工程实例教学在水文地质学基础课程中的应用

2022-07-06孙蓉琳梁杏郭会荣汪丙国罗明明

高教学刊 2022年19期

孙蓉琳梁杏郭会荣汪丙国罗明明

摘要：水文地质学基础课程讲述地下水科学的基本概念、原理和方法，理论性和综合性强。文章提出将工程实例引入到课程教学中，就工程实例教学内容的来源，课堂中的“适时”应用，教学过程中应注意的问题进行探讨。实施工程实例教学，既可以帮助学生掌握水文地质学基本概念，深入理解课程重点，又可以激发学生的专业学习兴趣，培养学生应用水文地质知识解决工程问题的能力。好的应用效果要求教师精心选取工程实例，细心设计教学过程。

关键词：工程实例;水文地质学基础;课程教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）19-0107-04

Abstract： The course of Fundamentals of Hydrogeology mainly covers the basic concepts， principles and methods of groundwater science， which is theoretical and comprehensive. In this paper， the engineer case teaching is introduced into the course teaching. The source of engineering cases， the timely quotation in the course teaching， and the items that should be paid more attention to during the case teaching are discussed. The implementation of engineering case teaching can not only help students master the basic concepts of hydrogeology， deeply understand the difficulties of knowledge， but also stimulate students' interest in professional learning. Engineering case teaching requires teachers to carefully select engineering cases and design the teaching process.

Keywords： engineering case; Fundamentals of Hydrogeology; course teaching

水文地质学基础是中国地质大学（武汉）国家一流本科专业地下水科学与工程、水文与水资源工程、环境工程的专业基础课，也是地矿类高校多个非水文地质专业的必修课。课程教学使学生能够在深入理解地下水形成、赋存、运动、水化学、动态均衡等水文地质学的基本概念和原理的基础上，初步掌握水文地质问题的分析方法，知识性和实践能力性并重。张人权指出概念是学科发展的基石，控制性实验是探索自然本质的重要途径，向工程领域延伸是学科发展的要求[1]。

多年来，主讲教师和选修的学生普遍反映：课程涉及的水文地质学基本概念与原理，从字面上理解并不困难，但是，深入掌握并灵活运用颇不容易。这是由于初学者对地下水缺乏感性认识，同时课程本身理论性和综合性比较强，只有反复练习，结合实际水文地质问题增加实例教学才能深入理解[2]。课程小组在多年的教学改革及教学实践中发现，精心准备并适时引用工程实例教学，不仅可以帮助学生理解教学中的重点和难点，还可以激发学生的专业学习兴趣，让学生体会到水文地质学研究在社会中的实际应用价值，树立工程意识，从而提高学生的综合素质。

本文着重探讨教学中工程实例的来源，举例说明在课程教学过程中如何“适时”应用工程实例，总结教学实践过程中应该注意的问题。

一、工程实例教学

（一）工程实例教学的优点

工程实例教学是指将满足教学需求、反映教学内容的工程实例引入到课程教学中，结合工程实例对课程中相关知识点进行有针对性地讲授，充分发挥学生的主体地位，促使學生主动学习相关知识、分析问题和解决问题[3]。目前工程实例教学已经在很多专业课程中得到了广泛应用[4-5]。这种教学能很好地将理论联系实际，做到课堂教学和课外实践有机结合，有效提高课堂教学效率，发挥任课老师的主观能动性，提高学生的专业学习兴趣。

工程实例并非随意拈来的例子，高质量的实例是教学成功的关键。实例可以是针对某个知识点，或是将相对零散的知识点紧密地联系起来，便于学生对知识点的整体把握[6]。作为工程应用性很强的专业课程，相关的工程实例非常丰富。教师在选择工程实例时，应考虑其既满足教学大纲与课程进度的需求，又有助于学生在日后的工作与学习中运用水文地质学基础知识，同时更要有助于提高学生解决工程实际问题的能力[7]。

（二）工程实例的来源

工程实例可以是新闻中和身边的有关课程内容的新鲜事物、前沿知识、工程实例（成功的、失败的、令人鼓舞的、令人震撼的）[8]。当代水文地质学，由以往的解决局部性生产实际问题，转向长期性、全局性、可持续发展的课题。以地下水流系统理论为核心框架，构建人和自然协调的与良性循环的地下水流系统、水文系统、地质环境系统、地质工程系统和生态系统，成为当代水文地质学的终极目标。在这样的学科发展背景下，选取有重大社会影响的工程实例综合展示有关的水文地质概念，可以激发学生们的专业学习热情。

工程实例可以是学生以往课程中熟悉的工程场景。水文地质学基础授课的对象是大三本科生，他们经历过大一为期两周的北戴河地质认识实习，大二为期四周的周口店地质教学实习，许多教学内容记忆深刻。这两次野外实习路线中的部分内容可以用来作为课程实例教学内容，在第3章岩土中的空隙与水，第11章孔隙水，第12章裂隙水和第13章岩溶水等章节中的教学过程中适时应用（表1）。

工程实例可以是老师在科学研究过程中积累的科研项目。科研是教学的“源头活水”，对科研的关注使教师能够及时将最前沿的学术成果充实到课堂中，可以拓展学生的思维。将科研项目中与课程教学知识点高度相关的工程实例引入课堂，能够引起学生对理论学习的重视，让学生对知识的应用有切身的体会，感到确实学有所用。

二、工程实例教学在水文地质学基础课程中的应用

（一）利用社会关注的工程实例在序言中激发学生的专业学习兴趣

每一门课，尤其是专业基础课，序言部分很重要。序言部分宛如人的第一印象，序言讲得生动有趣，对激发学生好奇心和学习积极性可以起到事半功倍的作用。水文地质学基础作为地下水科学与工程、水文与水资源工程的第一门专业基础课，面对的是对专业充满好奇心的学生，不仅要讲述课程的重要性，也要向学生介绍专业研究及应用前景以激发学生的学习兴趣，增强学生学习的使命感和责任感。序言在讲述地下水的五个功能时，可以列举一些大型工程实例或社会关注的焦点问题，切入水文地质专业研究的作用，教学效果比较好。如讲述到“地下水是活跃灵敏的生态环境因子”这一功能时，可以列举一些工程实例，说明地下水变化对生态环境的影响。

以我国甘肃民勤县超采地下水导致绿洲变沙漠为例。民勤盆地是典型的荒漠绿洲，历史上是一个水草丰盛、环境优美的地方。20世纪50年代，上游石羊河修建红崖山水库，蓄水导致地表水径流量减少，原本依靠地表水灌溉的民勤盆地转为抽取地下水进行灌溉。特别是进入70年代以后，大量超采地下水，地下水位普遍下降，引发了湖泊萎缩、干涸、天然植被枯萎死亡、土地沙漠化等一系列生态问题[9]。教师在介绍这些背景资料时，可以展示地下水位持续下降的水位动态曲线图、青土湖早些年风光迤逦和完全干涸后的照片，可对学生形成强烈的视觉冲击，加深学生理解地下水的功能（图1）。

这一工程实例的引入，可以使学生了解人类活动引起的全球或大区域的生态环境变化问题，激发学生对人类命运共同体的认识，更增进他们利用自己的专业为社会服务的使命感。在引入工程实例的同时，也可以提问学生，位于干旱半干旱地区的民勤盆地为何历史上是一个绿洲？其天然水文地质条件是怎样的？如何判断地下水是否处于超采状态？在美丽中国的视域下，如何做才可以改善或恢复生态环境？这样的悬念，可以吸引学生进入后续的章节内容学习，主动在课下检索文献，收集实例背景资料，学习有关水文地质的知识。

（二）引入学生熟悉的工程实例和教师的科研项目加深对教学中重点和难点的理解

水文地质学基础课程难点在于同学们对于基本概念、理论和方法的理解与运用，涉及到部分机理与作用方式的影响因素分析，以及对所学知识的综合运用。如课程第11章、12章和13章有关孔隙水、裂隙水和岩溶水的章节内容是对前面所学知识的综合分析，涉及不同介质地下水运动的特征和差异，知识点多，应用性强，而课堂学时有限。引入工程实例可以让学生既能有效认识和理解野外实际不同介质中地下水的基本特点，又能够深入掌握当前的研究现状和趋势。本文以第12章裂隙水的部分知识点教学为例，探讨不同来源的工程实例教学在课堂教学中的实施过程和效果。

1. 引入学生熟悉的周口店地质教学路线中的工程实例

裂隙水章节比较重要的知识点是构造裂隙发育规律的影响因素。构造裂隙的张开宽度、延伸长度、密度，以及由此决定的导水性等，很大程度上受岩层性质（岩性、单层厚度、相邻岩层的组合情况等）的影响。其中“岩层的单层厚度决定层面裂隙的密集度，从而决定其他各组裂隙的发育程度。单层厚度越薄，层面裂隙越密集，次生应力分布均匀，因此单层沉积岩中的脆性岩层裂隙密集而均匀;巨厚或块状岩层，次生应力集中释放，裂隙稀疏而不均匀”（图2）。教学过程中如果单纯按照课本的总结内容进行讲述，太过抽象，学生只能死记硬背，被动接受。

教师通过图片或视频快速展示周口店八角寨-拴马桩地层观察路线内容，然后提问学生：“该路线中铁岭组白云岩地层有何特点？”同学们对铁岭组上、中、下三段地层的特点都有深刻的印象，可概括为“两白夹一黑、两整夹一碎、两厚夹一薄”（图3）。“厚”和“薄”指的是岩层的结构，反映岩层的厚度变化。“整”指的是岩石比较完整，“碎”指的是岩石比较破裂，反映构造裂隙的发育程度。岩层“厚”的地层，岩石完整，构造裂隙不发育;“薄的地层”，岩石破碎，构造裂隙发育。通过引入学生熟悉的周口店野外地质教学中的工程实例，既吸引了学生的注意力，使學生有很强的代入感，又很好地诠释了教学中的知识。

2. 引入科研项目，使学生了解野外刻画裂隙的手段和裂隙水的研究现状

构造裂隙具有明显而又比较稳定的方向性，这种方向性主要由构造应力场控制，不同岩层在同一构造应力场下形成的裂隙通常具有相同或相近的方向，一般在一个地区岩层中的主要裂隙可划分为3～5组。课堂教学中，教师引入了四川某水电站地下水渗流研究的工程实例。教师先展示野外裂隙测量的工作照片，简要介绍野外裂隙测量方法和裂隙统计过程，呈现裂隙统计结果（裂隙产状极密度等值线图，如图4所示），发现构造裂隙可以分为四组。

为促进学生对裂隙网络系统中“大裂隙在传输地下水中起控制作用”这一知识点的理解。作者在教学中展示了水电站勘探平硐中的主导大裂隙不断滴水，而其他地方干燥的多张照片，学生能够从感性上认识到不同尺度的裂隙在地下水运动中所起的作用。

作者最后展示了厂房区小尺度离散裂隙网络的生成结果、坝址区大尺度等效连续介质模型的地下水渗流数值模拟结果，使得学生对等效连续介质模型和离散裂隙网络模型的基本原理和适用条件有了基本的认识。

三、工程实例教学在课程实践中应注意的问题

（一）工程实例教学的手段多样

水文地质学基础课程教学内容多，受学时的限制，教师不可能花大量的时间对所列举的工程实例背景进行详细的介绍，需要采用科学的教学手段。对于一些较小的实例，可以采用简单的口头描述辅以照片。但是对于复杂的案例，则需要借助精简的录像、图片等多媒体技术，对工程实例的内容高度凝练[11-12]。因此教师在参加野外研究工作时，应有意识地选择一些典型水文地质现象素材与课程教学结合起来，拍摄小视频或照片，将大量的地质图件和分析结果以图片形式向同学展示，可提高教学效率。

（二）精心选取工程实例，设计教学过程

水文地质学基础理论的应用涉及水文地质、工程地质、环境地质等多个应用型学科。但学时有限，不可能将工程实例所有涉及的知识点都介绍给学生，要充分考虑到学生的专业基础和接受能力。根据教学进度和教学目标，把握学生对基本理论知识的掌握程度，精心组织教学过程，保证精选出来的工程实例能说明相关的教学知识点。

（三）实施启发式和问题式教学

启发式教学和问题式教学在工程实例教学过程中可以得到很好的实施，有助于培养学生主动思考问题和分析问题的能力，避免“满堂灌”和“填鸭式”。这要求教师精心设计教学过程。讲授重点、基础、关键，适当提出问题，注意教学过程中学生的反馈，分析学生可能的答案，注重引导学生从基本原理引出具体结论，达到“以少变多、以少胜多”的效果。对于复杂工程实例的引入要能对多个知识点进行串讲，提高学生综合分析水文地质问题的能力。

四、结论与展望

工程实例教学作为沟通现实世界与学习世界的桥梁，在水文地质学基础课程教学中起着重要的作用，通过引入工程实例，将教师课堂所讲授的理论与实践有机结合起来，既能帮助学生理解教学过程中的重点和难点，又能充分调动学生的专业学习兴趣。

但是工程实例教学对教师也提出了更高的要求。由于水文地质学基础是专业基础课，几乎涉及到地下水科学的所有方面，要求教师掌握的工程实例比较多，确保对每个引入的实例必须吃透。例如孔隙水、裂隙水和岩溶水三类地下水的特点和差异，教师尽可能对每一类介质地下水的科学研究项目都有所涉及，通过参加科研课题积累丰富的工程实例，精心选取教学材料，这样才能在教学中游刃有余，对学生提出的各种问题都能较好解决，并能对学生加以引导，提高其分析实际水文地质问题的能力。

参考文献：

[1]张人权，梁杏，靳孟贵，等.水文地质学基础（第七版）[M].北京：地质出版社，2018.

[2]梁杏，郭会荣，孙蓉琳.水文地质学基础实验实习教程（第三版）[M].北京：地质出版社，2019.

[3]姜景山.工程实例教学在工程地质课程中的应用[J].教育教学论坛，2017（32）：193-195.

[4]朱術云，李小琴，朴春德，等.实例教学法在“岩土工程数值分析”课程中的应用探讨[J].中国地质教育，2015，24（4）：111-113.

[5]姜海丽，孙秋华，赵言诚.工程教育专业认证背景下工程实例教学模式的探析[J].黑龙江高教研究，2017（2）：162-164.

[6]胡海云，缪劲松，苟秉聪.引入工程实例改进理工科大学物理教学[J].中国大学教学，2010（11）：70-71.

[7]安晨，张玉.工程实例教学在石油机械类本科工程力学课程中的应用[J].教育教学论坛，2019，7（27）：174-175.

[8]卓德兵.工程实例教学在“土木工程概论”课堂教学中的应用探讨[J].中国电力教育，2014（5）：117-118.

[9]张艳林.民勤盆地地下水时空格局分析及数值模拟研究[D].兰州：兰州大学，2009.

[10]郑永山.石羊河流域地下水埋深时空变化研究[J].地下水，2017，39（4）：60-61.

[11]郭会荣，梁杏，孙蓉琳，等.《水文地质学基础》课程多媒体教学改革与实践[J].湖南环境生物职业技术学院学报，2007，13（4）：74-77.