水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)工作展開了一系列探索和實踐，從而培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力、綜合素質(zhì)水平以及創(chuàng)新思維能力，為優(yōu)秀水文地質(zhì)專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ).
關(guān)鍵詞：地學(xué)專業(yè)；水文地質(zhì)學(xué)；實驗教學(xué)；教學(xué)質(zhì)量；人才培養(yǎng)
引言
水文地質(zhì)學(xué)是一門研究地下水的科學(xué)，是地質(zhì)學(xué)的一個重要分支學(xué)科，在地下水資源的評價、開發(fā)與利用以及各種工程建設(shè)中起到了極其重要的作用［1-2］.全國地質(zhì)和礦業(yè)類高校的地學(xué)專業(yè)（如地質(zhì)工程、地下水科學(xué)與工程、水文與水資源工程專業(yè)）均開設(shè)有水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程，除了中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）該課程為64學(xué)時，實驗課有24學(xué)時之外［3］，大多數(shù)高校該課程均為48學(xué)時，其中實驗課4~8學(xué)時.走訪調(diào)研表明，實驗學(xué)時較少、經(jīng)費缺乏、設(shè)備老化和教師不足等因素是影響實驗課持續(xù)正常升級開展的主要障礙.為了培養(yǎng)滿足社會與專業(yè)領(lǐng)域需求的水文地質(zhì)人才，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）優(yōu)化了本科生課程體系，增加了實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)時間，即把水文地質(zhì)實驗納入到地質(zhì)工程和資源勘查工程2個地學(xué)專業(yè)的水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)中.水文地質(zhì)學(xué)實驗課程已經(jīng)成為水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)體系中必不可少的教學(xué)手段之一［4-10］.通過對水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)進行改革，不僅可以加深學(xué)生對專業(yè)理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)水平和創(chuàng)新思維能力，對課堂教學(xué)質(zhì)量的提高、培養(yǎng)方案預(yù)期目標的完成以及創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)也起到了重要的推動作用
1實驗教學(xué)探索與實踐
1.1優(yōu)化實驗教學(xué)設(shè)計
為提高水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量，對其教學(xué)設(shè)計過程進行優(yōu)化管理和控制.依照實驗教學(xué)大綱，水文地質(zhì)學(xué)實驗設(shè)計主要包括前期準備、開展實施和考核評價3個階段，流程如圖1所示.（1）前期準備階段.發(fā)放實驗指導(dǎo)書和實驗資料，學(xué)生進行實驗課程預(yù)習(xí)，提前熟悉實驗?zāi)康?、要求、原理、主要?nèi)容和實驗儀器操作等，鞏固復(fù)習(xí)相關(guān)理論知識，進行實驗方案設(shè)計，為實驗教學(xué)的開展實施做好準備工作.（2）開展實施階段.指導(dǎo)老師進行課堂出勤和預(yù)習(xí)情況考核；學(xué)生組隊分工協(xié)作，自主完成實驗儀器操作，實驗數(shù)據(jù)測定與結(jié)果分析等工作；教師進行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和答疑，引導(dǎo)學(xué)生主動思考；學(xué)生編寫提交實驗成果表、實驗報告以及相關(guān)圖件.（3）考核評價階段.任課教師根據(jù)學(xué)生在實驗教學(xué)開展實施階段各方面的綜合表現(xiàn)，如課堂出勤和預(yù)習(xí)情況、實驗儀器操作情況和實驗成果報告等，最終給定學(xué)生實驗課程成績并進行評價.
1.2豐富實驗教學(xué)內(nèi)容
2016版水文地質(zhì)學(xué)實驗內(nèi)容包括巖土水理性質(zhì)測定實驗、達西實驗、毛細上升高度測定實驗和間歇泉成因演示實驗.這些實驗均為傳統(tǒng)的驗證性和演示性實驗，因而無法培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力.為實現(xiàn)培養(yǎng)方案目標要求，學(xué)校大規(guī)模引入了先進的水文地質(zhì)學(xué)實驗儀器和設(shè)備，并對實驗教學(xué)內(nèi)容進行合理設(shè)置，在2020版實驗教學(xué)指導(dǎo)講義中增加了潛水和承壓水模擬演示實驗、入滲和地下水滲流實驗以及綜合設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗等，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力.（1）基礎(chǔ)性實驗.此類實驗包括驗證性和演示性實驗，主要是讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識和實驗技能.主要包括巖土水理性質(zhì)測定、達西實驗、毛細上升高度測定、潛水和承壓水模擬演示、入滲和地下水滲流以及間歇泉成因演示實驗等.其中：巖土水理性質(zhì)測定主要讓學(xué)生掌握室內(nèi)測定容水度、給水度和持水度的方法；間歇泉成因演示主要是要求學(xué)生掌握間歇泉形成的必要條件和主要影響因素；達西實驗主要是讓學(xué)生加深認識達西定律，掌握室內(nèi)測定巖土滲透系數(shù)的方法.此類實驗是后續(xù)實驗的基礎(chǔ)和前提.（2）綜合設(shè)計性實驗.此類實驗主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合分析解決實際問題的能力和三維空間想象能力.實驗內(nèi)容主要為流場模擬和涌水量預(yù)測.優(yōu)選幾個典型煤礦地層資料供學(xué)生自由選擇，設(shè)計實驗方案，獨立操作和實施，測定實驗相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)和數(shù)據(jù).利用VisualModflow專業(yè)軟件進行三維數(shù)值建模，并根據(jù)實驗測定的數(shù)據(jù)對模型進行水文地質(zhì)參數(shù)設(shè)定和賦值，最后進行地下水流場模擬或礦井涌水量預(yù)測預(yù)報，完成綜合設(shè)計性實驗.此類實驗主要提高學(xué)生綜合分析問題和應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力.（3）創(chuàng)新性實驗.此類實驗主要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和能力.水文地質(zhì)實驗室實行全面開放式管理，學(xué)生可以申請到實驗室獨立進行實驗.學(xué)生自擬題目、參與創(chuàng)新訓(xùn)練項目或者導(dǎo)師科研項目，從實驗方案設(shè)計、實驗操作到實驗數(shù)據(jù)分析處理，不斷地進行各種實驗過程，進一步培養(yǎng)提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力和動手實踐能力.
1.3改進實驗教學(xué)方法
在傳統(tǒng)的水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)模式中，教師在實驗課堂上進行理論知識講解和實驗操作示范，學(xué)生依照實驗步驟機械性地進行實驗操作.整個教學(xué)過程中，教師占據(jù)主導(dǎo)地位，學(xué)生缺乏思考，不僅存在著“齊步走”“一鍋端”的模式化弊端，一定程度上也限制了學(xué)生綜合分析問題能力和創(chuàng)新思維能力的發(fā)揮.因此，可采用以下方式提高實驗教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量.（1）采用激勵式教學(xué)方式，強化學(xué)生的主導(dǎo)地位.實驗教學(xué)過程中，首先要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)實驗課程內(nèi)容，鼓勵學(xué)生自主完成方案設(shè)計、前期準備、操作實施和數(shù)據(jù)分析處理等工作，老師僅在實驗過程中提供指導(dǎo)和答疑.充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，及時給予學(xué)生肯定和鼓勵，引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新性實驗，對學(xué)生綜合表現(xiàn)情況進行考核評價.（2）采用多媒體等現(xiàn)代化教學(xué)手段.水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)過程中，應(yīng)采取板書與多媒體相結(jié)合的教學(xué)方式，利用多媒體制作相關(guān)視頻和動畫，通過可視化的方式將抽象知識具體化和形象化.例如，進行流場模擬實驗時，地下三維空間模型的構(gòu)建和建立是個難題，在實驗教學(xué)時進行多媒體動態(tài)演示，不僅便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解，還能夠進一步提高實驗課堂教學(xué)效率.此外，實驗教學(xué)不能僅停留在實體模型上，還可開展基于軟件模擬預(yù)測實驗，如利用VisualModflow數(shù)值模擬軟件進行流場模擬和涌水量預(yù)測，從而提升課堂教學(xué)質(zhì)量.（3）邀請校外企業(yè)專家授課.進行水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)時，指導(dǎo)老師由校內(nèi)老師和校外企業(yè)專家共同擔(dān)當(dāng)，特別是綜合設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗.其中，校內(nèi)老師主要進行專業(yè)理論知識的指導(dǎo)，實踐經(jīng)驗豐富的校外企業(yè)專家側(cè)重于實際問題和綜合設(shè)計方面的授課.理論知識與實際問題相結(jié)合，有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合分析解決問題的能力.（4）因材施教，施行科學(xué)專業(yè)的個性化引導(dǎo).除必修的實驗課之外，學(xué)生可以根據(jù)興趣和能力在提供的自選實驗課中進行選擇.任課教師在了解學(xué)生實際情況的基礎(chǔ)上，因材施教，提出合理的建議和專業(yè)的指導(dǎo)，充分挖掘發(fā)揮學(xué)生的潛力.此外，針對科研興趣和科研能力較強的學(xué)生，可以讓其參與老師的科研項目，并不斷進行科學(xué)專業(yè)的個性化引導(dǎo)，提高學(xué)生的科研水平和素養(yǎng).
1.4完善實驗教學(xué)考核評價
傳統(tǒng)的水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)考核主要以提交的實驗成果表和實驗報告為主，評價指標相對單一，考核機制不夠嚴謹客觀，忽略了學(xué)生在實驗教學(xué)過程中的表現(xiàn).為了提高實驗教學(xué)課堂質(zhì)量，實現(xiàn)培養(yǎng)方案預(yù)期目標，目前主要實行“實驗過程考核與結(jié)果評價相結(jié)合、團隊考核與個人評價相融合”的實驗教學(xué)考核機制.評價指標包括出勤和預(yù)習(xí)情況、團隊協(xié)作情況、實驗儀器操作、數(shù)據(jù)分析和實驗成果與報告等，對于綜合設(shè)計性實驗，還要考慮實驗設(shè)計方案可行性.成績考核包含：課堂考勤和預(yù)習(xí)情況（10%）、實驗團隊協(xié)作（10%）、實驗方案可行性（10%）、實驗儀器操作與數(shù)據(jù)分析（30%）、實驗成果與報告（40%）5個部分，得出實驗課成績.實驗教學(xué)考核機制的完善，不僅增強了實驗教學(xué)過程控制，也一定程度上促進了學(xué)生的團隊協(xié)作意識.
2結(jié)束語
水文地質(zhì)學(xué)實驗是水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)體系的一個重要實踐環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化教學(xué)設(shè)計、豐富教學(xué)內(nèi)容、改進教學(xué)方法、完善考核機制等方式進行了水文地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)探索與改革.實驗環(huán)節(jié)增設(shè)學(xué)生自主設(shè)計內(nèi)容，通過入滲和地下水滲流實驗進行實際操作，理解地下水的滲流過程和流速、流量的變化，并在Visu‐alModflow建模綜合設(shè)計中實現(xiàn)三維數(shù)值模擬.邀請中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、中國地質(zhì)科學(xué)院、北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站等單位的專家進校給學(xué)生進行實踐指導(dǎo)，提高了學(xué)生應(yīng)對實際問題的分析能力和綜合設(shè)計水平.
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作者：孫文潔 楊文凱 董東林 林剛 曠達 李軍 單位：中國礦業(yè)大學(xué)