水文地球化学课程面临的问题与挑战

孙红福 颜瑞雯

中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院 北京 100083

1938年初由苏联著名水文地质学家奥弗琴尼科夫首次提出了“水文地球化学”这一术语，到20世纪50年代成为一门独立的学科。20世纪80年代，我国的水文地球化学研究也蓬勃发展，出版了一系列专著。目前我国许多高校开设了水文地球化学课程，这门课程主要研究地下水水质随时间和空间的演变规律，对于地下水的研究是其他课程不能替代的。该课程相关的教研文章和教学研讨非常少。随着水文地球化学学科的不断发展以及我国高等教育改革的深化，水文地球化学课程也面临一系列的问题和挑战，只有面对和解决这些问题才能更好地促进水文地球化学的发展。

1 教材问题

水文地球化学课程教学面临严峻的教材问题。水文地球化学这门科学是从原苏联引入并发展壮大的，20世纪70年代以来，热力学被引入到水文地球化学的研究中，并对水文地球化学的发展起巨大的推动作用；但欧美国家并没有对应的英文专著和教材，只有水化学相关的著作。目前我国已经出版的相关著作包括沈照理等编著的《水文地球化学基础》[1]、李学礼等编著的《水文地球化学》(第三版)[2]、钱会和马致远编著的《水文地球化学》[3]、周福俊等编著的《水文地球化学》[4]等；这些教材的内容各有侧重，并且均已不再出版印刷，因此高校无法通过出版社购买这些教材。《水化学》和《水环境化学》均有合适的教材，但它们与《水文地球化学》的教学内容存在较大差异，无法取代《水文地球化学》。因此，为了促进水文地球化学的发展，亟须编写和出版适合本科教学的高质量的教材。

2 教学内容和学时

我国高等教育改革要求适当减少课堂讲授学时，加大实践教学环节比例。然而水文地球化学课程涵盖的内容很多，包括水化学基础、地下水的无机化学成分、地下水中有机物质及其地球化学意义、同位素水文地球化学、地下水化学成分的形成及其影响因素、元素在地下水中的迁移和沉淀、地下水的水文地球化学分带、地下热水的水化学特征、水的地球化学循环、水文地球化学的研究方法、水文地球化学模拟、地下水污染防治、水文地球化学应用等内容。每个章节都可以自成一门独立的课程，如何在有限的学时内完成水文地球化学的核心重点内容的讲授是该课程面临的第二个挑战。因此，需要任课教师根据教学目标认真筛选教学内容，合理分配学时，精心设计每堂课的教学过程，改革教学方法，才能达到我国高等教育改革的目的。

3 教师能力

由于水文地球化学课程涉及内容广泛，授课教师不仅需要具备水文地质学、地球化学、无机化学、有机化学、同位素化学、分析化学、软件模拟等相关专业知识，而且需要从事过相关的工程实践，才能更好地提升学生解决工程问题的能力。所以这门课程对授课教师的要求非常高。如果一个教师独立讲授比较吃力，也可以让不同知识专长的教师共同讲授这门课程。

水文地球化学课程中涉及大量水化学的基础原理，对于公式推导等理论部分很容易使学生感觉索然无趣。如何才能提升学生的学习兴趣也是面临的挑战之一。为了提高学生的专注力和学习兴趣，可以在基础理论的后面添加该理论的工程应用案例，使基础理论得到升华，例如在溶解沉淀理论最后可以增加水处理中如何应用该原理提高处理效率内容；在讲解络合理论时可以增加阻垢剂的原理内容，既能启发学生的思维，也能提高学生的学习兴趣。

4 课程特色

水文地球化学课程内容繁杂，不可能面面俱到，特别是水文地球化学应用部分，不同学校应该根据自己的行业特色准确定位课程特色，增加相应的工程案例，使学生能够具备解决本行业复杂工程问题的能力。如东华理工大学的水文地球化学课程侧重于铀矿的勘探和研究；长安大学开设的水文地球化学课程侧重于地下水污染运移和修复研究。中国矿业大学(北京)开设的水文地球化学课程侧重煤矿巷道突水水源判别的相关研究，这也是该课程在煤矿生产中最直接、最重要的应用领域，因此应在课程中涉及大量的煤矿突水水源判别的工程案例以及研究进展。

5 学生思维和能力的培养

在课程的讲授过程中，教师不仅要给学生灌输专业知识，更重要的是培养学生复杂性和系统性的思维方式[5]以及解决复杂水文地球化学问题的能力。水文地球化学主要研究地下水水质随时间和空间的演变规律，而地下水系统是往往经历漫长的地质年代演化，并由多个含水层构成的复杂系统。对于地下水系统规模宏大，收集的水文地质资料、水化学资料往往是零星的、不完整的资料，而在实际的研究中需要利用这些仅有的资料推断研究区内发生的各种水文地球化学过程和地下水的演化历史，如果不用系统性和复杂性的思维方式进行推理，考虑问题不够全面，很容易推断出错误的结论。因此需要培养学生复杂性和系统性的思维方式，才能更好地解决各种水文地球化学问题。

6 课程衔接问题

课程的衔接非常重要[6]，水文地球化学课程要求学生在上课之前具备一定的专业基础知识，需要先修完大学化学或普通化学、岩石学、普通地质学、构造地质学、水文地质学等基础课程。对于大学化学课程，学生一定较好地掌握热力学和水溶液中的离子平衡两个章节的内容，这两个章节跟水文地球化学课程息息相关。普通地质学、构造地质学和岩石学是地质类基础课程，地质条件、地质构造和岩石组成都是影响地下水演化过程的重要因素，对地下水的研究不能脱离其所在的地质环境。水文地质学基础课程中也会涉及一些水文地球化学课程的内容，因此这两门课程的教师要进行教学研讨，做到相互兼顾、避免重复讲解。

7 实践教学环节

水文地球化学课程的实践教学环节包括：(1)水文地球化学模拟软件的实践；(2)地下水样品的采集和测试实验；(3)水质资料的检验和处理；(4)其他工程案例分析。常用的水文地球化学模拟软件包括AqQA和PHREEQC，其中AqQA为水化学模拟软件，可以绘制Piper三线图、柱状图、饼图、多边形图等多种图件，具有简单的数据检验和分析功能。PHREEQC软件是美国地质调查局开发的一款免费的水文地球化学模拟软件，不涉及版权问题，非常适合作为教学软件，该软件具有强大的分析和模拟功能，包括矿物饱和度计算、水的混合、正向过程模拟和反向过程模拟等多种模拟功能。另外，可以带领学生采集地下水水样，并对水样的常规指标进行测试，如pH、Eh、电导率、TDS等参数，如果实验条件允许，也可以测试水样的阴阳离子浓度。为学生提供一批水质数据，让学生根据所学的知识对这些水质数据进行可靠性检验，并对检验的水质数据利用多种方法进行分析处理。实践教学环节需要任课教师具有很好的工程实践和科研背景，能够为学生提供大量的工程案例素材、水质资料和软件模拟应用。

8 结语

水文地球化学课程是水文地质和工程地质专业的必修课，但该课程在开设过程中面临诸多的问题和挑战。为了促进水文地球化学课程和学科的不断发展，需要相关的教师和专家将我国高等教育改革需求与水文地球化学学科建设紧密结合起来，尽快编写和出版适合本科教学的高质量的教材，并结合行业特色和需求准确定位课程特色；根据课程特色和课程目标压缩不必要的理论学时，并增加工程案例和实践教学环节；在传授专业知识的同时，兼顾培养学生的水文地球化学思维和解决复杂水文地球化学问题的能力。此外，为了达到理想的教学效果，任课教师需要与时俱进，不断提高自身的专业水平和能力，注重课程之间的衔接，增加与同行的教学研讨。