基于OBE理念的地下水動力學課程教學改革研究

基金項目：山西省高等學校教學改革創新項目“基于OBE理念的‘地下水動力學課程思政教學體系建設與實踐路徑探索”（J20221282）

作者簡介：徐樹媛（1981-），女，漢族，安徽六安人，博士，副教授。研究方向為地下水資源與環境。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.12.035

摘? 要：根據新工科背景下應用型人才培養定位與能源類應用型本科高校培養目標要求，針對地下水動力學課程在傳統教學過程中存在的教學內容過于理論化、學生被動接受知識、缺乏互動及教學成果不佳等問題，基于OBE教育理念，結合課程特點，從教學目標、教學內容、教學模式、教學手段和評價體系等方面進行地下水動力學課程的教學改革研究與實踐路徑探索，以期提高教學質量，培養滿足企業需要的技術人才，為應用型高校地下水科學與工程專業課程的基礎教學探索新模式。

關鍵詞：地下水動力學；OBE理念；教學改革；培養目標；教學模式；教學手段；評價體系

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）12-0146-04

Abstract： Under the background of New Engineering， this paper investigates the problems in the traditional teaching process of the course of Groundwater Hydrodynamics， such as overly theoretical content， passive knowledge acceptance by students， lack of interaction， and unsatisfactory teaching outcomes. Drawing on the Outcome-Based Education （OBE） concept， we explore a new model for teaching reform in this course. The study focuses on setting clear learning objectives， revising teaching content， adopting innovative teaching models， employing diverse teaching methods， and establishing a comprehensive evaluation system. By implementing these reforms， the aim is to enhance the teaching quality， foster technical talents that meet industry needs， and contribute to the development of groundwater science and engineering programs at applied undergraduate institutions.

Keywords： Groundwater Hydrodynamics; OBE concept; curriculum reform; training objectives; teaching model; teaching methods; evaluation system

當前，應用型本科高校面臨生源結構多樣化、生源質量差異大[1]等問題，傳統的教育理念與培養模式與當前新工科背景下應用型人才培養定位已不相適應。因此，應用型高校迫切需要對傳統的教育理念和教學方法進行革新，教學過程應以應用性為導向，培養學生的綜合實踐能力，服務經濟社會發展目標。OBE是一種教育哲學思想，是以學習者為中心、成果導向、持續改進三個要素的合成，是一種專業教育體系化理念與行動框架的綜合體[2]，其理念訴求與新工科背景下工程專業培養目標一致，現已成為當前我國高等工程教育發展與改革實踐的主流理念[3]。

地下水動力學是面向地下水科學與工程、水文與水資源工程、地質工程、生態科學與工程、巖土工程和環境工程等工科專業學生開設的一門專業基礎課，研究對象為地下水資源。該課程內容豐富、涉及基礎知識面寬、應用領域廣，涵蓋水環境、水生態、水工程、水安全、水污染、水管理和水經濟等眾多領域，旨在培養學生應用地下水基本理論知識解決工程實際問題的能力，理論性與實踐性都很強。因此，該課程非常適合使用OBE理念進行教學設計，幫助學生更有效地學習和掌握課程內容，強化學生分析和解決現實地下水流問題的能力。本文立足能源類應用型本科院校的教學目標與人才培養目標[4]，基于OBE教育理念，結合山西省區域實際，嘗試對地下水動力學課程進行教學改革研究與實踐路徑探索。

一? 地下水動力學課程特點

地下水動力學課程的研究對象是巖石空隙中的地下水，研究內容是地下水運動規律及其與地球表面和地質環境的相互作用關系，主要包括地下水的分布與流動特征、物理化學性質、開發利用和環境保護等內容，涉及土壤力學、流體力學、物理學、化學、數學和水文地質學等多個學科的知識，具有多學科交叉與融貫的特征。課程知識點抽象，數學公式多，學生缺乏直觀思維。另外，地下水動力學課程要求學生具備扎實的理化基礎、較寬廣的知識視野和較高的綜合運用能力，是一門強調理論聯系實際，實踐性和技術性都非常強的課程，課程的開設旨在培養學生的專業素養和綜合應用能力，使其能夠在未來的就業和職業發展中發揮作用。

二? 地下水動力學傳統教學的現存問題

（一）? 培養目標不明確

傳統教學中，培養目標要求學生掌握地下水流基本概念與基本理論，強調水文地質概念模型和數學模型的建立與計算，而忽略了對學生數學思維向工程思維轉化的培養；重點要求學生能夠根據野外抽水試驗資料求解區域水文地質參數，而忽視了抽水試驗報告編寫與工程總結匯報，以及工程應用能力的培養；注重學生結合專業知識分析解決水文地質問題等技術能力的培養，但忽視了學生創新能力、團隊協作能力、工程項目管理能力以及綜合實踐能力的培養。這樣會影響學生構建完整的工科專業知識體系脈絡，也很難保證他們能夠靈活應用所學知識理論指導日后項目實踐，造成畢業生難以滿足企業需要。

（二）? 教學內容不具象

地下水動力學課程的教學內容公式推導多、數理性極強[5-6]。例如，滲流理論中引入典型體元時用到的極限理論，滲透系數的張量表達，梯度理論，模型建立與求解過程中采用的近似計算以及求導和積分計算，以及井函數、貝塞爾函數、雙曲函數和流量函數等特殊函數，最小二乘法，傅里葉變換與Hankel變換等積分變化，坐標變換，疊加原理與鏡像法，坐標平移原理，溶質遷移擴散理論等知識都有直接應用。但在應用型本科人才的培養過程中，這些理化知識多數超出了現有工科數學范圍；另一方面，傳統教學中以知識點表述與重要公式推導為主，教學內容過于抽象，學生缺乏感性認識，學習興趣不高。

（三）? 教學模式不合理

傳統教學中，教學模式多采用教師為主的灌輸式課堂教學，沒有針對學生的個體差異與需求進行教學，因此無法滿足所有學生的需求。授課形式以理論課程面授為主，實踐操作驗證為輔，重視理論知識的傳授，而忽視了學生實踐技能的培養，導致教學過程不能有效地傳遞知識，無法激勵學生積極參與，從而影響教學效果。另外，傳統的地下水動力學教學模式過度依賴于教材與文字資料，缺乏有效的技術支持，使得學生無法充分利用數字化工具和網絡資源。灌輸式教學無法支持學生之間的有效互動和協作，不利于培養學生的合作精神和團隊協作能力。傳統的教學模式在許多方面已無法滿足新時代本科人才的要求。

（四）? 教學手段不豐富

傳統教學以教師、教材、課堂為中心，教學活動單一，教學手段多采用教師口頭傳授、文字板書、電化教學與實驗指導相結合的方式。在整個“教”與“學”的持續過程中，學生往往處于被動接受的狀態，學習興趣不高。由于地下水動力學課程中的概念與知識點較為抽象，學生缺乏感性認識，思維受到局限，學習過程中主體性作用得不到充分發揮，最終造成學生理解困難，不能很好地掌握課程應用基礎和實踐技能，并且創新意識薄弱，缺乏工程思維，難以具備高效、系統化解決現實工程技術問題的能力。新工科背景下，應用型本科人才培養目標變得更加多元化，傳統的教學手段顯然無法滿足工程應用型人才的要求。

（五）? 評價體系不完善

傳統教學對教學質量的考核評價包括教師考核與學生學習效果考核。教師的考核側重于教學方案設計、教學方法應用與教學資源建設等方面。但對學生學習效果的考核評價方式則較為單一，僅靠占比大的期末卷面成績結合小比例的平時表現得分決定學生是否通過課程考核，這種考核方式往往造成學生過于關注考試成績，將學習精力集中在知識點記憶與刷題上，而忽略了實際項目中工程思維和解決問題能力的培養。他們往往只能應對已知的題目類型，缺乏靈活性與創新精神，難以解決復雜或者新穎的問題。傳統教學缺乏全面、客觀的教學評價體系，無法全面反映工科學生的綜合能力。

三? 基于OBE理念的地下水動力學課程改革策略

圍繞新工科和應用型人才培養目標的總要求，針對地下水動力學課程特點與目前傳統教學存在的不足，應用OBE教育理念，對該課程進行教學改革研究與實踐路徑探索。OBE理念強調以學習產出為導向，因此地下水動力學教學目標和評價標準都應圍繞著學生的最終學習成果進行設定。教學過程首先需要清晰地描述學習成果，而后充分考慮學生個體的多樣性與差異性，利用多元化的教學方法與教學策略幫助學生取得學習成果，并在整個教學與培養過程中，對學生的學習成果進行持續的、客觀的衡量與評估，使學生在獲得專業知識、工程技術與綜合能力的基礎上，可運用高階思維與工程思維解決工程實際問題，達成培養目標。

（一）? 基于OBE理念制定教學目標

基于OBE成果導向教育理念，地下水動力學教學目標的設定應圍繞著學生的最終學習成果進行。地下水動力學對工程教育專業認證畢業生能力的支撐應體現在“具有扎實專業知識和實踐技能的應用型人才”上，即通過滲流理論基礎的學習，拓寬學生專業知識面，結合實習實驗與工程實踐，培養畢業生分析問題和解決問題、實踐操作和實際應用的能力，樹立工程思維和創新意識，提高專業素養。因此，地下水動力學課程教學目標和教學任務的制定就不能單純地列舉知識點學習，而是要結合校級人才培養目標[7]，以解決現實工程技術問題為目標要求，從支撐畢業生能力要求、滿足區域經濟和社會需求的角度出發，即：通過課程的學習，使學生不僅能夠系統掌握地下水流運動的基本理論，還要具備工程思維、思辨精神，以及深入學習和綜合實踐的能力，能夠運用現代技術手段和計算機知識，分析和解決實際水文地質問題；具有宏觀戰略思想，能夠應用工程項目管理理念進行項目設計與實施。

（二）? 基于OBE理念優化教學內容

地下水動力學課程主要支撐的畢業要求中“具備工程思維、思辨精神，分析和解決實際水文地質問題”是當前畢業生很難達到的。因此，課程的教學內容需要進行相應的優化改革，以確保學生能夠獲得期望的學習成果。針對學生的現有知識背景，以及前期水力學、土力學與水文地質學基礎等課程內容的掌握程度，構建與其知識結構特征、接受能力相適應并具有挑戰性、實踐性的教學內容體系。根據循序漸進的原則，將整體課程分為前期基礎能力培養和后期綜合素質提高兩部分。具體為：前期課程以滲流理論基礎和水流運動基本定律為主要內容，教學過程中可安排學科發展與前沿動態介紹，加強教學內容與時下熱點問題的關聯，增加生動具象的輔助資料，激發學生學習興趣，提高學生認知內驅力。后期課程以區域地下水流問題、井流問題和溶質、熱量運移問題等基礎理論的應用為主要內容，其中大量篇幅為微分方程的求解，教學過程中可減少求解定降深井流、有越流補給完整井流、潛水完整井流等復雜模型解析解的推導過程，增加工程項目實施案例，如鹽堿地灌溉排水工程設計與庫壩區滲漏問題（區域地下水流問題）、煤礦坑涌水量的計算與預測（井流問題）、填埋場污染物的遷移與地熱能開發利用中的熱量運移（溶質與熱量運移問題）及水資源評價與水源地建設（綜合類問題）等，給出工程條件，引導學生參與，增強學生參與互動性。此外，工程技術領域的快速發展伴隨著新技術、新工具和新方法的不斷涌現，教學過程中還應及時跟進這些變化，更新課程內容，增強學生的就業競爭力。

（三）? 基于OBE理念改革教學模式

地下水動力學課程對學生專業技術能力和實踐經驗的要求很高。基于OBE理念，課堂教學實施過程應以學生為主體，弱化教師的主導作用，將教師的“主導者”角色轉變為“引導者”和“指導者”。具體在實際教學中，可在“井流求解水文地質參數”部分，采取主題式教學模式，通過整合各種相關知識點和抽水試驗操作、計算機軟件應用技能點，應用數字化工具與現代化技術，引導學生進行深入探究和實踐操作。在“地下水向河渠的運動”與“地下水中的溶質和熱量運移”章節，可采取案例分析教學模式，通過分析真實的工程案例或情境，使學生了解河間地塊地下水的運動特征與水動力彌散機理，以及溶質和熱量運移等相關知識的實際應用和實踐價值，同時也能鍛煉他們的思維能力和解決問題的能力。在“井附近的地下水運動”章節，進行項目式教學模式，以完成一個水資源評價或涌水量預測項目為目標，通過相互協作的方式完成，引導學生從實踐中學習和探索，從而培養他們的團隊協作能力、創新能力和社會責任感。在介紹“抽水試驗資料求解水文地質參數”內容時，可應用實踐教學模式，即通過加強校企合作，帶領學生實地參觀抽水試驗現場，與工程專業技術人員面對面交流，提高學生對專業知識的實際應用理解。在“邊界附近完整井的運動”和“地下水流運動數學模型建立”部分，可采用翻轉課堂模式，將傳統課堂教學和課外自學結合起來，通過讓學生在課前預習和探究，然后在課堂上進行深入討論和交流，從而深化理論知識，提高學習效率和質量，提升專業技能。

（四）? 基于OBE理念豐富教學手段

OBE倡導使用現代信息技術和網絡資源來輔助教學。針對地下水動力學課程傳統教學方式單一、手段不夠豐富的問題，教師在制定課程具體教學策略時，應遵循OBE原則，選擇多元化的教學方式和手段來促進學生學習，如案例分析、項目實踐、在線課程、虛擬實驗室和小組討論等，提高學生的參與度和學習興趣。根據不同的教學內容和教學目標安排不同的教學方法和手段。例如，講解井流及含水層參數計算時，可借助繪圖軟件、3D建模與Aquifertest[8]、Visual modflow等地下水專業軟件刻畫含水層結構與地下水流場特征，將抽象問題具體化，幫助學生理解和應用。條件允許時，也可采取現場參觀的實踐教學方法，將抽象理論轉化為具體實踐，使學生能夠在實際操作中理解和應用所學知識，提高學生的綜合素質。學習達西定律、滲透系數及等效滲透系數概念時，可引導學生類比熟悉的歐姆定律及其應用等電學知識，促進學生的科學思維，提高學生創新思考能力。介紹滲流、典型單元體與滲透流速時，可充分利用PPT、GIF動畫等多媒體的聲效與視頻功能[9]，充分展示，讓學生直觀感受，加深理解。講授水井分類與抽水穩定運動時，可借助網絡資源和技術，采取線上線下的綜合教學方式[10]，在線上“學習通”平臺上上傳相關視頻、影像資料與FLASH動畫，增加學生感性認識，增強學生的學習體驗。在學習與應用配線法和直線圖解法求解水文地質參數時，可采用手繪和計算機軟件繪圖同時進行的方式，滿足學生個性化的學習需求，促進學生掌握與利用現代技術的能力培養。在整個教學過程中，教師要引領學生主動探索，給予學生更多的反饋和支持，鼓勵學生主動參與和表達自己的想法，以增強學生的主動性和創新性。

（五）? 基于OBE理念重構評價體系

遵循OBE理念注重考核學生綜合能力和專業實踐能力的原則，地下水動力學課程教學過程中，需要重構評價體系，注重學生的學習成果考核，關注學生的學習過程，包括參與度、主動性和創新性等方面。成績考核中，要弱化學生的出勤考核，對學生學習的各環節情況進行持續的、客觀的衡量與評價，以便教師及時調整教學策略和方法。此外，學習成果與評價標準還要充分考慮學生的個體差異，有針對性地進行個性化設定，因材施教。評價體系的建立要采用多元化的評價方法，除了傳統的筆試、實驗等考核方式外，還可以增加項目報告、口頭報告、小組討論等多種形式，定性與定量評價相結合[11]，以更好地評估學生的實踐能力和團隊協作能力。評價時，將隨堂提問、課后作業、期中測試、大作業和小組匯報等環節，細化為“知識理解-技能應用-實踐能力-創新思維-團隊合作”五個維度進行，并將評價結果以蛛網圖的形式進行可視化表達，便于教師及時發現并解決問題，同時也可以幫助學生了解自己的學習進度和不足之處，加強改進。

四? 結束語

作為應用型能源類本科高校，學生的培養目標以應用性為導向。通過使用OBE理念對地下水動力學課程進行改革探索，設定明確的教學目標與教學內容，改革教學模式，采用豐富的教學手段，以及建立多元化的評價方式，可提高學生的綜合素質，幫助他們更好地掌握工程原理和水文地質技術方法，培養他們解決現實工程技術問題的能力，更好地滿足社會經濟發展對人才的需求，為地方經濟社會發展作出貢獻。

參考文獻：

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