室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)探索與思考
——以“地下水動力學(xué)”抽水試驗為例

張曉博，劉延鋒，成建梅

（中國地質(zhì)大學(xué)〔武漢〕 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074）

“地下水動力學(xué)”是針對地下水科學(xué)與工程專業(yè)和水文與水資源工程專業(yè)開設(shè)的一門以達(dá)西定律為理論基礎(chǔ)，研究地下水在多空介質(zhì)中運動規(guī)律的學(xué)科［1-2］。由于“地下水動力學(xué)”課本中涉及了大量、復(fù)雜的推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式的過程，使得一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生在感到晦澀難懂［3］，難以掌握課程的核心內(nèi)容，更無法將課程理論運用于工程實踐，無法達(dá)到良好的教學(xué)效果。因此，“地下水動力學(xué)”課程的實踐性決定了其在理論教學(xué)過程中必須輔以物理模型基礎(chǔ)實驗，使學(xué)生更加深入地掌握地下水動力學(xué)理論。

裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗和抽水試驗是“地下水動力學(xué)”實驗中的重要內(nèi)容，也是最為接近實際地下水工程問題的基礎(chǔ)實驗，它能夠幫助學(xué)生更好地理解地下水向井的運動規(guī)律，以及掌握獲取野外含水層水動力參數(shù)的方法。隨著數(shù)字化進程的加快，三維虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)為現(xiàn)代化教學(xué)提供了技術(shù)支持，虛擬實驗室在實驗教學(xué)方面所呈現(xiàn)出的重要作用受到普遍重視［4-5］，其優(yōu)勢包括高效、開放、真實和經(jīng)濟。開發(fā)野外含水層抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)能夠彌補現(xiàn)實教學(xué)條件的不足，優(yōu)化實驗教學(xué)體系，保障教學(xué)質(zhì)量，是新工科建設(shè)的重要一環(huán)。因此，本文以“地下水動力學(xué)”抽水試驗為例，重點探討了室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式對現(xiàn)代化教學(xué)的重要意義。

一、單一實驗教學(xué)模式存在的問題

（一）裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗

“地下水動力學(xué)”所涉及的地下水向井運動規(guī)律的實驗主要包括室內(nèi)裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗和野外非穩(wěn)定抽水試驗，由于野外試驗場地的限制，很多高校在“地下水動力學(xué)”的實驗教學(xué)大綱中僅安排了裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗。其實驗裝置主體是一個圓心角為30°的扇形滲流砂槽［6-7］，該裝置所模擬的是一個圓島潛水含水層，圓島外側(cè)具有定水頭補給邊界，中心設(shè)置有一口恒定流量的抽水井。利用該實驗裝置，可以讓學(xué)生觀察圓形定水頭邊界潛水井流的水動力現(xiàn)象，并利用實驗資料求出含水層的滲透系數(shù)。

該實驗裝置的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，方便制作，占地面積不大，因此，可用作室內(nèi)實驗課程教學(xué)。其后壁的測壓管可以實時監(jiān)測不同深度點位的水頭值，通過這些點位的測壓水頭值可以繪制地下水向井運動的流網(wǎng)和水頭線，從而讓學(xué)生直觀地了解和掌握地下水向井的運動規(guī)律。該實驗裝置也存在一定的局限性。首先，該模型為有限含水層，其含水介質(zhì)是粒徑均勻的砂粒，補給水頭和補給半徑恒定的條件過于理想，與實際情況相差較大。其次，室內(nèi)物理模型只是簡化后的理想模型，其僅能實現(xiàn)裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗教學(xué)，而無法滿足無限含水層中單個定流量的抽水試驗，學(xué)生也很難了解實際水文地質(zhì)工程中所開展的抽水試驗及野外含水層的求參方法。

（二）野外非穩(wěn)定流抽水試驗

非穩(wěn)定流抽水試驗是指在抽水鉆孔中僅保持水量穩(wěn)定并使水位不斷改變，或僅保持水位穩(wěn)定使水量不斷改變。非穩(wěn)定抽水試驗的目的是用人工控制的方法使鉆孔周圍含水層中發(fā)生地下水的非穩(wěn)定運動，在抽水井附近的不同距離處布設(shè)多個觀測井，并利用人工或自動監(jiān)測的手段，記錄觀測井中水位降深隨時間的變化數(shù)據(jù)，該實測數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的抽水試驗?zāi)Ｐ陀嬎阒档臄M合過程，即可測求含水層的導(dǎo)水系數(shù)（T）、滲透系數(shù)（K）和釋水系數(shù)（S）［8-9］。

抽水試驗是綜合性教學(xué)內(nèi)容，需要學(xué)生相互協(xié)同配合，開展野外抽水試驗的前提是建設(shè)一個試驗場地，包含一口抽水井和至少一口觀測井，同時需要配備汽油發(fā)電機、深井潛水泵、地下水三參數(shù)探頭、流量計、水位尺和電腦，相比于室內(nèi)裘布依井流實驗，抽水試驗更加注重實際應(yīng)用，能夠培養(yǎng)學(xué)生的動力操作能力及分工合作意識。除此之外，學(xué)生可以通過抽水試驗接觸與實際水文地質(zhì)工程相關(guān)的工作，了解地下水監(jiān)測的手段，達(dá)到產(chǎn)—學(xué)—研相結(jié)合的目的。同時，抽水試驗的工程性質(zhì)決定了其不利于在高校教學(xué)中推廣。首先，野外試驗場地的建設(shè)需要做好詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查工作，對抽水井所揭露的含水層類型（承壓含水層、越流含水層、潛水含水層等），以及抽水井（完整井，非完整井）是否完整揭露了整個含水層等因素進行充分調(diào)研。其次，野外場地的征用要與相關(guān)部門做好協(xié)商。工程施工期間是否對農(nóng)田及林業(yè)有所破壞，鉆井施工完成后，除了用于教學(xué)外，當(dāng)?shù)鼐用竦氖褂眉般@井的日常維護工作如何落實，等等，都需要有詳細(xì)的論證報告。最后，場地建設(shè)的資金投入需要高校自己解決。因此，很多開設(shè)“地下水動力學(xué)”課程的高校因場地或經(jīng)費的限制沒有安排野外抽水試驗的教學(xué)內(nèi)容，這對實踐性較強的“地下水動力學(xué)”課程來說，無法達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

（三）野外含水層抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)

抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)是基于C/S模式下的抽水試驗實現(xiàn)B/S模式下的相應(yīng)功能，具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口和圖形可視化功能，利用組件式含水層、自計水位計等設(shè)備設(shè)計多種虛擬抽水試驗情景來還原真實的野外抽水試驗場景，使學(xué)生更加深入地理解水文地質(zhì)條件，掌握抽水試驗的設(shè)計和利用抽水試驗數(shù)據(jù)獲取水文地質(zhì)參數(shù)的過程，為后期地質(zhì)工作提供理論及實踐技能［10］。

虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠與其他學(xué)科虛擬實驗室之間加強合作，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。使用者不但能從實驗過程中獲取實驗信息，而且能根據(jù)實驗信息的變化修正實驗環(huán)境和性能，更好地進行實驗。隨著三維技術(shù)和三維視覺技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬實驗環(huán)境更加接近實際，實驗者感覺更真實，如同身臨其境，從而提高了實驗效率。然而，虛擬仿真系統(tǒng)并不能完全替代傳統(tǒng)的野外抽水試驗教學(xué)，虛擬環(huán)境教學(xué)和現(xiàn)實環(huán)境教學(xué)之間應(yīng)該相互補充與配合，盡管虛擬仿真平臺能夠完成不同條件下的抽水試驗，但是實際的野外操作會讓學(xué)生對抽水試驗有更加深刻的認(rèn)識。

二、室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)探索

抽水試驗分別涉及室內(nèi)裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗、野外非穩(wěn)定流抽水試驗和野外含水層抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)，這三種實驗教學(xué)模式分別有各自的優(yōu)缺點，如果只采用其中一種模式進行實驗教學(xué)，無法得到理想的效果，學(xué)生對抽水試驗的認(rèn)知也會存在欠缺。因此，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）針對“地下水動力學(xué)”課程的實驗教學(xué)進行了改革，探索抽水試驗的室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式。

（一）野外試驗場建設(shè)

野外試驗場是以教學(xué)為目的的試驗場地，旨在加強學(xué)生的實踐經(jīng)驗和動手能力等。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）的地下水動力學(xué)實驗教學(xué)和科研工作一直處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院于2019年7—8月搬遷至未來城校區(qū)，針對該課程的實驗設(shè)備，如裘布依型穩(wěn)定流井流實驗儀等進行了全面的更新升級，實驗室面積118 m2，能夠滿足每年10個班的本科生室內(nèi)實驗教學(xué)。然而，隨著學(xué)科內(nèi)容的發(fā)展、各項技術(shù)的應(yīng)用推廣及專業(yè)培養(yǎng)需求的日益完善，當(dāng)前的室內(nèi)實驗教學(xué)內(nèi)容單一，已無法滿足實際的教學(xué)需求。未來城校區(qū)目前沒有地下水鉆井可供實驗教學(xué)使用，課程實驗大綱也沒有設(shè)置非穩(wěn)定流抽水試驗。為了使學(xué)生更好地掌握“地下水動力學(xué)”課程，開展野外抽水試驗必不可少，因此，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）于2021年12月委托鉆井施工單位在未來城校區(qū)南門附近鉆探監(jiān)測井，鉆井位于二疊系灰?guī)r含水層上。鉆井項目于2022年1月完成施工，包含1個主井（深度75米）和2個觀測井（深度50米），水位埋深在30米左右，水量中等。通過開展的多次單孔和多孔抽水試驗，認(rèn)為場地滿足開展野外各類抽水和示蹤試驗教學(xué)的需要。野外試驗場地的成功建設(shè)能夠增加系列開放性實驗內(nèi)容和課程設(shè)計內(nèi)容，為學(xué)生提供更多的實驗和實習(xí)機會，促進“地下水動力學(xué)”國家一流課程建設(shè)。

（二）抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)

在水文地質(zhì)領(lǐng)域中，抽水試驗被廣泛用于獲取野外含水層的水動力參數(shù)、評估含水層的富水性、基坑或礦坑的涌水量等。由于經(jīng)費有限，課程學(xué)時有限，不論是現(xiàn)有的室內(nèi)抽水試驗裝置，還是野外抽水試驗裝置，往往比較單一。例如，單層單井承壓含水層只有一套裝置，不利于分組學(xué)習(xí)。

“地下水動力學(xué)”抽水試驗的類型比較多（多層、多孔等），學(xué)習(xí)該課程的人數(shù)也較多。受試驗場地的條件限制，復(fù)雜的抽水試驗的學(xué)習(xí)內(nèi)容只能由教師描述性地介紹，難以滿足學(xué)生體驗從基本的實驗技能到深入探索實驗，再到研究性實驗全過程的需求，嚴(yán)重影響了實驗的教學(xué)效果，因此急需將先進的抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)引入教學(xué)。

野外含水層抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)針對實際勘查工作中水文地質(zhì)條件多樣性與試驗場地水文地質(zhì)條件單一的矛盾，通過數(shù)值模擬技術(shù)和虛擬仿真開展不同場景的抽水試驗，設(shè)置先易后難、先簡單后復(fù)雜的試驗，促進學(xué)生對抽水試驗原理的理解和運用，增強學(xué)生分析、解決問題的能力。教師在虛擬試驗場景中設(shè)置地層、水文地質(zhì)參數(shù)和水頭邊界，給學(xué)生設(shè)置試驗考試內(nèi)容，學(xué)生自己通過編寫抽水試驗方案，觀測數(shù)據(jù)，利用所測數(shù)據(jù)給出計算方法和水文地質(zhì)參數(shù)，編寫出完整的試驗報告。

三、室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)的優(yōu)勢

單一的教學(xué)模式往往無法達(dá)到理想的教學(xué)效果，室內(nèi)抽水試驗只能滿足裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗的教學(xué)，并且實驗條件固定，無法進行多小組差異化分析。野外非穩(wěn)定流抽水試驗由于實際地質(zhì)條件復(fù)雜，含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不明確，地下水受實際影響因素很多，抽水試驗結(jié)果往往不能統(tǒng)一，因此，野外抽水試驗更偏向于實際應(yīng)用。

虛擬仿真系統(tǒng)是實驗教學(xué)的補充，雖然其功能多樣，但不能替代傳統(tǒng)實驗教學(xué)，因此需要建立針對“地下水動力學(xué)”抽水試驗的室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式，該模式有以下幾個優(yōu)勢：（1）完善“地下水動力學(xué)”的實驗教學(xué)體系。目前，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）已有的實驗課程均在室內(nèi)開展，室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式的建立能夠使課程內(nèi)容更加豐富，為課程建設(shè)增加特色教學(xué)形式，保持中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）“地下水動力學(xué)”課程在全國的領(lǐng)先地位。（2）增強課程的實踐性。在混合教學(xué)模式下，學(xué)生能夠體驗不同形式的抽水試驗，既能夠?qū)W習(xí)理想條件下的地下水向井運動規(guī)律，又能了解實際水文地質(zhì)工程中的抽水試驗求參過程，還能在虛擬仿真平臺上學(xué)習(xí)多種復(fù)雜情況的抽水試驗。（3）實現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)、實踐教學(xué)和現(xiàn)代化教學(xué)的統(tǒng)一。傳統(tǒng)的室內(nèi)抽水試驗教學(xué)是學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論的必要條件，實踐教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，而現(xiàn)代化教學(xué)則能通過信息技術(shù)手段使學(xué)生直觀、深入地學(xué)習(xí)抽水試驗。

結(jié)語

抽水試驗是“地下水動力學(xué)”課程的重要實驗內(nèi)容之一，單一的教學(xué)模式無法滿足日益提高的教學(xué)要求，本文對野外含水層抽水試驗的室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式的探索具有前瞻性，該教學(xué)模式能夠充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，培養(yǎng)新時代、新工科背景下的水文地質(zhì)工作者，為社會輸送高質(zhì)量的人才，同時，該模式的建立可供其他高校相關(guān)專業(yè)課程借鑒。