在教學中培養水利人才核心素養的探討

謝一凡 魯春輝 吳吉春

[摘 要] 水文水資源、環境工程等相關專業的基礎課“地下水動力學”的教學，融入培養學生水利人才核心素養的教育理念，進行教學內容和教學方法的改革和研究，通過豐富課程內容、優化學習方法、改良教學方式，幫助學生深入理解教學內容，著力培養學生的水利人才核心素養，強化素質教育，期待為“地下水動力學”的教學研究提供參考。實踐表明，基于核心素養理念的“地下水動力學”教學過程，能夠提高教學質量，有利于水利人才關鍵能力和必備品格的培育。

[關鍵詞] 地下水動力學;教學改革;水利人才;核心素養

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）03-0085-04? ?[收稿日期] 2020-10-16

一、引言

人的核心素養是解決復雜問題和適應不可預測情境的必備品格和關鍵能力。提出這一教育理念旨在勾勒新時代新型人才的形象，規約學校教育的方向、內容和方法。“地下水動力學”[1]是研究地下水運動規律和定量評價地下水資源的基礎，是與地下水緊密相關的專業人員研究和解決與地下水有關的水工環問題的理論依據和重要工具，是水工環各專業的一門專業基礎課程，在水工環各專業核心素養培育中具有獨特價值[2-4]。當前，我國許多地方存在地下水資源儲量減少、水質污染、海水入侵、地面沉降、土壤惡化、工程地質災害等資源、環境和災害問題。新時期水科學研究和水工環各專業面臨的實際問題的解決，要求我們深入推進以核心素養培養為目標的課程教學改革[5，6]。本文針對“地下水動力學”課程的性質和特點，進行了教學內容和方法的改革優化研究與實踐，旨在幫助學生深入理解和掌握學科核心內容，強化素質教育，培養學生的水利人才核心素養，期待能為本課程的教學研究提供參考。

二、依托核心教學內容蘊含的教育資源滲透水利人才的必備品格教育

不同學科知識具有不同的價值，學科核心內容蘊含專業人才必備品格和關鍵能力的培育因素。所謂學科核心內容，是指對專業核心素養形成發展具有奠基作用的、對專業學習和工作具有核心價值的學科基礎知識和基本方法。為此，在本課程教學中，我們精心選擇核心概念、基本定理和方法，依托其蘊含的豐富教育資源，夯實素養知識基礎，有的放矢地進行學科專業核心素養培育。

1.依托學科核心概念和基本定理教學，擇機進行尊重規律的觀念培育。達西定律等地下水基本定理是“地下水動力學”課程中基礎的核心概念，在水工環各專業核心素養培育中具有極其重要的價值。達西定律教學實質上是地下水滲流規律和能量守恒規律教育教學，蘊含豐富的尊重規律意識培育因素。如果忽視地下水滲流規律和能量守恒規律，就不能精確掌握和描述地下水運動規律，就不能科學評估水資源。如果違背地下水運動規律，在地下水的開采利用、地下水工程建設等實踐中，會面臨一系列問題，甚至導致地質、環境災害。因此，在達西定律等地下水動力學基本定理及其相關數值模擬教學中，教師需要堅持理論聯系實際的根本方法，幫助學生深入理解和掌握，奠定學科專業素養知識基礎，并通過實例說明，以幫助學生樹立尊重規律的觀念。如，教師在教授利用有限單元法進行達西滲透流速模擬等地下水數值模擬過程時，需要在講解有限單元法等數值方法內容的同時，分析這些方法在概化地下水模型時的一些簡化處理手段，同時簡要評述有限單元法等數值方法的優缺點，比如通過呈現“由于有限單元法算法框架的限制，在建立數值模型時，會忽略所計算的達西滲透流速在網格節點處的連續性，并且所計算的達西滲透流速在介質物理交界面處不滿足折射定律這一基本物理規律”的例子，說明如果忽視客觀規律，就不能精確、高效地模擬地下水運動規律。最后，列舉介紹一些符合達西滲透流速連續性、折射定律的新型數值方法，并將其與有限單元法進行對比，以此加深學生尊重物理規律的教育，教導學生在建立地下水數值模型時需要深入分析地下水運動規律，并結合具體的模擬問題要求，選擇合適的數值模擬方法建立準確的數值模型。

2.優化教學內容呈現方式，有效進行精神品格培育。學科核心內容富含專業人才關鍵能力和必備品格培育因素，能否充分開發利用好其蘊含的教育資源，是成功教學的關鍵。以往“地下水動力學”教學，由于教學內容呈現方式單一，制約了其教育資源的充分利用，影響了其教育功效的發揮。為此，必須優化本課程核心教學內容的呈現方式，根據學情和學科核心內容教學與品格培育的需要，適當增加和穿插一些典型例子，以栩栩如生的方式少量介紹一些地下水研究成果和著名專家、學者及工程建設者的事跡，講好他們的故事，以更好地開發利用本課程核心教學內容的教育資源，傳承我國優秀水文化，培養學生的家國情懷和刻苦鉆研、求真務實、勇于奉獻的精神。例如，在講授地下水數值模擬方法時，講述我國地下水數值模擬的發展歷程。如馮康教授獨立開發有限元算法，為我國地下水數值模擬提供了重要基礎方法;肖樹鐵、薛禹群、謝春紅等老一輩地下水科學工作者，自發組織“神仙會”，進行地下水數值模擬的討論與研究，為我國地下水數值模擬奠定了基礎;等等。借以進行地下水科學工作者和工程建設者的精神、事跡教育，引導學生學習老一輩科學工作者心系國家、服務國家和人民的家國情懷，以及刻苦鉆研、攻堅克難、奉獻自我、獻身地下水科研和工程建設事業的奉獻精神和意志品格，以深化愛國主義教育，加強學生求真、務實、奉獻的品格塑造。

三、加強學科方法論教學，強化水利人才的關鍵能力培養

1.學科方法論教學對水利人才關鍵能力培養的意義。方法論是人們認識世界、改造世界的方法理論，通常涉及對問題階段、任務、工具、方法技巧的論述，會對一系列具體的方法進行分析研究、系統總結并最終提出較為一般性的原則，是一種以解決問題為目標的理論體系或系統。方法論是創新的源泉和解決問題的關鍵，它可以為科學研究和解決實際問題提供方向、路徑、策略、方法與思維框架。“地下水動力學”的學科方法論是數值模擬、室內實驗和野外勘察等基本方法構成的體系，它是“地下水動力學”學科的核心教學內容，蘊含最為重要的學科專業關鍵能力培育因素。因此，在本課程的教學中，強化其方法論教學，對水利人才的關鍵能力培養具有重要意義。

2.依托學科方法論強化水利人才關鍵能力培養的探索。數值模擬是地下水研究的重要技術手段，也是解決地下水資源過量開采、水質污染、海水入侵等問題的重要途徑之一，它蘊含許多思想方法、經驗智慧與技術路徑和策略。如地下水問題常具有大尺度，研究區域很廣，含水介質具有非均質性，難以精確描述。應用傳統有限單元法進行數值模擬時，必須精細剖分，保證網格內部滲透系數可視為常數，從而精確描述含水介質滲透系數的非均質性，由此導致計算單元數目巨大，不僅需要龐大的計算消耗，而且需要高性能計算硬件的支持。隨著計算機性能的提高和并行技術等一些新的計算機技術的逐漸出現，雖然在某種程度上能夠緩解數值模擬的計算成本問題，但仍然存在一些問題，如機群計算技術受帶寬的限制、共享內存多處理器技術的硬件昂貴、我國高性能計算機群資源的稀缺等。針對地下水問題的大尺度特性和非均質特性，國內外科學工作者提出了多尺度有限單元法，該方法具有粗、細兩層尺度的網格剖分，可在粗尺度網格單元上構造滿足退化的橢圓方程的多尺度基函數汲取細尺度信息，再通過尺度提升技術降低計算成本。簡而言之，該方法通過基函數來“負責”細網格單元，可以將細尺度問題轉換為粗尺度問題，即精細把握關鍵部分，簡化次要部分。通過構造局部基函數抓住研究區信息，將細尺度上的問題提高到大尺度上求解，實現通過關鍵性內點把握區域整體，在區域整體中研究關鍵性部分，在核心部分采用精細剖分的網格進行處理，對關鍵部分進行精細研究，把握問題解決的精度;在宏觀區域整體進行簡化處理以降低計算消耗，提高計算效率。這樣才能在有限的條件下高效、精確地處理相對復雜的地下水問題。

通過上述內容和實例教學，不僅使學生了解了許多數值模擬思想方法和技術策略，培養了學生的關鍵能力，而且拓展了學生的學科視野，使其認識到學習學科方法論的價值，懂得只有學會了學科方法論，具備了運用地下水動力學知識和方法進行建模的良好能力，才能更好地探索地下水運動規律，更加精確地把握和描述地下水運動規律，更加高效、精確地解決地下水實際問題。

四、改革優化教學方法，著力提高水利人才必備品格和關鍵能力培養的實效

1.強化討論和探究，增強探究精神和能力的培育效果。“地下水動力學”理論性強，其機理以公式推導為主，在教學過程中含有大量的數學公式推導，對于學生的認知與理解具有較大的挑戰。在過去的課程教學中，遇到公式推導，多以教師演示、講解為主，往往忽視學生的教學參與，學生缺乏推導過程的親歷，不僅所獲知識缺少“活力”，而且影響了對學生的探究精神和能力的培育。因此，我們增加了學生對公式推導的親歷，強化了課內外討論和探究，在進行數學公式推導教學時，巧妙組織學生討論，引導學生探究這些數學公式的由來、內容、價值、適用范圍和條件，研究數學公式中蘊含的地下水動力學過程的物理意義。實踐證明，這能大大提高探究精神和能力培育的有效性。

2.利用網絡科技手段，突破時空對教學的限制，拓寬學生的視野，增強自主學習能力。利用騰訊會議、中國大學MOOC（慕課）國家精品課程在線學習平臺等多種新型網絡科技手段，能夠有效地突破時間、空間對課堂教學的限制，令學生可以隨時、隨地的學習，加強了學生課外學習的意識，方便了學生課內與課外的學習過程，增強了教師與學生之間的交互，提高了學生自主學習的能力。例如，2020年新型冠狀肺炎疫情期間，全國進行疫情防控，學生無法到校學習，河海大學采用線上授課的方式，通過網絡軟件進行授課，使我國各個地區的學生，甚至海外留學生，都能夠保質、保量地接受課程教學。通過建立課程QQ群，教師能夠將一些課外資料的鏈接上傳到網絡軟件中，方便學生自由瀏覽，提高了學生的主動性。學生存在問題時，可以直接在課程QQ群內提問，教師能夠及時進行回答，為具有相同問題的學生提供參考與回溯，也能組織學生進行課外討論，而不再受傳統課堂時間、空間的限制。還可以邀請一些知名地下水動力學科學工作者，通過騰訊會議等網絡軟件，進行線上直播講座，講述他們自己或在指導學生時的事跡與實際工作，并與學生進行交流，這樣不僅豐富了“地下水動力學”的教學體系，拓寬了學生的視野，而且讓學生能夠學習到知名地下水科學工作者的科學研究方法，以及求真務實、刻苦鉆研等優秀學術精神，從而激發學生地下水科學研究的興趣，也實現了地下水科學學術精神的傳承與發展。通過線上講座，學生能夠與著名地下水學者面對面地交流，不僅學習了“地下水動力學”的原理與知識，了解到地下水科學研究的完整過程，而且能更加真切地感受與學習著名學者的科學精神，實現了學術精神的傳承，這將對學生們今后的學習與科研具有深遠的影響和重要的意義。

3.加強實踐教學，積極引導科研參與，培養學生的創新精神和發現、解決問題的能力。利用教學方法體系的優勢，充分發揮實踐教學的獨特功能，帶領學生參與地下水動力學室內物理實驗、野外考察工作，幫助學生獲得與地下水動力學理論相匹配的豐富感性經驗，培養學生的專業綜合實踐能力。例如，在講授地下水滲流的基本定律章節時，在實驗室授課，帶領學生現場完成達西實驗。通過親手實踐，讓學生了解達西設計實驗的思想過程，使其獲得了該實驗的專業實踐技能和綜合運用所學專業知識發現、解決問題的能力，懂得了科學研究源于實踐作用于實踐的道理，有效地培養了學生的求實精神，激發了學生對“地下水動力學”課程的興趣。

積極引導對地下水動力學學術研究感興趣的學生參與創訓項目，加入課題組實習，初步參加地下水科學項目的室內實驗研究和野外考察工作，培育學生對地下水動力學問題的發現探究能力，培育學生根據實際地下水動力學物理規律創造性地解決實際問題的意識與能力。提前開展科研活動，能夠令學生對科研工作有初步了解，對學生職業生涯規劃與選擇具有深遠的意義，也能夠發掘適于參與學術研究的人才，令其能夠提前開展科研工作，選擇自己感興趣的研究方向，盡早地進入科研狀態，為其今后的學術生涯打下堅實的基礎。

五、結語

基于核心素養培育的“地下水動力學”教學改革，不但使課堂變得豐富、有趣，提高了學生學習本課程的積極性，而且使學生掌握了良好的學習方法，增強了學生具體問題具體分析和持續學習的能力。同時，能夠引導學生開展初步研究，培養其探究精神和能力，使學生學會發現、分析和解決問題，具備運用“地下水動力學”知識和方法創造性地解決問題的初步能力。通過模擬實踐，學生從會學變為會做，進而促進了“地下水動力學”課程理解及相關實踐工作能力的發展，同時還能塑造學生優秀的品格，提升學生的愛國意識，培養求真務實的精神。實踐證明，核心素養理念下的“地下水動力學”教學，能夠提高學生的認知與理解，有利于水利人才關鍵能力和必備品格的培育。

參考文獻

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