非地質專業《供水水文地質》課程教學改革探討

王嶸　李衛華

摘 要：“供水水文地質”這門課是安徽建筑大學給排水專業和環境工程專業的基礎課程之一，也是高校中許多與建筑或環境相關專業的必修課。它是人類工程活動“嵌入”于地表圈層之中，由此引發一系列水文與地質的問題，進而衍生出來的一門古老而又實用的科學。課程內容豐富，基礎理論性很強。文章對目前供水水文地質課程教學中存在的問題進行總結，針對非地質學的不同專業對水文地質專業的需求不同，對課程內容的選擇和授課方式的多樣化等方面進行探索，充分發揮各種教學方法的優勢，調動學生學習的積極性和創造性。

關鍵詞：供水水文地質;教學改革;建筑與環境

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）19-0133-03

Abstract： The course "Water Supply Hydrogeology" is one of the foundation courses of water supply and drainage majors and environmental engineering majors of Anhui University of Architecture. It is also a compulsory course for many architecture or environment related majors in colleges and universities. It is an ancient and practical science derived from the "embedding" of human engineering activities in the surface circle， which leads to a series of geological problems. The course is rich in content and basic theoretical. This paper summarizes the problems existing in the teaching of water supply and hydrogeology courses， and explores the different needs of different professions for hydrogeology. It explores the selection of course content and the diversity of teaching methods， and carries out teaching reform on these issues. Give full play to the advantages of various teaching methods and mobilize the enthusiasm and creativity of students.

Keywords： Water Supply Hydrogeology; teaching reform; architecture and environment

一、概述

《供水水文地質》課程主要研究地表附近地下水的形成、富存、埋藏、以及成分分析和地下水的污染治理，以合理開發地下水、防治地下水污染的危害，以保護環境為目的。由于環境和地質科學的系統性特征，要學好供水水文地質，地質學基礎學習是必不可少的。

從地質方面來看，我國是一個地貌多樣，地質環境復雜，地質災害頻發的國家[1]，每年都會有大量的地質災害發生，給國家帶來巨大的損失，2008年的特大型地質災害汶川大地震，造成經濟損失兩千億元左右，傷亡人數高達十萬左右，間接的經濟損失十億元左右，以及近幾年出現的山體滑坡等泥石流災害，地面塌陷山區水庫與渠道滲漏等等的大型或中型的地質災害，給我國政府以及人民財產帶來巨大損失。因此需要學習礦物學基礎，巖石學基礎，地質構造等地質類基礎學科。

從供水水文學的發展來看，水文現象的成因、分布規律都離不開地質要素，也不能脫離地質空間來單獨分析。因此，在給排水專業和環境工程專業以水文學為主干課程教學過程中要結合地質學等相關學科的學習，從而為以后從事專業技術工作的同學提供理論依據。因此，作為供水水文地質的授課教師，教好非地質專業“供水水文地質”課程的教學實踐工作，將理論轉向實踐為重要目的。

現階段的教學設備，除了很成熟的多媒體教學和視頻講解教學方法之外，具有生動、形象和野外現場景觀逼真的計算機虛擬仿真技術在高校教學領域越來越受到重視。是一門新型的綜合性信息技術，它涵蓋了多媒體技術、傳感器技術、圖像處理和人工智能等多個計算機技術，對現實世界進行全面仿真，可以做到圖文并茂，三維動畫，構建一個形象的、交互的虛擬環境，可以非常直觀的顯示試驗過程，使學生獲得身臨其境的感覺和體會[2]。“供水水文地質學”運用這種新型多媒體以及仿真模擬方法，極大地滿足對學習媒體的自然交互性和情景化的要求，增強學生的注意力和觀察力，可以主動的提高學生的學習，拓展學生的認知思維模式，也為教學改革提供了新的手段。

二、課程性質和特點

《供水水文地質》是水文與地下水資源工程、地下水科學與工程、給排水工程等地學相關專業的基礎課。課程是研究地下水資源的開發利用，地下水在與五大圈層的聯系和人類活動相互作用下，其地下水量和地下水水質在三維空間上的變化，內容主要包括地下水賦存空間的特征，地下水的形成條件與分布規律，地下水的埋藏條件和運動機制與規律，地下水的物理化學成分及地下水化學形成的作用，地下水資源評價與保護、基本定律、基本微分方程和定解條件，地下水補給、徑流與排泄，地下水的動態與均衡，以及地下水資源與環境等基本概念與基本原理等。其教學目的是要求學生掌握分析與解決水文地質問題的方法與思路，并為后續的專業課奠定基礎。

由于本課程涉及到水文與水資源、地下水水質安全與污染修復、給排水科學與工程等多學科的專業知識，所以其具有如下特點：

1. 應用型和實踐性強

因為課程涉及的學科范圍廣，所以除了要掌握水文學與水資源或者水力學的一些主干專業課程之外，還需要掌握地質學、地下水科學和給水排水等學科的專業課程，比如：《水力學》、《地下水科學與工程》和《水文與水資源》等，否則無法理解各種農田污水、地熱效應所引起的地下水污染的處理工藝及適用條件。因此，“供水水文地質”課程具有很強的應用性和實踐性，對基礎理論知識的掌握具有很高的要求。學習“供水水文地質”這門課程之前，需要對污水處理的工藝流程和污水處理方法、給水排水工程、排水管網以及地下水污染評價與修復的專業基礎課和其他相關學科的專業課程進行學習，因此，一般情況下“供水水文地質”這門課程安排在基礎課程之后開設。

2. 內容豐富龐雜

《供水水文地質》課程是各種地質學、地質構造，水文學，水資源以及水力學和污水治理等的總述和綜合，課程的內容源于工程實踐又應用于實際。課程的主要研究內容均為由于水文現象以及不合理利用地下水所引起的一些地質災害的考查以及預防和治理。除了室內的一些測試實驗外，還進行野外的一些采樣、調查以及勘探。除了培養學生的基礎知識學習能力、地下水利系統的理解能力之外，更重要的是讓學生掌握實際工程應用的能力，使學生具有解決實際水文地質災害的一般技術問題的能力。所以，理論課程知識和實踐工程應用內容豐富龐雜。

3. 研究方法更新迅速

《供水水文地質》課程針對的是由于一些自然因素造成的地質災害以及不合理利用地下水所造成的一些地質災害的預防與治理，但是不同的水文水力條件以及不同的地質條件使得研究內容和研究方法極為復雜，地質巖石中和地下水中所含污染物的種類和污染物的含量也不盡相同，導致對應的處理方法基本上涵蓋了所有的沉積物污染處理方法和水污染處理方法。并且現階段要求的處理方法不斷像可持續利用與循環經濟方向發展，所以本課程涉及的處理技術和方法范圍廣。隨著現在國家對環境管理的力度加大和對產業結構的優化升級，使得工業產業不斷向節能、減排和環保等方向延伸[3]，這就對環境當中產生的一些地質災害的預防和治理技術方法提出了更高的標準，那么相應的研究方法應隨之更新，與時俱進。

三、課程現狀

（一）教學內容限制于現階段教學學時要求

利用計算機虛擬仿真技術教學手段后，首先要在教學內容的安排上做優化，在理論授課課時不斷壓縮的情況下，就要求我們精選教學內容，合理安排授課章節，每節課講課之前要設置問題的引入，注重引導學生從具體原理引出具體結論，結合具體工程實例去分析結論，很好的培養學生分析問題和解決實際工程問題的能力，在用計算機虛擬仿真技術教學手段后，通過動畫式的對地下水系統過程進行模擬，加深學生對重難點的理解。如在講解達西定律的質量守恒和能量守恒的內容時，首先通過達西滲流裝置的動態模擬，進一步加深學生對地下水滲流的概念和影響因素的理解，地下水在滲流場的運動。因此，教學的內容明顯限制于現階段教學學時的要求，如何使二者相得益彰，是教學工作所面臨的新挑戰。

（二）教學方法和手段滯后于發展要求

“供水水文地質”課程的教學方法主要還是依靠多媒體圖片式的教學為主，以教師、課本為中心，尤其是當教學內容多時，易出現“填鴨式”教學。雖然課件內容豐富、所涵蓋的信息量大，但基本還是教材內容的翻版，教學過程主要在教室里完成，學生的活躍度不夠，參與實際的工程案例較少，這對地下水力系統的抽象問題難以理解。我們的學生主要保持傳統的學習習慣，單純對聽課記憶做練習題來應付考試，學生處于被動學習，對學習內容缺少思考。例如講解巖土中的空隙與水，單純的以圖片的形式呈現就不易被理解，教師講授的累，學生理解起來也困難，導致學習的積極性下降，學生的創造力和積極性難以被激發出來，導致教學效果缺失，學生似懂非懂，一知半解[4]。

（三）分析問題忽視計算機軟件的合理利用

隨著計算機的普及以及與虛擬仿真教學手段的結合，定量計算越來越方便，水文地質的實踐工作需要繪制各種水文地質圖件，需要進行大量的數字統計與結果模擬總結，這些都需要用到相應的計算機軟件來實現。例如講解不同地貌地下水的賦存位置時，需要繪制潛水等水位線圖以及承壓水等水位線圖，這就需要借助大量的地質圖件，這在傳統的分析方法上得到理想的結果是非常困難的，畫圖需要耗費大量的時間和紙張，水文地質圖在繪制過程中還需嚴格按照專業規范要求做[5]。用規范去完成圖的繪制。在實際教學過程中應多開設計算機軟件的使用方法課程，安排實操訓練，提高學生利用計算機軟件的技能以及專業技術水平。

四、課程改革的探索

“供水水文地質”是一門應用型的課程，課程內容豐富繁雜，涉及的知識點范圍廣。在有限的課時里面要求學生掌握所有的理論知識外，還需培養學生的實踐技能和創新能力，這就需要在教學改革過程中改變教學手段、合理安排課程、開展實驗與實踐課程、訓練學生計算機軟件的運用技能，建多元化教學體系，探索出一條培養創新應用型人才的特色教學之路。

（一）進行不同專業的地質學科體系建設

根據師生以及教研室會議的教學信息反饋，不斷改進教學是“供水水文地質”教學實踐中一直堅持的原則[6]。《供水水文地質》課程會涉及到很多地質構造、地下含水系統的結構等，因此涉及的專業非常多，包括環境工程學、污水處理、地下水污染治理、水文與水資源、構造地質學、礦物巖石學、工程地質學等學科，資源、環境、災害、工程多問題并存;宏觀、微觀、定性、定量全面結合，就需要多學科交叉滲透研究與處理問題。例如，講解地下水資源的評價與管理時，撇開水文與水資源以及地質學基礎知識，單分析地下含水系統的結構和地下水運動的動態，是無法正確評價與管理地下水資源的，又比如在講解巖溶發育條件和巖溶水受污染處理方法時，就會涉及到地質地貌學中不同地貌單元的地下水特征以及地表水體污染的修復方法，以及目前地下水污染的微生物處理方法，此時就需要建立起地下水資源與環境微生物學乃至巖石圈學科體系相結合，優勢互補，能夠獲得最優的教學效果，最終使學生更容易理解并掌握巖溶地貌對巖溶水的形成影響及原理，為今后在工作中能夠合理調查以及預防、利用巖溶地貌等打下良好的基礎。這些充分說明多學科交叉教學有助于學生創新能力的培養。

（二）構建多樣化的教學方法

將多媒體教學、計算機虛擬仿真教學以及實踐教學相結合，形成多元化教學體系后，使知識點豐富龐雜的“供水水文地質”課程的講授具有鮮明的生動性、知識點易理解性。水文地質現象隱藏于地表之下，人們不能用肉眼感官，這在一定程度上使得水文地質現象和相關知識不易被學生理解和接受。而虛擬仿真是對真實的模擬，通過仿真軟件，可以實現一個復雜過程的模擬[7]。還可以模擬地層結構以及地下含水系統的構造和地下水補給與排泄的影響因素等。這樣就可以將地下的含水系統現場“拿”到課堂上，極大地豐富“供水水文地質”課程的教學模式和學習方式，讓學生對地層結構以及地下含水系統以及水流水質情況有了更深的了解。如運用計算機仿真軟件對由于地質作用引起的水庫滲漏以及滲漏后對地下含水系統、水質以及水量通道的變化情況進行展示，就會直擊學生眼球，震撼學生心靈。當學生看到水庫滲漏對地下水的影響之后，就會學習到地下水與其賦存的巖體土是一個完整的力學體系，不合理的利用地下水如同地表水體的不合理利用一樣，同樣會造成環境污染以及環境生態的破壞，使得非地質專業的學生對供水水文地質這門課產生了更大的興趣并體現了非地質專業學習供水水文地質這門課的必要性。

（三）以實踐充實教學內容，使教學活躍化

“供水水文地質”課程是一門實踐性很強的學科。教學過程中要加重課內實驗的同時更要將實驗成果與工程實踐結合起來，要將實踐環節教學與課程理論教學、實驗教學放在同等重要的地位，使學生的思想與實際、理論與實驗、自身與社會結合起來，將所學知識融會貫通，以過硬的技術適應社會需求的多樣性和多變性。野外實習是在開設理論課之前進行的，在開課之前學生已經通過地質學的實習接觸到部分水文地質學的知識，這對后續水文地質學的學習有重要的作用，主要讓學生將理論知識應用到位。比如，像水資源開發利用引發的環境地質問題的一些大型的實踐課程，就需要在野外建立實踐基地，首先就要調查當地的水資源和水環境污染問題，接著要根據已有的地質學資料進一步調查近幾年當地的地質災害發生情況，調查周圍地表水體的污染情況以及治理效果等。水資源開發對地質環境的影響情況，通過實踐，學生才知道如何應用知識，將理論跟生產實踐聯系起來，使得地下水資源保護向可持續發展的方向進行;又如，為了使學生能夠掌握利用相應的計算機軟件模擬地下水滲流場或者繪制水文地質圖，學校或學院需要有完善的實訓設備和足夠的計算機設備場地，同時為了充分發揮實訓與課堂教學并行的教學模式，必須要保證計算機實驗室能夠全面開放，并激勵學生們申報相關創新課題，讓更多學生參與進來;學院也可依據已有的條件建立產學研的研究合作，使學生可以進行實際工程的學習，給非地質專業的學生成長成才提供更可靠、堅實的平臺。

（四）在教學中應用科研成果

學會運用知識才是知識的真正力量，作為給排水工程專業和環境工程專業的“供水水文地質學”的授課老師，是希望學生能夠真正掌握水文學與地質學的基本概念和基本原理，并將學到的理論知識應用到實際中去，在教學過程中，就要將教師查閱的或者參與的科研項目以及成果作為教學案例，在這些案例中鋪展與教材相關的內容，加強與拓展學生理論應用到實際的思路，并在講解科研成果的起初就要多設置問題引導學生并培養學生在項目研究中的思路和方法。如教師在講到巖溶發育的基本條件以及巖溶水特征時，就將我國華北與西南巖溶地性質以及巖溶水的特征差異的調查論文或已結題的項目講解給學生，學生就會明白不同巖溶地發育對人類帶來的利弊，以及如何通過巖溶水的性質來預測未來該地區巖溶現象的發育情況，并如何進行人為干擾來改變對人類不利的因素。培養了學生綜合知識體系的思維以及解答問題的能力。

五、結束語

對于“供水水文地質”課程的教學改革，進行多學科的交叉滲透體系建設，構建多樣化的教學方法，如傳統教學、實踐教學和虛擬仿真技術等多種教學方式，教師在授課過程中應用現階段的科研成果來拓寬知識面，逐步向工程實際應用方向轉變，很好的將理論應用于實際中，同時可以鍛煉本科生寫小論文，將學到的知識用文字的形式梳理，可望克服傳統教學的局限性。多元化教學體系的建立，能更全面、科學地評價學生的綜合素質，培養出符合國家需求的高素質人才。

參考文獻：

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