《地下水?dāng)?shù)值模擬》課程在礦業(yè)類大學(xué)中教學(xué)改革實(shí)踐與思考

劉麗紅 陳孝楊 陳要平

摘要：地下水?dāng)?shù)值模擬是地下水科學(xué)與工程專業(yè)普遍開設(shè)的一門課，針對地下水?dāng)?shù)值模擬課程特點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)，從課程特征、教學(xué)難點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容改革三個方面闡述了該課程教學(xué)改革的重點(diǎn)和方向，側(cè)重水文地質(zhì)概念模型概化方法和數(shù)值模擬軟件應(yīng)用，增加模型參數(shù)調(diào)參的講解，與多媒體現(xiàn)代教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合，并通過課程設(shè)計(jì)結(jié)合礦區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件進(jìn)行礦區(qū)涌水量預(yù)測數(shù)值模擬，增強(qiáng)課程的實(shí)際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：地下水?dāng)?shù)值模擬;礦業(yè);教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）38-0139-02

地下水?dāng)?shù)值模擬是以電子計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算為手段，通過背景資料獲取、模型概化、模型識別和應(yīng)用來分析地下水流和地下水污染等方面的問題。在礦業(yè)類高校中，《地下水?dāng)?shù)值模擬》課程的教學(xué)目標(biāo)是預(yù)測礦山開采條件下的地下水動態(tài)，為水質(zhì)和水量的管理與評價以及礦山疏放水提供理論依據(jù)。

一、課程特征

1.抽象性。地下水是以地下水動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，此理論基礎(chǔ)、研究方法本身就是很抽象的。本課程又是以地下水為研究對象的，地下水?dāng)?shù)值模擬過程中需把復(fù)雜的水文地質(zhì)問題概化為某一數(shù)學(xué)模型，模型中水文地質(zhì)條件、邊界條件概化過程均比較抽象。

2.復(fù)雜性。地下水流數(shù)值模擬在建模初期，特別是幾何模型建立過程中，需要對復(fù)雜的水文地質(zhì)資料進(jìn)行整理歸納，包括鉆孔、地層、水文資料等，從而決定了本課程應(yīng)用到大量地質(zhì)、水文地質(zhì)和地理信息系統(tǒng)的方法，需要多學(xué)科交叉。

3.實(shí)踐性。地下水?dāng)?shù)值模擬不僅可以模擬實(shí)際水文地質(zhì)條件下實(shí)際含水層地下水流場、污染物運(yùn)移等情況，還可以預(yù)測未來情況下含水層的響應(yīng)，特別對于礦山開采條件下的地下水動態(tài)，礦井涌水量預(yù)測等，地下水?dāng)?shù)值模擬的內(nèi)容決定了這門課程也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。

4.水文現(xiàn)象受到大量隨機(jī)因素的影響具有不確定性。在進(jìn)行水文數(shù)據(jù)分析時，是把十分復(fù)雜的水文現(xiàn)象抽象概化為某一個數(shù)學(xué)模型，其表現(xiàn)形式較為抽象，而設(shè)計(jì)模型的過程則更加抽象。

二、教學(xué)難點(diǎn)

1.地下水運(yùn)動的基本微分方程、地下水化學(xué)組分運(yùn)移基本方程、NAPL遷移基本方程是解決地下水運(yùn)動、溶質(zhì)運(yùn)移和石油污染物運(yùn)移的三大基本方程，這些基本方程與地下水動力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容有重復(fù)又有區(qū)別，增加了教學(xué)的難度。

2.地下水?dāng)?shù)值模擬是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程。這就決定了課程在掌握理論推導(dǎo)的同時，還要注重專業(yè)實(shí)踐應(yīng)用，兩者課堂平衡難以把握。

3.利用課堂時間進(jìn)行大量水文地質(zhì)資料數(shù)據(jù)的處理工作很困難。本課程在以GMS數(shù)值模擬軟件為例講授建模方法時需要應(yīng)用大量水文地質(zhì)實(shí)測資料來說明方法過程，對鉆孔等地質(zhì)資料前處理等內(nèi)容僅利用課堂時間讓學(xué)生親自動手，在空間和時間上都是不理想的。

三、教學(xué)改革策略

1.教學(xué)內(nèi)容改革。（1）減少地下水基本微分方程的推導(dǎo)的介紹，增加基本方程的初始、邊界條件和差分求解方法等實(shí)用性內(nèi)容的講解。首先將本課程與《地下水動力學(xué)》課程微分方程的內(nèi)容區(qū)別開，要結(jié)合實(shí)際的地下水問題，在適當(dāng)注意數(shù)學(xué)理論系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)理論和方法的應(yīng)用，而不要讓學(xué)生陷入煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明當(dāng)中。（2）通過GMS地下水流數(shù)值模擬軟件實(shí)例應(yīng)用來學(xué)習(xí)數(shù)值模擬建模過程。以主流的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS為例，本課程在教學(xué)時，通過多種實(shí)際地區(qū)特別是礦區(qū)水文地質(zhì)資料收集，用實(shí)際水文地質(zhì)資料建立符合實(shí)際地區(qū)的數(shù)值模擬模型并運(yùn)行。（3）結(jié)合生產(chǎn)項(xiàng)目中遇到的實(shí)際問題不斷更新教學(xué)內(nèi)容。隨著地下水科學(xué)的不斷發(fā)展，多學(xué)科交叉應(yīng)用，許多新的方法和技術(shù)得以應(yīng)用，要隨時更新相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，保持課程內(nèi)容與當(dāng)前的科技發(fā)展同步。

2.教學(xué)方法改革。（1）轉(zhuǎn)變教學(xué)方法，創(chuàng)新課堂形式。地下水?dāng)?shù)值模擬是一門實(shí)用性非常強(qiáng)的專業(yè)課程，如何調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性非常關(guān)鍵。這就需要教師做好每次課的課堂設(shè)計(jì)，大量收集應(yīng)用地下水?dāng)?shù)值模擬解決實(shí)際地下水問題的實(shí)例，并利用自己的生產(chǎn)項(xiàng)目作為課程實(shí)例，比如結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)實(shí)例的某個工作面開采的涌水量預(yù)測，按照地下水?dāng)?shù)值模擬步驟讓學(xué)生在課堂上參與實(shí)際數(shù)值模擬建模和后期模擬過程，使學(xué)生更加直觀地了解學(xué)習(xí)內(nèi)容，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。（2）略去繁雜的地下水方程推導(dǎo)，突出數(shù)值模型概化、初始邊界條件、數(shù)值模擬差分方法在軟件中的實(shí)現(xiàn)。鑒于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了地下水動力學(xué)中相關(guān)的方程推導(dǎo)，對于比較抽象的概念和理論，繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明可以只給出簡單的說明或者略去，而應(yīng)將重點(diǎn)放在水文地質(zhì)條件概化、空間時間離散、差分方法部分，例如數(shù)值模型的邊界范圍、邊界條件、含水層空間結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)和源匯項(xiàng)等。（3）增加實(shí)踐動手能力考查，并在成績評定中有所體現(xiàn)。在每次課程回顧中，提出一個實(shí)際的水文地質(zhì)問題，要求學(xué)生進(jìn)行上次課堂內(nèi)容實(shí)際電腦操作作為課前測驗(yàn)，這樣對學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握以及應(yīng)用能力的提升都有很大幫助，同時對學(xué)生的日常表現(xiàn)、出勤、作業(yè)等情況都進(jìn)行了考核。除此之外，更加要注重的是學(xué)生綜合分析的能力，這就要求試題的多樣化及對實(shí)際案例的分析。

3.教學(xué)手段改革。（1）多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合。地下水?dāng)?shù)值模擬常常涉及復(fù)雜的軟件操作步驟，而且過程比較復(fù)雜，借助多媒體教學(xué)的形式，教師可以有針對性地選擇實(shí)例來建立水文地質(zhì)概念模型并轉(zhuǎn)化為數(shù)值模擬模型，使講解生動清晰，教學(xué)效果得到極大提高。例如，通過粉筆板書一個理想的三層含水層，給出含水層的空間結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)、源匯項(xiàng)，提出具體模擬情景;然后通過多媒體進(jìn)行相關(guān)建模演示，板書重點(diǎn)建模過程步驟，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中被積極調(diào)動起來，以提高學(xué)習(xí)效率。總之，在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)該以“黑板+粉筆”為主，以多媒體為輔，使教學(xué)質(zhì)量得到保證。（2）增設(shè)與課程相對應(yīng)的課程設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)的目的是通過實(shí)際地下水?dāng)?shù)值模擬，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、觀察能力和分析問題能力等，這是課堂教學(xué)無法替代的，是培養(yǎng)有創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力人才的一個極其重要的環(huán)節(jié)。例如給出某礦區(qū)具體的水文地質(zhì)資料，讓學(xué)生用2周時間通過數(shù)據(jù)整理、建立符合實(shí)際水文地質(zhì)概念的模型并轉(zhuǎn)化為數(shù)值模擬模型，通過模型運(yùn)行得到具體的礦區(qū)抽放水條件下地下水流場情況，預(yù)測礦區(qū)涌水量，為礦區(qū)生產(chǎn)安全提供重要的參數(shù)依據(jù)。（3）對于地下水?dāng)?shù)值模擬這門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，如何將課堂所學(xué)數(shù)值模擬知識靈活熟練運(yùn)用，如何調(diào)動學(xué)生對所學(xué)知識的學(xué)習(xí)積極性，是教學(xué)過程中提高教學(xué)效果的關(guān)鍵問題。利用課余時間組織學(xué)生進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬建模大賽，既增加了學(xué)生對所學(xué)知識的應(yīng)用，又增加了課堂與課后學(xué)生學(xué)習(xí)生活的聯(lián)系，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

四、結(jié)語

針對《地下水?dāng)?shù)值模擬》課程學(xué)時少、內(nèi)容多、實(shí)踐性強(qiáng)等特征，本文從課程特征、教學(xué)難點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容改革三個方面闡述了該課程教學(xué)改革的重點(diǎn)和方向，對這門課程的教學(xué)模式進(jìn)行了探討。以持續(xù)改進(jìn)為理念，期待今后把《地下水?dāng)?shù)值模擬》的教學(xué)工作做得更好。

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Research on Curriculum Teaching Reform and Practice of "Groundwater Numerical Simulation"

LIU Li-hong，CHEN Xiao-yang，CHEN Yao-ping

（School of Earth and Environment，Anhui University of Science & Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

Abstract：The groundwater numerical simulation is a course in a common groundwater science and engineering.Aimed at course characteristic and teaching difficulties，this paper described the key points and direction of this course from course characteristic，teaching key points and teaching content aspects.Course teaching reform puts particular emphasis on generalization method of hydrogeological conceptual mode and numerical simulation software application.This course also added the teaching content of model parameter adjustment with multimedia modern teaching methods.This course conduct numerical simulation of water inflow prediction with actual hydrogeological conditions in mining area，in order to enhance the practical application of curriculum.

Key words：Groundwater Numerical Simulation;mining industry;teaching reform