专业实验对地下水动力学教学的促进作用

[摘 要]地下水动力学专业实验是地下水动力学理论教学体系的进一步验证和扩展，对学生的综合能力培养起着至关重要的作用，学生在参加专业实验的实践过程中能够獲取专业知识并培养专业能力。文章以防灾科技学院地下水科学与工程专业实验为基础，结合目前的行业需求有目的地进行实验教学，使理论知识与实验教学体系能够有机地融合，在实践中取得了良好的教学效果。

[关键词]地下水动力学；地下水科学与工程；专业实验；室内试验；抽水试验

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）11-0092-03

地下水动力学课程在地下水科学与工程专业的人才培养方案中，是继水文地质学基础课程之后开设的专业基础课之一，同时本门课程也是地下水科学与工程专业考研必考的专业课之一。开设地下水动力学这门课程的主要目的是使学生系统掌握地下水运动的基本理论，运用基本理论分析水文地质问题，建立相应的数学模型，提出适当的计算方法或模拟方法，对地下水进行定量评价。通过本门课程的学习，为学生进一步学习本专业的课程打下良好的基础，并为以后的专业工作奠定坚实的基础。

但是地下水动力学这门课程的知识面涉及广泛，主要的基础知识涉及地质学、地貌及第四纪地质学、水文地质学基础、应用数学及数学物理方程、水力学等课程，它的先修课程有高等数学、线性代数、概率论与数理统计、复变函数与积分变换、水文地质学基础、水力学等，它们为地下水流运动方程及数学模型的建立和求解打下了基础。同时，通过本门课程的讲授，如Jacob直线法、标准曲线配比法等求水文地质学参数的方法，是后续开设的地下水科学与工程专业生产实习课程中野外抽水试验求参的主要方法，是地下水流数值模拟的建模基础。此外，地下水向各种不同水文地质条件下含水层的运动计算，也是专门水文地质学课程中水资源评价的前提和基础。地下水动力学课程的开设对地下水科学与工程专业知识的衔接起到了承上启下的作用。

由此可见，地下水动力学课程在地下水科学与工程专业的人才培养方案和专业课程体系中的地位非常重要，根据理论与实践相结合的原则，必须配备专门的实验以及实践教学课程来支撑该门课程的教学。本文将从实验以及实践教学的必要性、实验以及实践教学在专业人才培养中的作用、实验教学平台建设这三方面来论述地下水科学与工程专业实验教学对地下水动力学教学的促进作用。

一、实验教学开展的必要性

地下水动力学是一门实践性很强的基础学科课程，目前开设该门课程的大专院校大都以教师讲授的理论教学为主，缺乏室内外的专门实验教学[1-5]。防灾科技学院根据人才培养方案及地下水动力学的教学内容设计了一系列的专业实验。这些实验包括潜水模拟实验、承压水模拟实验、达西渗流实验、绕坝渗流实验、地下分水岭实验、间歇泉成因实验、入渗及地下水渗流实验、坝下渗流实验渗水试验以及抽水试验。除抽水试验外，其他实验均在正常教学周内完成。由于抽水试验耗时较长，占用场地较大，所以该实验通常在大学三年级的暑期小学期开设，抽水试验教学基地的建设及运行可夯实学生的专业理论基础，对在地下水动力学等课程中所学知识进行验证和深化，对学生理解专业知识、深化专业能力起着承上启下的衔接作用。关于防灾科技学院地下水科学与工程专业抽水试验教学的详细内容可见参考文献[6]。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》要求 “加强实验室、校内外实习基地、课程教材等教学基本建设，强化实践教学环节”。苏联的水文地质人才培养的一个重要实践环节就是夏令训练营，在训练营里学生大都可以学到地质填图和基础的水文测量等[7]。在日本，学生的地质知识主要来自经常性的、有组织的野外活动[8]。加拿大和美国的高校都十分重视教学实验室建设并随时向学生开放[9]。德国的高等地质教育实习时间长，并且非常严格，学生的实习必须有记录和有关人员的签字，经认可方能有效，否则必须重做[10]。在英国，学生实习学时占据课内教学时数的5%左右，实习课和野外教学活动占有较大比重[11-12]。我国的大学也特别重视实践教学环节，因为这不但可以培养学生综合分析问题和解决问题的能力，还可以培养学生的团队合作精神，为学生将来的工作奠定基础[13-18]。国内外高校的这些教育模式说明，实验以及实践教学是培养人才不可或缺的途径。

二、实验教学在专业人才培养中的作用

实验教学包括室内实验和室外实验。室内实验相对来说时间较短，比如潜水模拟实验。该实验的目的是使学生熟悉与潜水有关的基本概念，形成对潜水补给、径流、排泄的感性认识，培养运用达西定律及利用流网分析水文地质问题的能力。实验采用分析讨论与观察模拟现象相结合的方式，因此要求学生针对提出的问题进行分析讨论，积极思考，在此基础上带着讨论中的结论及疑难进行模拟演示，从而加深对问题的理解。上课时，学生先熟悉潜水演示仪的装置及功能，然后进行地表径流的实验，观察潜水面形状及流线特征，观测地下分水岭的偏移，最后根据实验获得的资料，绘制断面的剖面流网，分析分水岭的存在、偏移和消失需具备哪些条件，分析在什么条件下会存在地下分水岭，它们与径流系统有何关系，对比课堂上、书本上的相关内容，看实验与理论是否一致。这样学生就把抽象的理论知识同具体的实践知识联系起来了。

室外实验时间较长，实践场地较大，比如抽水试验。通过抽水试验，可以培养学生的动手能力、团队合作能力、应急处理事故数据的能力以及对参数计算方法运用的综合能力等。

综上所述，实验教学在专业人才培养的过程中有不可忽视的作用。

三、实验教学平台建设

防灾科技学院实验教学平台的建设包括专门实验室建设和实践教学基地建设。专门实验室就是室内试验的教学场地，地下水科学与工程专业实验室是目前地下水动力学实验教学的主要教学平台。目前设有5个实验室，包括地下水动力学实验室、地下水动力学板房实验室、地下水污染控制与修复模拟实验室、水化学分析实验室及同位素水文地球化学实验室，总建筑面积约500m2，配备有达西仪、土柱仪、地下水流运动模拟物理模型、雷诺实验演示装置、能量方程演示装置、局部水头损失演示装置、液相色谱仪、气相色谱仪、离子色谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、总有机碳分析仪、液质联用仪、气质联用仪、原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪等仪器设备。实验室在满足实验教学需要的同时，还为大学生科技创新项目、开放实践项目、本科生毕业实践和教科研项目提供实践平台。

防灾科技学院实践教学基地位于河北省秦皇岛市柳江盆地，属石门寨镇管辖。南起黑山窑村，北至义院口长城脚下，长约15km；东起张崖子村，西至伍庄—山羊寨一带，宽约12km，总面积约180km2。盆地中心南距秦皇島市23km，由秦皇岛市区开来的班车通往盆地内各村寨，青秦铁路纵贯盆地中部，交通较为便利。

实验教学分为4个阶段，6周时间。第1阶段为地质实习阶段。学生通过野外路线的观察，了解秦皇岛柳江盆地实习区的地形、地貌、地层、构造、岩石等方面的内容，加深对岩浆作用、构造运动、地下水的地质作用等基本理论知识的认识，同时锻炼野外工作方法和技能，为水文地质路线实习奠定基础。如张岩子—东部落地质路线，通过该路线的实习，可以让学生掌握结晶基底新太古界钾长花岗岩岩性，掌握新元古界青白口系长龙山组和景儿峪组、古生界寒武系府君山组地层岩性。学生在野外需要完成以下学习任务：（1）观察并描述新太古界钾长花岗岩岩性。（2）描述钾长花岗和上覆地层的接触关系。（3）观察并描述新元古界青白口系长龙山组和景儿峪组、古生界寒武系府君山组地层。（4）描述侵入体岩性。（5）观察寒武系府君山组灰岩的岩溶发育情况。（6）绘制张岩子村西钾长花岗岩与上覆石英砂岩接触关系图。（7）绘制东部落寒武系府君山组地层与侵入岩体接触关系图。（8）绘制张岩子—东部落地层随手剖面图。教师可以引导学生讨论花岗岩、页岩、灰岩水文地质意义，府君山组灰岩的岩溶发育规律，东部落泉水出露的水文地质条件等问题，为后续水文地质路线实习奠定基础。

第2阶段为水文地质实习阶段。学生通过野外现场调查及测绘，了解研究区的水文地质条件，掌握不同地形地貌条件下孔隙水、裂隙水、岩溶水的形成、赋存及变化特征的分析方法和思路，熟悉和掌握水文地质参数的测定方法及参数的影响因素，掌握地表水主要水文及水利特征的分析计算方法。比如亮甲山奥陶系下统灰岩岩溶裂隙水形成条件与富集规律实习路线。通过该路线的实习，学生可以认识奥陶系下统灰岩岩溶发育条件及发育规律，了解奥灰岩裂隙水储存、运动和富集的特点及形成较大供水水源地的条件。学生需要完成以下学习任务：（1）在石门寨北沿亮甲山东坡坡脚观察灰岩节理、裂隙发育状况，溶蚀程度及充填程度。（2）观察亮甲山下溶洞发育情况并分析其发育的条件。（3）观察辉绿岩床及岩脉的岩性、产状及其与岩溶发育及岩溶水富集的关系。（4）调查亮甲山下6口机井的分布位置，所处的地形地貌及地质部位，并分析其地下水富集条件；绘制亮甲山水源地机井分布平面图。（5）调查机井的井深、地层剖面、水质、水量及开采动态。（6）绘制亮甲山组灰岩垂向溶蚀素描图。（7）绘制亮甲山组灰岩与辉绿岩接触关系图。（8）绘制亮甲山附近的水文地质平面（1∶2000）及剖面图。（9）编制《亮甲山水源地灰岩岩溶裂隙水富集规律分析报告》。教师可以引导学生探讨以下问题：（1）奥陶系下统灰岩裂隙岩溶水的形成与富集条件与规律是什么？（2）形成大中型供水水源地应具备的条件是什么？（3）亮甲山下供水井的布置是否合理，为什么？这样把课堂上学习的专业知识与实际生产生活联系到一起，让学生更有学习的主动性与积极性。

第3阶段为独立测绘阶段。学生以小组为单位，独立进行水文地质测绘和水资源调查，测绘面积为40km2-60km2，通过野外调查工作，掌握地下水资料调查的主要工作内容和工作手段，独立完成水文地质调查及水文地质填图，目的是在地质、水文地质实习的基础上，由学生独立安排并完成研究区的水文与水文地质测绘工作，进一步掌握各种类型地下水以及地表水的野外调查方法、调查程序和主要调查内容，培养学生野外发现问题和解决问题的实际工作能力。学生需要完成以下学习任务：（1）独立进行水文地质测绘，包括孔隙水区的水文地质测绘、岩溶区的水文地质测绘、基岩裂隙水区的水文地质测绘、碎屑岩类孔隙裂隙水区的水文地质测绘以及环境水文地质测绘。（2）测绘面积40km2-60km2，每日填写水井、泉、地貌等调查记录表。（3）根据实际测绘资料绘制实际材料图以及综合水文地质图。

第4阶段为编绘图件、撰写报告阶段。该阶段学生利用野外实际调查获取的第一手资料，结合收集的各种已有资料，在室内对各种资料进行成果整编工作，编制《地下水科学与工程专业生产实习水文地质调查报告》及相应附图、附表。

综上所述，室内专门实验室和实践教学基地的建设丰富完善了本专业实践教学体系，改善了专业教学条件，为培养具有较强专业素养的地下水科学与工程人才提供了根本性的保障。

四、结论

专业实验是地下水科学与工程专业地下水动力学课程实践教学体系中必不可少的组成部分之一，对专业人才的培养具有重要的意义。包括室内实验、室外实验和实践教学基地实习试验教学的开展，对于学生能力与团队合作精神的培养具有重要的意义。在防灾科技学院地下水科学与工程专业人才实验教学过程中，总结了实验教学的思路，并根据行业的需求以及专业发展趋势进行了教学内容选择，使理论与实践教学体系完美融合，取得了较好的教学效果，提高了专业人才培养的质量。

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[责任编辑：庞丹丹]

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