地下水动力学教学模式改革与实践探索
摘要：针对地下水动力学课程教学中存在的部分问题，改革地下水动力学课程教学内容与训练内容，建设互动式授课模式与平台，开展预设问题的辅助教学模式和计算机数值模拟与仿真教学方法。改革实验教学方法，构建开放式实验教学模式，建设野外试验与实践教学基地。通过教学改革，深化理论教学、实践教学与创新培养，为水文与水资源工程专业的基础教学探索一条新的模式。
关键词：地下水动力学；教学模式；数值模拟；开放式实验
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）27-0132-02
一、地下水动力学课程教学改革意义与必要性
当前，我国高等教育重点培养具有创新精神和实践能力的应用型高级工程技术人才。地下水动力学作为水文与水资源工程专业实践性较强的核心专业基础课，是研究地下水在多孔介质中运动规律的科学，是解决地下水定量评价和合理开发利用的基础。地下水运动规律的研究以数学、物理学、水力学等学科知识为基础，应用数值计算、模拟实验等一系列研究方法[1]。教学过程中涉及大量的数学模型、微积分方程和应用数值方法，是一门难度极大且在工程技术领域非常实用的课程，也是本科阶段培养学生处理复杂水文地质问题、锻炼综合应变能力的核心课程。目前该课程的教学与实践过程中尚存在一些问题，迫切需要对教学手段、教学内容和实验实践能力方面进行深入改革。
地下水动力学课程是实践性很强的基础学科课程，目前的教学模式主要是以教师讲授的理论教学为主，缺乏室内外实验与创新实践环节[2，3]。针对目前工程技术领域不断涌现的地下水过度开采导致的一系列水文地质环境地质问题，中国地下水科学与工程方面的研究取得了一定进展，但我国高等院校人才培养的教学内容与方式尚没有跟上工程实践的具体要求。另外，国内高校的专业教师深入现场调查不够，不熟悉工程勘察施工的一些新技术和新设备，对工程中碰到的新问题难以应对。这些都会导致课程的理论教学与实际工程、野外试验等脱节。近年来，我国大规模的工程建设项目逐渐增加，如三峡工程、南水北调工程等重大水利工程，尤其是“一带一路”战略实施后，各类工程建设更加密集，这势必给水文地质学带来许多新的复杂课题，高等学校地下水动力学课程的教学面临新的挑战，迫切要求对其教学模式进行改革与实践探索。
二、地下水动力学教学模式改革的主要内容
1.完善教学内容，改进多媒体课件、增设虚拟实验和工程案例视频。地下水动力学课程是理论与实践紧密结合的课程，既包括严密推导的数学、力学、化学理论，也包括与工程设计、勘察及施工紧密结合的实践内容。理论教学过程中的难点主要体现在地下水流模型、溶质运移和热量运移模型的建立等；地下水向完整井稳定运动、非稳定运动公式的应用等；教学过程中涉及大量的数学公式和微积分方程及化学方程式，并需配备一定的图表进行讲解[4]。在未来的课程建设过程中，将以教学内容改革为核心，融合现代信息技术，改革传统的“填鸭式”教学方法，通过形象的多媒体课件、运用Flash动画演示虚拟实验、将工程案例做成视频资料，增加实验教学、野外抽水试验与计算机数值模拟等教学环节，探索更加适合现代水文与水资源工程发展需要的教学方法。将教师团队最近的科研成果及国内外水文地质学领域的新成果纳入实践教学体系，丰富完善教学内容，达到理论体系全面、工程案例实用的目的；运用多媒体辅助教学手段改进课程教案，将大量内容丰富的工程案例贯穿其中，通过视频、影像、动画等多种方式强化教学内容，加强学生对所学知识重点和难点的理解，提高学生的理解能力和应用能力，激发其学习热情，拓展其科研视野，增强课程的教学效果。
2.加强启发互动式授课，提高学生的创新实践能力。启发式、互动式的授课方法是培养大学生创新能力的重要途径之一。地下水动力学是面向水文与水资源工程的专业必修课，共64学时。授课过程中除了期中、期末考试外，拟增加课堂提问、课后作业、课程论文3项内容，以激发学生的学习兴趣，确保绝大部分学生掌握课程的基础知识，并使有兴趣、有创新精神的学生有所突破。鼓励学生在学好理论知识的前提下，查阅文献资料，撰写课程论文。论文自主选题，可撰写对地下水动力学研究某方面内容的综述，或撰写对本课程中某节课的体会或感想。这种课程论文结构的设计方法，既保证了学生能掌握一定的基础知识，又给学有余力的同学提供了充分发挥创新能力的平台，效果很好。通过学生对课程教学提出的建设性改进意见，任课教师可以对教学内容不断加以改进与完善。
3.开展计算机数值模拟与虚拟仿真的辅助教学模式。考虑到地下水数值模拟方法在地下工程、环境质量评价、地下水开发与利用工程领域的实用性和通用性等特点，引导学生在课程开设初期结合教师的研究领域，选定一个地下水数值模拟课题，通过课程学习熟悉课题内容。课程的每个环节都能够使学生对问题的认识不断深入，最终完成这个数值模拟课题。这种教学方式增加了师生互动，使学生的学习目标更明确，积极性更高，理解和接收知识更全面，教学效果更实用。
随着现代信息技术与计算机软件的推广使用，对地下水运动现象与规律进行数值模拟与虚拟仿真，具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点，而且通过数值模拟与虚拟仿真可以得到许多在常规实验室中难以短期观测到的动态信息，可作为地下水动力学课程实验教学的重要补充。为此，本次教学改革将实践教学与计算机数值模拟及虚拟仿真相结合，增加数值模拟演示实验。以往，由于地下水运动的隐蔽性和多孔介质的复杂性，在地下水动力学教学实验过程中，学生很难通过重复性实验看到地下水位实时变化的动态过程。应用GMS三维地下水模拟系统中的MODFLOW模型对水质、水量进行实时动态模拟与预测，加深学生对教学内容的理解，对实验进行辅助教学，可增强学生参与教学活动的主动性、创造性。
4.改革地下水动力学实验教学方法，构建开放式实验教学模式。常规的室内实验教学是由教师讲解实验原理、现场演示实验过程、提出实验结果的处理手段，然后由学生分组进行实验操作和数据处理等步骤组成。由于实验课人多拥挤，多人共用一台仪器，往往只有部分学生进行了实际操作，而且实验过程是复制教师的演示过程，没有任何改进和创新实践过程，由此导致实验课效果往往不够理想，学生多半是为完成教学任务而进行实验，没有体现学生的能动性和创新性。为此，本课程构建开放式实验教学模式，编写实验操作过程多媒体辅助课件，学生通过自学课件，掌握实验原理，自行设计具体的实验方案，选择不同的多孔介质，在不同的水力坡度下设计实验。实验室每天对学生开放，每个学生可以选择不同时间段按要求到实验室做实验，这种模式既保证了现代化教学手段的最佳利用，又使实验室得到合理利用，提高了实验室的利用效率和实验教学效果。