“地下水动力学”课程建设新途径及其实践探讨
时间：2023-04-24 21:30:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
童 新，高瑞忠，贾德彬，刘廷玺，段利民
（内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）
坚持“以本为本”，将本科教育放在人才培养的核心地位是新时代我国高等学校本科教育的必然要求。作为一门与当今国家资源开发及环境保护密切相关的本科专业课程，“地下水动力学”是水文与水资源工程、地下水科学与工程、地质工程等专业本科生的主干课程之一，对培养社会经济发展与生态环境保护所需的高级水文地质人才起着十分重要的作用。本文以笔者所在的内蒙古农业大学水文与水资源工程专业本科学生为研究对象，综合水文地质课程组多年的实践教学经验，分析了“地下水动力学”课程的课程特点、教学现状及存在的问题，并结合当下教育工作改革形势和多届学生实际情况，从课程建设的角度提出了一些实践创新建议。
（一）“地下水动力学”课程特点与教学现状
“地下水动力学”是研究地下水在岩土空隙介质（如孔隙、裂隙和溶隙）中的运动规律及其应用的科学，是水文地质学的重要组成部分，其核心教学内容是使学生掌握水文地质理论知识、培养水文地质工作能力、提升水文地质科研素养。课程要求学生掌握渗流的基本概念、基本定律、基本微分方程和定解条件，均质和层状非均质条件下地下水向河渠运动，稳定井流和不稳定井流的渗流特征、基本公式及实验求参方法等，并能运用这些基本理论和方法分析水文地质问题，对由地下水运动延伸出来的若干专门问题有较深层的理解，具备开展水文地质工作的思辨能力。笔者立于教与学的不同角度，经反复思索总结以下课程特点与现状。
1.先修课程多、综合性强，学生易产生畏难厌学情绪。除了涉及“水力学”“普通地质学”“地貌学及第四纪地质学”和“普通水文地质学”等先修专业基础课程外，还要求学生能掌握“高等数学”“线性代数”等先修学科基础课一些较难的专业知识［1］，对数学功底和空间思维能力要求高。这一特点令授课教师讲解起来复杂费力，知识难以贯穿联通，也让学生形成了该课程难学的第一印象，往往在学习时容易产生畏难与厌学情绪。
2.系统性强、章节联系紧，学生一步落后，步步落后。首先，讲授地下水运动的基本概念与定律、基本微分方程与定解条件，以及前面两个章节的第一个应用——地下水向河渠的运动。其次，讲授课程的重点和核心井流理论，着重讲解稳定井流（基于裘布依理论）与非稳定井流（基于泰斯理论）。再次，阐述两类经典的考虑不同给水机理的无压非稳定完整井流模型——博尔顿模型与纽曼模型［2］。最后，讲解井流实验及运用其确定水文地质参数的若干方法——标准曲线对比法、直线图解法、水位恢复法等。课程系统性强，结构严谨，知识点衔接紧密，往往由浅入深、层层递进。授课教师知识剖析难度大，整体把握不易，学生如果前面的内容掌握不牢，后面极易跟不上。
3.理论公式多、推导过程繁，学生一知半解，似懂非懂。从介绍贮水率开始就涉及推导过程：由质量守恒定律推出渗流的连续性方程，再结合一些基本假设得到渗流基本微分方程；
利用微分方程和定解条件推求河渠间地下水运动的运动方程与裘布依稳定井流方程；
在泰斯公式推导及讨论中，反复用到偏微分方程求导；
以及线性叠加原理、边界映射原理和标准曲线对比法求解参数时运用的坐标平移原理等。为了将实际复杂问题简化，推导过程前往往都有若干对应的假设条件，有些假设条件理解起来很难。授课教师往往抽象说教，呆板而枯燥，学生经常似懂非懂，感觉已经掌握，但真正做题时却又漏洞百出，错误重重。
（二）“地下水动力学”课程存在的主要问题
1.学时有限，教学任务重。“地下水动力学”课程课时由最初的64学时调整至48学时，现已减至40学时。课时有限，任课教师又要做到“减时不减量、质量不打折”。为了保证教学任务按时完成，教师只能加快教学节奏，但这样极易形成“满堂灌”，教学过程缺乏互动，导致课堂留给学生独立思考、相互讨论的时间减少。一堂课下来，表面上学生学到了很多新的知识，但这种被动灌输使得学生与教师间无法形成高效、紧密的课堂联系。
2.学生各异，课堂同习，效果差异性明显。水文与水资源工程专业每届招收学生60人左右，专业基础课基本都是合班授课。由于学生人数众多、学习基础参差不齐，“一锅煮”容易造成底子薄弱的学生感觉“压力山大”，希望老师稳抓基础，而基本功扎实的学生则又“意犹未尽”，希望老师能够多进行“深度”与“广度”的拓展。不同的心态、差异化的诉求带来了学习效果的差异。
3.内容抽象，过程缺乏实例与实践。地下水动力学研究的对象位于地表以下，一般情况下不可见，需要学生有空间想象能力，在脑海中还原地下水流运动过程。课程理论性和抽象性突显，却又与工程实际联系密切，实验性和实用性强。本科生缺乏工程背景，常规的教学模式无法有效借助信息技术手段将更多的工程背景知识推送给学生［3］，这使得不少学生将“地下水动力学”当成一门纯理论性的课程，认为其没有任何工程实践指导意义。
针对上述“地下水动力学”课程具体特点、教学现状与存在的主要问题，以建设学校一流课程为契机，笔者通过多年教学实践，总结多元教学经验，积极探索教学实践创新途径，提出相应教学改革举措，各举措的相互关系见图1。
图1 “地下水动力学”课程创新改革举措关联图
（一）优化教学内容，制定灵活教学模块
结合课程具体学时数，本着聚焦核心、突出重点、强化应用的原则，将课程教学内容进行适当优化，设置为以下六个模块：（1）渗流基础理论模块：渗流、渗流基本定律、流线、流网、地下水流折射现象等；
（2）地下水运动基本定律与微分方程模块：连续性方程、裘布依假定、定解条件等；
（3）河渠间地下水运动模块：突出河渠间一维、二维的地下水运动，稳定运动为主；
（4）稳定井流模块：裘布依稳定井流方程及其讨论、裘布依模型与齐姆模型的区别等；
（5）非稳定井流模块：泰斯公式所对应的水文地质模型、物理意义及其应用，配线法和直线图解法求解水文地质参数等问题；
（6）实践探究模块：边界井流、井群干扰、博尔顿模型与纽曼模型的应用、水文地质实验、水文地质实习前瞻等。
（二）强化实用性，耦合后续关联课程
认真设计第一堂课。第一堂课是导论课、绪论课，对提高学生的学习兴趣至关重要。除了常规的教学内容、目标达成、考核方式等方面介绍，还应阐明课程具体应用领域，通过增加和穿插一些经典、新颖的实例，配上栩栩如生的图片或者动画，充分调动学生的学习兴趣。教学过程中，不仅要重视先修课程相关知识点的回顾，更应对后续关联课程进行充分耦合，尤其是那些与“地下水动力学”紧密衔接的实践实训课程，比如“水文地质实验”“水文地质实习”等。虽然这些课程有专门的教学计划与课时安排，但其实践实训环节都建立在对“地下水动力学”课程理论知识熟悉掌握的基础及熟练应用之上。学生往往对实验、实习等课程兴趣浓厚，如果能在“地下水动力学”课程教学过程中，提前渗透并引入后续课程的相关应用场景与有趣问题，那么就能夯实学生本门课程的理论基础，提前验证专业知识、深化相关能力。如讲授井流问题时，可从水资源论证或评价中如何获得含水层参数出发，引出野外抽水实验，该部分内容会在学生水文地质实习中真正接触，学生要在野外和其他同学一起完成实验，再通过地下水动力学的相关知识建立相应数学模型，通过求解模型获取含水层参数。如此一来，就可以避免课上仅讲授枯燥的理论知识，从而提升教学效果。
（三）多方法融合，丰富教学形式与手段
综合使用演示法、对比法、实例法、讨论法、引导法等多种教学方法［4］，根据不同教学模块特点进行有机融合。为支撑不同教学方法，除采用传统的板书教学外，还需使用现代多媒体技术，如制作课件时，充分融入图片、动画、音视频等生动素材；
在实践性更强的抽水实验环节，辅助以可视化的数值模拟技术；
等等。教材或参考书是静态呈现，利用网络科技手段则能突破时空对教学的限制［5］，可借助网易公开课、中国大学MOOC（慕课）、学堂在线等在线学习平台，将线上的数字化在线教育资源与线下的课堂教学相结合，帮助拓宽学生视野、增强自主学习能力。学生主动参与学习过程至关重要，借助翻转课堂或“我来做助教”可以为学习者提供良好的机会［6］。授课教师不再占用课堂的时间讲授知识，这些知识需要学生通过多种渠道（如视频讲座、听播客、阅读数据、网络讨论等）在课前完成自主学习。教师能有更多的时间与每个学生交流，若学生有兴趣，可以作为助教协助教师完成教学任务。“助教老师”能从学生角度出发，帮助同学理解并解决问题，授课教师还能从中找出学生的错误与不足，加以纠正与补充。课程结束前，安排学生进行自我总结，绘制课程整体思维导图，方便其梳理知识、深化理解、加深记忆。
（四）学生为中心，设定主线满足多样化需求
突出学生的中心地位，由大班、合班授课改为小班授课，将水文与水资源工程专业学生拆成两个课程班，由水文地质课程组两名教师分开授课。明确学生的学习意图，对教学过程的前、中、后三个阶段都开展有针对性的学情分析，不断优化教学内容、方法、手段和形式，保证绝大多数学生“跟得紧、跟得牢”，部分学生“往前送、往前推”。设定“提出问题—初步分析—概念模型—数学模型—问题求解”的课程主线，将基础理论、室内实验、野外实验与工程实例进行“四位一体”融合。简化多数学生不感兴趣的烦琐公式推导，对不可省略关键公式的必要推导则应逐步细化，方便学生理解。最关键的，要让学生明白推导公式的意义——理解课程数学内涵，提高解析能力。此外，“地下水动力学”是一门较难的课程，整个学习过程中学生学习情绪波动较大，教师要用心与学生沟通，注重师生互动，积极营造轻松愉悦的课堂氛围，及时解答学生反馈的各类问题，让学生尽量处于学习热情高涨点。
“地下水动力学”课程存在学时有限教学任务重、学生学习效果差异明显、内容抽象实践性欠缺等问题，在教学过程中容易造成学生学习吃力、积极性不高、厌学情绪频发等现象。笔者总结多年教学实践经验，结合课程建设探索，通过制定灵活教学模块、耦合后续关联课程、丰富教学形式与手段、设定主线满足多样化需求等教学改革举措，充分调动学生的学习兴趣、激发学习主动性、提高其分析与解决问题的能力。通过“地下水动力学”课程建设创新途径的不断丰富与完善，努力将理论与实践教学融合，使学生适应本领域知识、方法、技术快速发展的新形势，为培养地下水科学的创新人才奠定更好的基础。
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