新工科背景下地下水數值法教學改革研究初探

文章編號：1671-489X（2025）06-0105-05" DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.105

0 引言

為主動應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，2017年以來，教育部積極推進新工科建設，“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”極大地推進了這一工程[1]。教學理論和實踐改革是實現加快培養新興領域工程科技人才這一目標的關鍵。地下水數值法是利用數學模型和計算機技術模擬地下水流動和溶質運移等過程的一種科學方法。地下水數值法課程教學改革有助于教師更新教學觀念，實施更具針對性和實效性的教學策略。

目前，國際上從四個方面對其進行深入研究。

1）模型精細化與擴展。國際上對地下水數值模擬模型的精細度和適用范圍不斷擴大，如MODFLOW家族模型的持續升級，新增了對復雜地質結構、非飽和帶流動、地下水與能源開采相互影響等問題的支持。

2）高性能計算與云計算。隨著高性能計算技術的進步，大規模、高分辨率的地下水模擬變得更加可行，許多研究機構利用超級計算機和云計算平臺開展大規模區域甚至全球級別的地下水系統模擬。

3）不確定性分析與風險管理。不確定性分析在地下水模擬中的地位愈發凸顯，國際學者正著力開發高效的風險評估和管理工具，通過概率統計方法和蒙特卡洛模擬等手段，更準確地評估地下水系統的未來演化及其對環境和人類活動的響應。

4）跨學科交叉融合。地下水數值模擬研究越來越趨向于與地質學、氣候學、生態學、經濟學等多個學科交叉融合，旨在揭示地下水系統在全球變化、人類活動影響下表現出的復雜行為。

我國學者也在該領域取得一系列成果。

1）技術創新與優化。針對復雜的地下水系統特征，研究者致力于多尺度、多物理場耦合數值模擬技術的研究，如地下水一地表水相互作用[2]、地熱耦合模型[3]等。此外，研究者還積極發展智能算法在參數估計和不確定性分析中的應用[4-5]。

2）大數據與遙感技術。隨著信息技術的發展，大數據與遙感技術被廣泛應用于地下水數值模擬，如利用遙感反演的地表參數來提高模型精度，借助大數據挖掘技術對模型進行優化和不確定性分析[6-9]。

3）地下水環境保護與修復。在地下水污染控制和修復領域，數值模擬已成為不可或缺的決策支持工具，研究者正在利用數值模擬方法評估污染物遷移轉化規律[10]，預測修復措施效果[1]。

總的來說，無論是國內還是國際上，地下水數值法研究都在向更高精度、更大規模、更多維度的方向發展，并在解決實際水資源管理和環境保護問題中發揮著越來越重要的作用。同時，研究人員也在不斷探索新技術與新方法，以應對地下水系統面臨的日益復雜的挑戰。

1地下水數值法課程現狀

1.1 課程內容與結構

以地下水科學與工程專業為例，地下水數值法課程的主要教學內容是地下水流數值方法的理論基礎、基本原理，矩形剖分、三角形剖分、有限差分法和迦遼金有限單元法求解承壓水、潛水二維非穩定流動數學模型的原理與方法，地下水流數值模擬模型的設計、構建方法，以及常見的地下水流數值模擬軟件操作技術。本課程主要著眼于地下水科學與工程領域的社會需求和學生專業發展的實際需求，重點培養學生掌握地下水流數值模擬技術的基本原理和關鍵技術，使學生具備建立地下水流數值模擬模型的能力，為從事本專業工作奠定技術方法基礎。

1.2教學方法與手段剖析

當前教學實踐中采用的教學方法是講授和上機操作，教學手段是傳統課堂板書+PPT。這種教學方法與手段優點明顯，主要表現為以下五點。

1）理論與實踐結合。講授法能夠系統、高效地向學生傳遞理論知識，構建起學科的基本框架；而上機操作則讓學生親自動手實踐，將理論應用于實際問題解決，增強理解和記憶。

2）直觀性和互動性強。PPT作為一種多媒體工具，能夠通過圖表、動畫等豐富形式直觀展示復雜的地下水流動模型和數值模擬過程，增強課堂的吸引力和互動性，提高學生的學習興趣 [12]。

3）滿足個性化學習需求。上機操作環節允許學生按照自己的學習節奏探索軟件（如MODFLOW），這種自主學習的過程有利于學生發現并解決個人學習中的難點，促進學生個性化發展。

4）強化技能培養。通過上機操作，學生不僅可以學習理論，還可以掌握地下水數值模擬軟件的使用技能，這對于他們未來的職業生涯至關重要。

5）提升綜合能力。結合傳統課堂講授與PPT演示，讓學生在理解理論的同時，可以通過實踐操作提高解決問題的能力，培養科學研究和工程實踐的綜合素養。

然而，這種教學方法與手段缺點也很多，主要表現為以下四點。

1）講授法的單向性。雖然講授法信息量大、效率高，但它本質上是一種單向傳播方式，可能限制學生的主動參與和即時反饋，影響學生深度理解和批判性思維的培養。

2）PPT依賴與注意力分散。過度依賴PPT會減少教師與學生的直接交流，而且快速切換的幻燈片可能分散學生的注意力，特別是當內容過于密集或動畫過于復雜時。

3）理論與實踐脫節。因為講授的是理論，上機操作的是成熟軟件，二者之間缺乏緊密銜接，學生會感到理論學習與實際操作是割裂的，這不僅影響知識的連貫性，也不利于學生應用能力的提升。

4）學生差異性應對不足。傳統課堂與標準化的PPT講解可能難以滿足所有學生的學習需求，特別是對于基礎不同、學習風格各異的學生，可能需要提供更多個性化的指導和支持。

1.3 課程評價與反饋

1.3.1 考核方式與評價標準

本課程的考核方式包括平時成績（占 30% ）、期中考試（占 20% ）和期末考試（占 50% ）。評價標準主要考查學生的理論知識掌握程度、實踐操作能力和創新思維。

1.3.2 反饋情況

1）學生反饋。通過對調查問卷的分析發現，60% 的學生認為課程內容充實，講解清晰；但有40% 的學生反映部分知識點難度較大，需要更多的時間和練習才能掌握。

2）行業反饋。行業人士對該課程給予一定的認可，認為能夠滿足行業需求，但也提出一些改進建議，如增加更多的實踐環節，提高學生的動手能力。

2新工科理念對地下水數值法教學的啟示

2.1 新工科理念內涵

新工科理念強調以創新為導向，注重培養學生的綜合素質和實踐能力，核心要素包括跨學科融合、創新能力培養、工程倫理教育和產學研結合等方面。

2. 1. 1 跨學科融合，培養具有多學科交叉背景的人才

對于地下水數值法教學而言，這意味著教師應引導學生從地質、水文學、數學等多個角度理解和應用地下水數值法，提高他們解決實際問題的能力。

2.1.2創新能力培養是新工科的重要目標之一

在地下水數值法教學中，教師可以設置實際問題讓學生自行設計計算方案，鼓勵他們探索不同的解決方法，從而培養他們的創新思維和實踐能力。

2.1.3工程倫理教育也是新工科不可或缺的部分

在地下水數值法教學中，教師應培養學生尊重科學事實、遵守職業道德、關注環境保護等方面的意識，使他們在未來的工作中作出負責任的選擇。

2.1.4產學研結合是落實新工科理念的有效途徑

通過與企業、研究機構的合作，可以為學生提供更多的實踐機會，幫助他們更好地將理論知識應用于實際工作中。

因此，新工科理念對地下水數值法教學提出更高的要求，教師應不斷更新教學理念和方法，努力培養符合時代需求的創新型人才。

2.2地下水數值法課程改革方向

新工科理念的引入，為審視地下水數值法課程教學改革提供了全新視角。基于新工科理念，探討地下水數值法課程改革的目標定位、重點任務和預期效果，為后續改革實踐提供理論指導。

2.2.1 目標定位

地下水數值法課程改革的目標定位應以培養學生的創新能力和實踐能力為核心，強調跨學科融合，注重工程倫理教育和產學研結合。具體來說，通過改革應讓學生具備以下能力。

1）跨學科融合能力：能夠從地質、水文學、數學等多個角度理解和應用地下水數值法。

2）創新能力：能夠獨立設計計算方案，探索解決問題的不同方法。

3）工程倫理：能夠遵循科學事實和職業道德，關注環境和社會責任。

4）產學研結合能力：能夠將所學應用于實際工程問題，具備一定的研究和開發能力。

2.2.2 重點任務

為了實現上述目標，需要聚焦以下幾個方面的重點任務。

1）教學內容更新：融入更多跨學科的知識和實例，增強課程的實用性和針對性。

2）教學方法改革：采用項目式學習、案例教學等方式，提高學生的主動參與度。

3）實踐環節強化：增加實驗、實習和科研訓練的機會，提高學生的實踐操作能力。

4）評價體系調整：注重過程評價和綜合評價，鼓勵學生創新和個性發展。

2.2.3 預期效果

1）學生的學習興趣和主動性得到提高，學習效果顯著改善。

2）學生的跨學科素養和創新能力得到有效提升，滿足社會對新工科人才的需求。

3）學生的工程倫理意識和產學研結合能力得到加強，有利于其未來的職業發展。

4）教師的教學水平和教學質量得到提升，推動課程持續改進和發展。

綜上所述，基于新工科理念的地下水數值法課程改革是一項系統工程，需要在目標定位、重點任務和預期效果等方面進行全面考慮和精心設計。這樣才能真正實現課程改革目標，培養符合時代需求的新工科人才。

3地下水數值法教學改革的實施

3.1優化課程內容與結構

為了使地下水數值法課程更具有吸引力和實用性，培養更多優秀的地下水專業人才，從以下幾方面對課程內容與結構進行優化。

3.1.1 整合現有內容

對現有課程內容進行全面梳理，去除重復或過時的部分，使課程更為精煉和高效，確保學生獲得最新的知識和技能。

3.1.2 加強理論聯系實際

增加實際案例分析和討論環節，讓學生更好地理解和應用所學知識，提高解決實際問題的能力。

3.1.3 提高互動性

采用更加生動活潑的教學方式（如小組討論、模擬實驗等），激發學生的興趣和參與度。

3.1.4增加實踐環節

設計更多實踐項目和作業，讓學生親手操作地下水數值模型，加深對概念和方法的理解。

3.1.5 自編教材

根據課程目標和教材對比結果自編教材，以適合當前課程的需求。

3.1.6 添加補充材料

針對某些重要知識點，添加相關拓展閱讀材料、習題集、實驗指導書等，促進學生對知識的深入理解和應用。

通過以上措施，使課程更適應學生的學習需求和行業發展。同時，注重聽取學生和同行的意見與建議，不斷改進和完善課程內容與結構。

3.2創新教學方法與手段

在地下水數值法教學改革中，對教學方法與手段進行創新，旨在提高教學質量和學習效率，激發學生興趣。

3.2.1 情境教學法

設計貼近實際的地下水工程案例，讓學生在解決具體問題的過程中學習數值模擬方法。比如通過模擬地下水污染擴散、水資源開發與管理等場景，使學生在實踐中掌握理論知識。

3.2.2 翻轉課堂

預先錄制高質量視頻教程，講解地下水數值模擬的基本原理和軟件操作步驟，課堂時間則主要用于深度討論、解答疑惑和小組協作。這種翻轉課堂教學模式可以增強師生互動，提高學生學習的積極性和主動性。

3.2.3 虛擬仿真平臺

利用現代化信息技術開發地下水流動的虛擬仿真實驗，讓學生在模擬環境中直觀地觀察和操作，體驗不同參數變化對地下水系統的影響，提高學習的直觀性和趣味性。

3.2.4項目驅動教學

通過“大創”項目和教師的科研項目，讓學生參與真實的地下水數值模擬項目。通過全程參與項目設計、數據收集、模型建立和結果分析，學生不僅可以鍛煉專業技能，而且能夠培養團隊合作和項目管理能力。

3.2.5 在線互動

利用釘釘群組、雨課堂等工具，實現師生實時交流、資源共享和作業提交，不僅便于教師監控學生學習進度并及時給予反饋，還可以促進學生間的互相學習和討論。

3.2.6 跨學科融合

將地下水數值法教學與計算機編程、地理信息系統（GIS）、環境科學等多學科知識相結合，通過跨學科課程模塊開闊學生的知識視野，增強他們的綜合應用能力。

3.2.7 個性化學習路徑

利用雨課堂教學系統對學生的學習情況進行跟蹤分析，為不同基礎和興趣的學生定制個性化學習資源與練習，幫助每個學生按自己的節奏不斷進步。

3.2.8 專家講座

定期邀請地下水領域的專家進行線上或線下講座，以及舉辦數值模擬軟件操作培訓，讓學生接觸最前沿的研究動態和技術。同時，為學生提供與行業專家直接交流的機會。

通過這些創新的教學方法與手段，可以增強地下水數值法課程教學效果，使課程更好地適應現代教育的需求。

3.3改革課程評價體系

構建多元化、動態化、過程性課程評價體系，注重對學生知識掌握、技能應用、創新思維、團隊協作等綜合能力的評價。

3.3.1 多元化評價體系

多元化評價體系強調從多個角度和層面評估學生的表現與成就。

1）知識掌握：通過測驗、考試、作業等形式，考查學生對地下水數值法基本概念、理論和方法的理解與運用。

2）技能應用：組織實驗、項目等活動，評估學生在地下水數值模擬軟件操作、數據分析和結果解釋等方面的實際技能。

3）創新思維：鼓勵學生提出新穎的問題、獨特的觀點和解決方案，在課堂討論、研究報告、學術交流中展現他們的創新精神。

4）團隊協作：通過小組合作案例研究的方式，觀察并評價學生在團隊中的溝通、協調和領導能力。

3.3.2 動態化評價

動態化評價關注學生在整個學期中的學習進程和發展變化，而非僅僅關注他們的期末成績。具體措施如下。

1）連續反饋：定期給予學生個性化的反饋意見，幫助他們了解自己的優點和改進空間。

2）自我反思：引導學生對自己的學習過程進行反思，明確個人目標，制定有效的學習計劃。

3）建立學習檔案：建立學生學習檔案，收集他們在課程中的作品、活動表現和個人陳述等資料，作為評價依據。

3.3.3 過程性評價

過程性評價關注學生的整個學習過程，而不僅僅是最終的結果。具體做法如下。

1）形成性評價：通過日常課堂表現、小組討論、課后作業等途徑，持續評估學生的學習進度和能力提升。

2）參與度評價：考查學生在課堂活動、課外研討、實習實訓等方面的積極參與程度。

3）成長記錄：教師和學生共同記錄學習過程中的重要事件、關鍵發現和寶貴經驗，以便教師更好地理解和評價學生的發展。

4改革成效與反思

4.1改革實施與初步成效

通過上述改革，取得初步成效。

4.1.1 學生學習成績

與改革前相比，改革后學生在考試、作業、上機操作等方面的分數發生明顯變化，學習水平有了顯著提升。

4.1.2教師教學質量

收集學生對教師的教學評價、同行評價和自我評估，發現學生對現在的教學內容、方法等認可度較高。

4.1.3 學生滿意度

對學生開展課堂滿意度調查， 95% 的學生對課程的滿意度極高。同時，通過調查獲取學生對課程改革的反饋和建議，為課程設置的持續優化提供重要參考。

4.1.4 實踐應用能力

通過實習、就業等途徑，追蹤畢業生在地下水數值法領域的實際應用能力和職業發展情況。結果顯示，畢業生對本課程與實踐結合的滿意度很高，充分驗證了改革的有效性。

4.1.5 業界認可度

對地下水數值法領域的畢業生所在單位進行調研，了解用人單位對畢業生在地下水數值法方面的認可程度。調研結果顯示，用人單位對畢業生的表現非常滿意。

4.2 面臨的挑戰與對策

在地下水數值法課程改革過程中也遇到一些挑戰：在教師方面，教師需要改變原有的教學模式和理念，花費大量的時間和精力去重新備課、閱讀文獻等；在教學資源保障方面，需要更多的教學資源支持，包括實驗設備、教學材料、師資培訓等；在教學管理制度適應性方面，在實踐中檢驗改革效果時需要與相關單位進行有效對接等。

為應對這些挑戰，通過開展專業培訓和研討會，幫助教師更新教學理念，提高對改革的認識和接受度；積極尋求校內外資源的支持，加強與其他高校、科研機構的合作，共同推進改革進程；加強與企事業單位的合作，開展產教融合項目，為學生提供實踐平臺，提高他們的就業競爭力。

5 結束語

在新工科背景下，推進地下水數值法教學改革尤為重要。通過對課程內容與結構的優化，改革已經取得初步成果，如強化了理論聯系實際、提高了互動性、增加了實踐環節等。改革措施不僅提升了課程的吸引力和實用性，也有助于培養更多優秀的地下水專業人才。未來需要繼續深化教學改革，不斷探索新的教學理念和方法，引入更多的現代科技手段，如虛擬現實技術、在線學習平臺等，以增強教學效果。同時，應注重培養學生的創新能力和團隊協作精神，以適應新時代的需求。

在新工科背景下，地下水數值法教學改革是一個持續的過程，需要不斷地嘗試、改進和完善，這樣才能培養出具有更強實踐能力、創新能力和國際競爭力的地下水專業人才，為國家和社會的發展貢獻更多的力量。

6參考文獻

[1］劉麗紅，陳孝楊，陳要平．《地下水數值模擬》課程在礦業類大學中教學改革實踐與思考［J].教育教學論壇，2019（38） ：139-140.

[2]陸崢，胡錦華，張圓，等．基于水文集成模型ParFlow的黑河流域下游地下水一地表水相互作用模擬研究[J].安全與環境工程，2021，28（3）：7-15，51.

[3]王志國，薛孟，董芋雙，等，基于裂隙粗糙性表征方法的地熱巖體熱流耦合數值模擬與分析［J].化工學報，2023，74（增刊1）：223-234.

[4]王博.智能優化算法在年降水頻率分布參數估計中的應用研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2020

[5]姚美初.SWAT模型參數的不確定性分析與優化方法及其在石頭口門流域應用[D].長春：吉林大學，2023.

[6]陳先.新型遙感技術在地表參數反演中的應用現狀和潛力[J].四川有色金屬，2023（2）：31-33.

[7]高佳欣，林昱坤，涂耀仁，等．遙感反演技術應用于監測地表水體水質參數的現狀與展望［J].遙感信息，2023，38（6） ：1-14.

[8］陳澤偉，紀莎莎，何黎，等.基于水動力模型與大數據分析的污水干線優化調度策略［J].凈水技術，2024，43（3） ：110-116.

[9]王茜.基于Noah-MP模型的華北平原農田動態陸氣耦合研究[D].武漢：武漢大學，2023.

[10］RABEMAHARITRAPT.基于MODFLOW的土壤地下水鉻污染遷移模擬[D].長沙：中南大學，2022

[11]宣名軒，陳世俊，楊娟，等．深圳后海灣淤泥質海岸沙灘修復研究[J].浙江水利科技，2023，51（6）：31-37.

[12]張莉麗，張耀文，孔慧敏，等．多媒體技術對地下水動力學教學的促進作用［J].中國教育技術裝備，2021（2）：40-42，53.