地下水動(dòng)力學(xué)教學(xué)模式改革與實(shí)踐探索

　　摘要：針對(duì)地下水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)中存在的部分問(wèn)題，改革地下水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與訓(xùn)練內(nèi)容，建設(shè)互動(dòng)式授課模式與平臺(tái)，開(kāi)展預(yù)設(shè)問(wèn)題的輔助教學(xué)模式和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與仿真教學(xué)方法。改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，構(gòu)建開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，建設(shè)野外試驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)基地。通過(guò)教學(xué)改革，深化理論教學(xué)、實(shí)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(dòng)力學(xué)；教學(xué)模式；數(shù)值模擬；開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)
　　中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）27-0132-02
　　一、地下水動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)改革意義與必要性
　　當(dāng)前，我國(guó)高等教育重點(diǎn)培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才。地下水動(dòng)力學(xué)作為水文與水資源工程專業(yè)實(shí)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(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，是解決地下水定量評(píng)價(jià)和合理開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)。地下水運(yùn)動(dòng)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(shí)為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算、模擬實(shí)驗(yàn)等一系列研究方法[1]。教學(xué)過(guò)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(shí)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(wèn)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(shí)踐過(guò)程中尚存在一些問(wèn)題，迫切需要對(duì)教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力方面進(jìn)行深入改革。
　　地下水動(dòng)力學(xué)課程是實(shí)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(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)[2，3]。針對(duì)目前工程技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)的地下水過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致的一系列水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，中國(guó)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(guó)高等院校人才培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容與方式尚沒(méi)有跟上工程實(shí)踐的具體要求。另外，國(guó)內(nèi)高校的專業(yè)教師深入現(xiàn)場(chǎng)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(duì)工程中碰到的新問(wèn)題難以應(yīng)對(duì)。這些都會(huì)導(dǎo)致課程的理論教學(xué)與實(shí)際工程、野外試驗(yàn)等脫節(jié)。近年來(lái)，我國(guó)大規(guī)模的工程建設(shè)項(xiàng)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(shí)施后，各類工程建設(shè)更加密集，這勢(shì)必給水文地質(zhì)學(xué)帶來(lái)許多新的復(fù)雜課題，高等學(xué)校地下水動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)面臨新的挑戰(zhàn)，迫切要求對(duì)其教學(xué)模式進(jìn)行改革與實(shí)踐探索。
　　二、地下水動(dòng)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(shí)驗(yàn)和工程案例視頻。地下水動(dòng)力學(xué)課程是理論與實(shí)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(jì)、勘察及施工緊密結(jié)合的實(shí)踐內(nèi)容。理論教學(xué)過(guò)程中的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在地下水流模型、溶質(zhì)運(yùn)移和熱量運(yùn)移模型的建立等；地下水向完整井穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)、非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)公式的應(yīng)用等；教學(xué)過(guò)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(lái)的課程建設(shè)過(guò)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(guò)形象的多媒體課件、運(yùn)用Flash動(dòng)畫(huà)演示虛擬實(shí)驗(yàn)、將工程案例做成視頻資料，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)、野外抽水試驗(yàn)與計(jì)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(duì)最近的科研成果及國(guó)內(nèi)外水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的新成果納入實(shí)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(shí)用的目的；運(yùn)用多媒體輔助教學(xué)手段改進(jìn)課程教案，將大量?jī)?nèi)容豐富的工程案例貫穿其中，通過(guò)視頻、影像、動(dòng)畫(huà)等多種方式強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)重點(diǎn)和難點(diǎn)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(dòng)式授課，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。啟發(fā)式、互動(dòng)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(dòng)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(shí)。授課過(guò)程中除了期中、期末考試外，擬增加課堂提問(wèn)、課后作業(yè)、課程論文3項(xiàng)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(shí)，并使有興趣、有創(chuàng)新精神的學(xué)生有所突破。鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)好理論知識(shí)的前提下，查閱文獻(xiàn)資料，撰寫(xiě)課程論文。論文自主選題，可撰寫(xiě)對(duì)地下水動(dòng)力學(xué)研究某方面內(nèi)容的綜述，或撰寫(xiě)對(duì)本課程中某節(jié)課的體會(huì)或感想。這種課程論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，既保證了學(xué)生能掌握一定的基礎(chǔ)知識(shí)，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(tái)，效果很好。通過(guò)學(xué)生對(duì)課程教學(xué)提出的建設(shè)性改進(jìn)意見(jiàn)，任課教師可以對(duì)教學(xué)內(nèi)容不斷加以改進(jìn)與完善。
　　3.開(kāi)展計(jì)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(píng)價(jià)、地下水開(kāi)發(fā)與利用工程領(lǐng)域的實(shí)用性和通用性等特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生在課程開(kāi)設(shè)初期結(jié)合教師的研究領(lǐng)域，選定一個(gè)地下水?dāng)?shù)值模擬課題，通過(guò)課程學(xué)習(xí)熟悉課題內(nèi)容。課程的每個(gè)環(huán)節(jié)都能夠使學(xué)生對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不斷深入，最終完成這個(gè)數(shù)值模擬課題。這種教學(xué)方式增加了師生互動(dòng)，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(shí)更全面，教學(xué)效果更實(shí)用。
　　隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件的推廣使用，對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，而且通過(guò)數(shù)值模擬與虛擬仿真可以得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中難以短期觀測(cè)到的動(dòng)態(tài)信息，可作為地下水動(dòng)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。為此，本次教學(xué)改革將實(shí)踐教學(xué)與計(jì)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(shí)驗(yàn)。以往，由于地下水運(yùn)動(dòng)的隱蔽性和多孔介質(zhì)的復(fù)雜性，在地下水動(dòng)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生很難通過(guò)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)看到地下水位實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。應(yīng)用GMS三維地下水模擬系統(tǒng)中的MODFLOW模型對(duì)水質(zhì)、水量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)測(cè)，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)，可增強(qiáng)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性。
　　4.改革地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，構(gòu)建開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。常規(guī)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是由教師講解實(shí)驗(yàn)原理、現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程、提出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理手段，然后由學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等步驟組成。由于實(shí)驗(yàn)課人多擁擠，多人共用一臺(tái)儀器，往往只有部分學(xué)生進(jìn)行了實(shí)際操作，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程是復(fù)制教師的演示過(guò)程，沒(méi)有任何改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)踐過(guò)程，由此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，沒(méi)有體現(xiàn)學(xué)生的能動(dòng)性和創(chuàng)新性。為此，本課程構(gòu)建開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程多媒體輔助課件，學(xué)生通過(guò)自學(xué)課件，掌握實(shí)驗(yàn)原理，自行設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案，選擇不同的多孔介質(zhì)，在不同的水力坡度下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室每天對(duì)學(xué)生開(kāi)放，每個(gè)學(xué)生可以選擇不同時(shí)間段按要求到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)室得到合理利用，提高了實(shí)驗(yàn)室的利用效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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