專業實驗對地下水動力學教學的促進作用

張莉麗

[摘 要]地下水動力學專業實驗是地下水動力學理論教學體系的進一步驗證和擴展，對學生的綜合能力培養起著至關重要的作用，學生在參加專業實驗的實踐過程中能夠獲取專業知識并培養專業能力。文章以防災科技學院地下水科學與工程專業實驗為基礎，結合目前的行業需求有目的地進行實驗教學，使理論知識與實驗教學體系能夠有機地融合，在實踐中取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]地下水動力學；地下水科學與工程；專業實驗；室內試驗；抽水試驗

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）11-0092-03

地下水動力學課程在地下水科學與工程專業的人才培養方案中，是繼水文地質學基礎課程之后開設的專業基礎課之一，同時本門課程也是地下水科學與工程專業考研必考的專業課之一。開設地下水動力學這門課程的主要目的是使學生系統掌握地下水運動的基本理論，運用基本理論分析水文地質問題，建立相應的數學模型，提出適當的計算方法或模擬方法，對地下水進行定量評價。通過本門課程的學習，為學生進一步學習本專業的課程打下良好的基礎，并為以后的專業工作奠定堅實的基礎。

但是地下水動力學這門課程的知識面涉及廣泛，主要的基礎知識涉及地質學、地貌及第四紀地質學、水文地質學基礎、應用數學及數學物理方程、水力學等課程，它的先修課程有高等數學、線性代數、概率論與數理統計、復變函數與積分變換、水文地質學基礎、水力學等，它們為地下水流運動方程及數學模型的建立和求解打下了基礎。同時，通過本門課程的講授，如Jacob直線法、標準曲線配比法等求水文地質學參數的方法，是后續開設的地下水科學與工程專業生產實習課程中野外抽水試驗求參的主要方法，是地下水流數值模擬的建模基礎。此外，地下水向各種不同水文地質條件下含水層的運動計算，也是專門水文地質學課程中水資源評價的前提和基礎。地下水動力學課程的開設對地下水科學與工程專業知識的銜接起到了承上啟下的作用。

由此可見，地下水動力學課程在地下水科學與工程專業的人才培養方案和專業課程體系中的地位非常重要，根據理論與實踐相結合的原則，必須配備專門的實驗以及實踐教學課程來支撐該門課程的教學。本文將從實驗以及實踐教學的必要性、實驗以及實踐教學在專業人才培養中的作用、實驗教學平臺建設這三方面來論述地下水科學與工程專業實驗教學對地下水動力學教學的促進作用。

一、實驗教學開展的必要性

地下水動力學是一門實踐性很強的基礎學科課程，目前開設該門課程的大專院校大都以教師講授的理論教學為主，缺乏室內外的專門實驗教學[1-5]。防災科技學院根據人才培養方案及地下水動力學的教學內容設計了一系列的專業實驗。這些實驗包括潛水模擬實驗、承壓水模擬實驗、達西滲流實驗、繞壩滲流實驗、地下分水嶺實驗、間歇泉成因實驗、入滲及地下水滲流實驗、壩下滲流實驗滲水試驗以及抽水試驗。除抽水試驗外，其他實驗均在正常教學周內完成。由于抽水試驗耗時較長，占用場地較大，所以該實驗通常在大學三年級的暑期小學期開設，抽水試驗教學基地的建設及運行可夯實學生的專業理論基礎，對在地下水動力學等課程中所學知識進行驗證和深化，對學生理解專業知識、深化專業能力起著承上啟下的銜接作用。關于防災科技學院地下水科學與工程專業抽水試驗教學的詳細內容可見參考文獻[6]。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》要求 “加強實驗室、校內外實習基地、課程教材等教學基本建設，強化實踐教學環節”。蘇聯的水文地質人才培養的一個重要實踐環節就是夏令訓練營，在訓練營里學生大都可以學到地質填圖和基礎的水文測量等[7]。在日本，學生的地質知識主要來自經常性的、有組織的野外活動[8]。加拿大和美國的高校都十分重視教學實驗室建設并隨時向學生開放[9]。德國的高等地質教育實習時間長，并且非常嚴格，學生的實習必須有記錄和有關人員的簽字，經認可方能有效，否則必須重做[10]。在英國，學生實習學時占據課內教學時數的5%左右，實習課和野外教學活動占有較大比重[11-12]。我國的大學也特別重視實踐教學環節，因為這不但可以培養學生綜合分析問題和解決問題的能力，還可以培養學生的團隊合作精神，為學生將來的工作奠定基礎[13-18]。國內外高校的這些教育模式說明，實驗以及實踐教學是培養人才不可或缺的途徑。

二、實驗教學在專業人才培養中的作用

實驗教學包括室內實驗和室外實驗。室內實驗相對來說時間較短，比如潛水模擬實驗。該實驗的目的是使學生熟悉與潛水有關的基本概念，形成對潛水補給、徑流、排泄的感性認識，培養運用達西定律及利用流網分析水文地質問題的能力。實驗采用分析討論與觀察模擬現象相結合的方式，因此要求學生針對提出的問題進行分析討論，積極思考，在此基礎上帶著討論中的結論及疑難進行模擬演示，從而加深對問題的理解。上課時，學生先熟悉潛水演示儀的裝置及功能，然后進行地表徑流的實驗，觀察潛水面形狀及流線特征，觀測地下分水嶺的偏移，最后根據實驗獲得的資料，繪制斷面的剖面流網，分析分水嶺的存在、偏移和消失需具備哪些條件，分析在什么條件下會存在地下分水嶺，它們與徑流系統有何關系，對比課堂上、書本上的相關內容，看實驗與理論是否一致。這樣學生就把抽象的理論知識同具體的實踐知識聯系起來了。

室外實驗時間較長，實踐場地較大，比如抽水試驗。通過抽水試驗，可以培養學生的動手能力、團隊合作能力、應急處理事故數據的能力以及對參數計算方法運用的綜合能力等。

綜上所述，實驗教學在專業人才培養的過程中有不可忽視的作用。

三、實驗教學平臺建設

防災科技學院實驗教學平臺的建設包括專門實驗室建設和實踐教學基地建設。專門實驗室就是室內試驗的教學場地，地下水科學與工程專業實驗室是目前地下水動力學實驗教學的主要教學平臺。目前設有5個實驗室，包括地下水動力學實驗室、地下水動力學板房實驗室、地下水污染控制與修復模擬實驗室、水化學分析實驗室及同位素水文地球化學實驗室，總建筑面積約500m2，配備有達西儀、土柱儀、地下水流運動模擬物理模型、雷諾實驗演示裝置、能量方程演示裝置、局部水頭損失演示裝置、液相色譜儀、氣相色譜儀、離子色譜儀、電感耦合等離子體發射光譜儀、電感耦合等離子體質譜儀、總有機碳分析儀、液質聯用儀、氣質聯用儀、原子吸收光譜儀、原子熒光光譜儀等儀器設備。實驗室在滿足實驗教學需要的同時，還為大學生科技創新項目、開放實踐項目、本科生畢業實踐和教科研項目提供實踐平臺。

防災科技學院實踐教學基地位于河北省秦皇島市柳江盆地，屬石門寨鎮管轄。南起黑山窯村，北至義院口長城腳下，長約15km；東起張崖子村，西至伍莊—山羊寨一帶，寬約12km，總面積約180km2。盆地中心南距秦皇島市23km，由秦皇島市區開來的班車通往盆地內各村寨，青秦鐵路縱貫盆地中部，交通較為便利。

實驗教學分為4個階段，6周時間。第1階段為地質實習階段。學生通過野外路線的觀察，了解秦皇島柳江盆地實習區的地形、地貌、地層、構造、巖石等方面的內容，加深對巖漿作用、構造運動、地下水的地質作用等基本理論知識的認識，同時鍛煉野外工作方法和技能，為水文地質路線實習奠定基礎。如張巖子—東部落地質路線，通過該路線的實習，可以讓學生掌握結晶基底新太古界鉀長花崗巖巖性，掌握新元古界青白口系長龍山組和景兒峪組、古生界寒武系府君山組地層巖性。學生在野外需要完成以下學習任務：（1）觀察并描述新太古界鉀長花崗巖巖性。（2）描述鉀長花崗和上覆地層的接觸關系。（3）觀察并描述新元古界青白口系長龍山組和景兒峪組、古生界寒武系府君山組地層。（4）描述侵入體巖性。（5）觀察寒武系府君山組灰巖的巖溶發育情況。（6）繪制張巖子村西鉀長花崗巖與上覆石英砂巖接觸關系圖。（7）繪制東部落寒武系府君山組地層與侵入巖體接觸關系圖。（8）繪制張巖子—東部落地層隨手剖面圖。教師可以引導學生討論花崗巖、頁巖、灰巖水文地質意義，府君山組灰巖的巖溶發育規律，東部落泉水出露的水文地質條件等問題，為后續水文地質路線實習奠定基礎。

第2階段為水文地質實習階段。學生通過野外現場調查及測繪，了解研究區的水文地質條件，掌握不同地形地貌條件下孔隙水、裂隙水、巖溶水的形成、賦存及變化特征的分析方法和思路，熟悉和掌握水文地質參數的測定方法及參數的影響因素，掌握地表水主要水文及水利特征的分析計算方法。比如亮甲山奧陶系下統灰巖巖溶裂隙水形成條件與富集規律實習路線。通過該路線的實習，學生可以認識奧陶系下統灰巖巖溶發育條件及發育規律，了解奧灰巖裂隙水儲存、運動和富集的特點及形成較大供水水源地的條件。學生需要完成以下學習任務：（1）在石門寨北沿亮甲山東坡坡腳觀察灰巖節理、裂隙發育狀況，溶蝕程度及充填程度。（2）觀察亮甲山下溶洞發育情況并分析其發育的條件。（3）觀察輝綠巖床及巖脈的巖性、產狀及其與巖溶發育及巖溶水富集的關系。（4）調查亮甲山下6口機井的分布位置，所處的地形地貌及地質部位，并分析其地下水富集條件；繪制亮甲山水源地機井分布平面圖。（5）調查機井的井深、地層剖面、水質、水量及開采動態。（6）繪制亮甲山組灰巖垂向溶蝕素描圖。（7）繪制亮甲山組灰巖與輝綠巖接觸關系圖。（8）繪制亮甲山附近的水文地質平面（1∶2000）及剖面圖。（9）編制《亮甲山水源地灰巖巖溶裂隙水富集規律分析報告》。教師可以引導學生探討以下問題：（1）奧陶系下統灰巖裂隙巖溶水的形成與富集條件與規律是什么？（2）形成大中型供水水源地應具備的條件是什么？（3）亮甲山下供水井的布置是否合理，為什么？這樣把課堂上學習的專業知識與實際生產生活聯系到一起，讓學生更有學習的主動性與積極性。

第3階段為獨立測繪階段。學生以小組為單位，獨立進行水文地質測繪和水資源調查，測繪面積為40km2-60km2，通過野外調查工作，掌握地下水資料調查的主要工作內容和工作手段，獨立完成水文地質調查及水文地質填圖，目的是在地質、水文地質實習的基礎上，由學生獨立安排并完成研究區的水文與水文地質測繪工作，進一步掌握各種類型地下水以及地表水的野外調查方法、調查程序和主要調查內容，培養學生野外發現問題和解決問題的實際工作能力。學生需要完成以下學習任務：（1）獨立進行水文地質測繪，包括孔隙水區的水文地質測繪、巖溶區的水文地質測繪、基巖裂隙水區的水文地質測繪、碎屑巖類孔隙裂隙水區的水文地質測繪以及環境水文地質測繪。（2）測繪面積40km2-60km2，每日填寫水井、泉、地貌等調查記錄表。（3）根據實際測繪資料繪制實際材料圖以及綜合水文地質圖。

第4階段為編繪圖件、撰寫報告階段。該階段學生利用野外實際調查獲取的第一手資料，結合收集的各種已有資料，在室內對各種資料進行成果整編工作，編制《地下水科學與工程專業生產實習水文地質調查報告》及相應附圖、附表。

綜上所述，室內專門實驗室和實踐教學基地的建設豐富完善了本專業實踐教學體系，改善了專業教學條件，為培養具有較強專業素養的地下水科學與工程人才提供了根本性的保障。

四、結論

專業實驗是地下水科學與工程專業地下水動力學課程實踐教學體系中必不可少的組成部分之一，對專業人才的培養具有重要的意義。包括室內實驗、室外實驗和實踐教學基地實習試驗教學的開展，對于學生能力與團隊合作精神的培養具有重要的意義。在防災科技學院地下水科學與工程專業人才實驗教學過程中，總結了實驗教學的思路，并根據行業的需求以及專業發展趨勢進行了教學內容選擇，使理論與實踐教學體系完美融合，取得了較好的教學效果，提高了專業人才培養的質量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 林學鈺.“地下水科學與工程”學科形成的歷史沿革及其發展前景[J].吉林大學學報（地球科學版），2007（2）：209-215.

[2] 王錦國，周志芳，張發明.地質工程專業地下水動力學課程教學改革初探[J].中國地質教育，2008（4）：128-130.

[3] 薛禹群，吳吉春.地下水動力學[M].2版，北京：地質出版社，2010.

[4] 趙玉紅，肖長來，卞建民，等.水文學及水資源專業實驗教學的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2011（1）：92-95.

[5] 肖先煊，許模，蔡國軍，等.抽水試驗模型與地下水動力學實驗教學[J].實驗室研究與探索，2014（1）：164-168.

[6] 谷洪彪，遲寶明，姜紀沂.地下水科學與工程專業抽水試驗教學基地建設的思考[J].中國地質教育，2013（1）：82-85.

[7] ZALTSBERG E，趙臘平.蘇聯水文地質人才的培養一瞥[J].世界地質，1989（1）：149-154.

[8] 王訓練.日本的地質教育與地質研究[J].中國地質教育，1995（3）：63-66.

[9] 孟憲來.加拿大 美國幾所高等學校地質教育情況考察報告[J].中國地質教育，1996（1）：50-56.

[10] 戴塔根.德國高等地質教育現狀及其與我國之比較研究[J].煤炭高等教育，1999（4）：16-23.

[11] 賴旭龍，唐小麗.英國高等地質教育情況簡介[J].中國地質教育，2001（1）：79-82.

[12] 周祖翼.英國高等地質教育概況與啟示[J].中國地質教育，1996（1）：57-62.

[13] 楊倫.野外地質教學實習與學生人格培養[J].中國地質教育，1996（2）：53-54

[14] 陳駿，胡文瑄，李成.地質學實踐教學現狀分析與對策[J].中國地質教育，2007（1）：133-139.

[15] 張良，李壯文，鄭偉.野外地質實習教學改革與學生能力培養[J].中國科教創新導刊，2009（23）：29.

[16] 馬傳明.地下水科學與工程專業實習教學質量保障體系的構建與實踐[J].中國地質教育，2011（1）：45-49.

[17] 劉澤良.發揮虛擬實驗室建設對實驗教學的促進作用[J].實驗技術與管理，2011（7）：193-194+197.

[18] 葛碧洲，石輝，蔣欣，等.環境類專業開放性實驗教學的認識與實踐[J].實驗技術與管理，2015（11）：212-214.

[責任編輯：龐丹丹]