水文地質學實驗教學實踐

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摘要：水文地質學實驗是地學專業(yè)水文地質學課程教學體系的一個重要實踐環(huán)節(jié).為了加強水文地質學科建設，提高實驗教學質量，在長期教學實踐的基礎上，從實驗教學設計、實驗教學內容、實驗教學方法和實驗考核機制4個方面對水文地質學實驗教學工作展開了一系列探索和實踐，從而培養(yǎng)學生動手實踐能力、綜合素質水平以及創(chuàng)新思維能力，為優(yōu)秀水文地質專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定了堅實的基礎.

關鍵詞：地學專業(yè)；水文地質學；實驗教學；教學質量；人才培養(yǎng)

引言

水文地質學是一門研究地下水的科學，是地質學的一個重要分支學科，在地下水資源的評價、開發(fā)與利用以及各種工程建設中起到了極其重要的作用［1-2］.全國地質和礦業(yè)類高校的地學專業(yè)（如地質工程、地下水科學與工程、水文與水資源工程專業(yè)）均開設有水文地質學基礎課程，除了中國地質大學（武漢）該課程為64學時，實驗課有24學時之外［3］，大多數(shù)高校該課程均為48學時，其中實驗課4~8學時.走訪調研表明，實驗學時較少、經費缺乏、設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)領域需求的水文地質人才，中國礦業(yè)大學（北京）優(yōu)化了本科生課程體系，增加了實踐環(huán)節(jié)的教學時間，即把水文地質實驗納入到地質工程和資源勘查工程2個地學專業(yè)的水文地質學課程教學中.水文地質學實驗課程已經成為水文地質學課程教學體系中必不可少的教學手段之一［4-10］.通過對水文地質學實驗教學進行改革，不僅可以加深學生對專業(yè)理論知識的理解，培養(yǎng)學生綜合素質水平和創(chuàng)新思維能力，對課堂教學質量的提高、培養(yǎng)方案預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實驗教學探索與實踐

1.1優(yōu)化實驗教學設計

為提高水文地質學實驗教學質量，對其教學設計過程進行優(yōu)化管理和控制.依照實驗教學大綱，水文地質學實驗設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)放實驗指導書和實驗資料，學生進行實驗課程預習，提前熟悉實驗目的、要求、原理、主要內容和實驗儀器操作等，鞏固復習相關理論知識，進行實驗方案設計，為實驗教學的開展實施做好準備工作.（2）開展實施階段.指導老師進行課堂出勤和預習情況考核；學生組隊分工協(xié)作，自主完成實驗儀器操作，實驗數(shù)據(jù)測定與結果分析等工作；教師進行適當?shù)闹笇Ш痛鹨?，引導學生主動思考；學生編寫提交實驗成果表、實驗報告以及相關圖件.（3）考核評價階段.任課教師根據(jù)學生在實驗教學開展實施階段各方面的綜合表現(xiàn)，如課堂出勤和預習情況、實驗儀器操作情況和實驗成果報告等，最終給定學生實驗課程成績并進行評價.

1.2豐富實驗教學內容

2016版水文地質學實驗內容包括巖土水理性質測定實驗、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，學校大規(guī)模引入了先進的水文地質學實驗儀器和設備，并對實驗教學內容進行合理設置，在2020版實驗教學指導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計性實驗和創(chuàng)新性實驗等，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和能力.（1）基礎性實驗.此類實驗包括驗證性和演示性實驗，主要是讓學生掌握基礎理論知識和實驗技能.主要包括巖土水理性質測定、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：巖土水理性質測定主要讓學生掌握室內測定容水度、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生加深認識達西定律，掌握室內測定巖土滲透系數(shù)的方法.此類實驗是后續(xù)實驗的基礎和前提.（2）綜合設計性實驗.此類實驗主要是培養(yǎng)學生綜合分析解決實際問題的能力和三維空間想象能力.實驗內容主要為流場模擬和涌水量預測.優(yōu)選幾個典型煤礦地層資料供學生自由選擇，設計實驗方案，獨立操作和實施，測定實驗相關的水文地質參數(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參數(shù)設定和賦值，最后進行地下水流場模擬或礦井涌水量預測預報，完成綜合設計性實驗.此類實驗主要提高學生綜合分析問題和應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)學生創(chuàng)新思維和能力.水文地質實驗室實行全面開放式管理，學生可以申請到實驗室獨立進行實驗.學生自擬題目、參與創(chuàng)新訓練項目或者導師科研項目，從實驗方案設計、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)提高學生創(chuàng)新思維能力和動手實踐能力.

1.3改進實驗教學方法

在傳統(tǒng)的水文地質學實驗教學模式中，教師在實驗課堂上進行理論知識講解和實驗操作示范，學生依照實驗步驟機械性地進行實驗操作.整個教學過程中，教師占據(jù)主導地位，學生缺乏思考，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質量和人才培養(yǎng)質量.（1）采用激勵式教學方式，強化學生的主導地位.實驗教學過程中，首先要求學生提前預習實驗課程內容，鼓勵學生自主完成方案設計、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和答疑.充分調動學生的主觀能動性，及時給予學生肯定和鼓勵，引導學生開展創(chuàng)新性實驗，對學生綜合表現(xiàn)情況進行考核評價.（2）采用多媒體等現(xiàn)代化教學手段.水文地質學實驗教學過程中，應采取板書與多媒體相結合的教學方式，利用多媒體制作相關視頻和動畫，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建和建立是個難題，在實驗教學時進行多媒體動態(tài)演示，不僅便于學生學習和理解，還能夠進一步提高實驗課堂教學效率.此外，實驗教學不能僅停留在實體模型上，還可開展基于軟件模擬預測實驗，如利用VisualModflow數(shù)值模擬軟件進行流場模擬和涌水量預測，從而提升課堂教學質量.（3）邀請校外企業(yè)專家授課.進行水文地質學實驗教學時，指導老師由校內老師和校外企業(yè)專家共同擔當，特別是綜合設計性實驗和創(chuàng)新性實驗.其中，校內老師主要進行專業(yè)理論知識的指導，實踐經驗豐富的校外企業(yè)專家側重于實際問題和綜合設計方面的授課.理論知識與實際問題相結合，有利于培養(yǎng)和提高學生綜合分析解決問題的能力.（4）因材施教，施行科學專業(yè)的個性化引導.除必修的實驗課之外，學生可以根據(jù)興趣和能力在提供的自選實驗課中進行選擇.任課教師在了解學生實際情況的基礎上，因材施教，提出合理的建議和專業(yè)的指導，充分挖掘發(fā)揮學生的潛力.此外，針對科研興趣和科研能力較強的學生，可以讓其參與老師的科研項目，并不斷進行科學專業(yè)的個性化引導，提高學生的科研水平和素養(yǎng).

1.4完善實驗教學考核評價

傳統(tǒng)的水文地質學實驗教學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，忽略了學生在實驗教學過程中的表現(xiàn).為了提高實驗教學課堂質量，實現(xiàn)培養(yǎng)方案預期目標，目前主要實行“實驗過程考核與結果評價相結合、團隊考核與個人評價相融合”的實驗教學考核機制.評價指標包括出勤和預習情況、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，對于綜合設計性實驗，還要考慮實驗設計方案可行性.成績考核包含：課堂考勤和預習情況（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.實驗教學考核機制的完善，不僅增強了實驗教學過程控制，也一定程度上促進了學生的團隊協(xié)作意識.

2結束語

水文地質學實驗是水文地質學課程教學體系的一個重要實踐環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化教學設計、豐富教學內容、改進教學方法、完善考核機制等方式進行了水文地質學實驗教學探索與改革.實驗環(huán)節(jié)增設學生自主設計內容，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建模綜合設計中實現(xiàn)三維數(shù)值模擬.邀請中國地質環(huán)境監(jiān)測院、中國地質科學院、北京市地質環(huán)境監(jiān)測總站等單位的專家進校給學生進行實踐指導，提高了學生應對實際問題的分析能力和綜合設計水平.

參考文獻

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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