室内—野外—虚拟仿真混合教学探索与思考——以“地下水动力学”抽水试验为例

张晓博，刘延锋，成建梅

（中国地质大学〔武汉〕 环境学院，湖北 武汉 430074）

“地下水动力学”是针对地下水科学与工程专业和水文与水资源工程专业开设的一门以达西定律为理论基础，研究地下水在多空介质中运动规律的学科［1-2］。由于“地下水动力学”课本中涉及了大量、复杂的推导数学公式的过程，使得一些数学基础薄弱的学生在感到晦涩难懂［3］，难以掌握课程的核心内容，更无法将课程理论运用于工程实践，无法达到良好的教学效果。因此，“地下水动力学”课程的实践性决定了其在理论教学过程中必须辅以物理模型基础实验，使学生更加深入地掌握地下水动力学理论。

裘布依型潜水稳定流井流实验和抽水试验是“地下水动力学”实验中的重要内容，也是最为接近实际地下水工程问题的基础实验，它能够帮助学生更好地理解地下水向井的运动规律，以及掌握获取野外含水层水动力参数的方法。随着数字化进程的加快，三维虚拟仿真实验平台的开发为现代化教学提供了技术支持，虚拟实验室在实验教学方面所呈现出的重要作用受到普遍重视［4-5］，其优势包括高效、开放、真实和经济。开发野外含水层抽水试验虚拟仿真系统能够弥补现实教学条件的不足，优化实验教学体系，保障教学质量，是新工科建设的重要一环。因此，本文以“地下水动力学”抽水试验为例，重点探讨了室内—野外—虚拟仿真混合教学模式对现代化教学的重要意义。

一、单一实验教学模式存在的问题

（一）裘布依型潜水稳定流井流实验

“地下水动力学”所涉及的地下水向井运动规律的实验主要包括室内裘布依型潜水稳定流井流实验和野外非稳定抽水试验，由于野外试验场地的限制，很多高校在“地下水动力学”的实验教学大纲中仅安排了裘布依型潜水稳定流井流实验。其实验装置主体是一个圆心角为30°的扇形渗流砂槽［6-7］，该装置所模拟的是一个圆岛潜水含水层，圆岛外侧具有定水头补给边界，中心设置有一口恒定流量的抽水井。利用该实验装置，可以让学生观察圆形定水头边界潜水井流的水动力现象，并利用实验资料求出含水层的渗透系数。

该实验装置的优点在于结构简单，方便制作，占地面积不大，因此，可用作室内实验课程教学。其后壁的测压管可以实时监测不同深度点位的水头值，通过这些点位的测压水头值可以绘制地下水向井运动的流网和水头线，从而让学生直观地了解和掌握地下水向井的运动规律。该实验装置也存在一定的局限性。首先，该模型为有限含水层，其含水介质是粒径均匀的砂粒，补给水头和补给半径恒定的条件过于理想，与实际情况相差较大。其次，室内物理模型只是简化后的理想模型，其仅能实现裘布依型潜水稳定流井流实验教学，而无法满足无限含水层中单个定流量的抽水试验，学生也很难了解实际水文地质工程中所开展的抽水试验及野外含水层的求参方法。

（二）野外非稳定流抽水试验

非稳定流抽水试验是指在抽水钻孔中仅保持水量稳定并使水位不断改变，或仅保持水位稳定使水量不断改变。非稳定抽水试验的目的是用人工控制的方法使钻孔周围含水层中发生地下水的非稳定运动，在抽水井附近的不同距离处布设多个观测井，并利用人工或自动监测的手段，记录观测井中水位降深随时间的变化数据，该实测数据通过相应的抽水试验模型计算值的拟合过程，即可测求含水层的导水系数（T）、渗透系数（K）和释水系数（S）［8-9］。

抽水试验是综合性教学内容，需要学生相互协同配合，开展野外抽水试验的前提是建设一个试验场地，包含一口抽水井和至少一口观测井，同时需要配备汽油发电机、深井潜水泵、地下水三参数探头、流量计、水位尺和电脑，相比于室内裘布依井流实验，抽水试验更加注重实际应用，能够培养学生的动力操作能力及分工合作意识。除此之外，学生可以通过抽水试验接触与实际水文地质工程相关的工作，了解地下水监测的手段，达到产—学—研相结合的目的。同时，抽水试验的工程性质决定了其不利于在高校教学中推广。首先，野外试验场地的建设需要做好详细的水文地质调查工作，对抽水井所揭露的含水层类型（承压含水层、越流含水层、潜水含水层等），以及抽水井（完整井，非完整井）是否完整揭露了整个含水层等因素进行充分调研。其次，野外场地的征用要与相关部门做好协商。工程施工期间是否对农田及林业有所破坏，钻井施工完成后，除了用于教学外，当地居民的使用及钻井的日常维护工作如何落实，等等，都需要有详细的论证报告。最后，场地建设的资金投入需要高校自己解决。因此，很多开设“地下水动力学”课程的高校因场地或经费的限制没有安排野外抽水试验的教学内容，这对实践性较强的“地下水动力学”课程来说，无法达到最佳的教学效果。

（三）野外含水层抽水试验虚拟仿真系统

抽水试验虚拟仿真系统是基于C/S模式下的抽水试验实现B/S模式下的相应功能，具有相应的数据接口和图形可视化功能，利用组件式含水层、自计水位计等设备设计多种虚拟抽水试验情景来还原真实的野外抽水试验场景，使学生更加深入地理解水文地质条件，掌握抽水试验的设计和利用抽水试验数据获取水文地质参数的过程，为后期地质工作提供理论及实践技能［10］。

虚拟仿真系统的优势在于能够与其他学科虚拟实验室之间加强合作，实现优势互补。使用者不但能从实验过程中获取实验信息，而且能根据实验信息的变化修正实验环境和性能，更好地进行实验。随着三维技术和三维视觉技术的发展，使得虚拟实验环境更加接近实际，实验者感觉更真实，如同身临其境，从而提高了实验效率。然而，虚拟仿真系统并不能完全替代传统的野外抽水试验教学，虚拟环境教学和现实环境教学之间应该相互补充与配合，尽管虚拟仿真平台能够完成不同条件下的抽水试验，但是实际的野外操作会让学生对抽水试验有更加深刻的认识。

二、室内—野外—虚拟仿真混合教学探索

抽水试验分别涉及室内裘布依型潜水稳定流井流实验、野外非稳定流抽水试验和野外含水层抽水试验虚拟仿真系统，这三种实验教学模式分别有各自的优缺点，如果只采用其中一种模式进行实验教学，无法得到理想的效果，学生对抽水试验的认知也会存在欠缺。因此，中国地质大学（武汉）针对“地下水动力学”课程的实验教学进行了改革，探索抽水试验的室内—野外—虚拟仿真混合教学模式。

（一）野外试验场建设

野外试验场是以教学为目的的试验场地，旨在加强学生的实践经验和动手能力等。中国地质大学（武汉）的地下水动力学实验教学和科研工作一直处于国内领先水平。中国地质大学（武汉）环境学院于2019年7—8月搬迁至未来城校区，针对该课程的实验设备，如裘布依型稳定流井流实验仪等进行了全面的更新升级，实验室面积118 m2，能够满足每年10个班的本科生室内实验教学。然而，随着学科内容的发展、各项技术的应用推广及专业培养需求的日益完善，当前的室内实验教学内容单一，已无法满足实际的教学需求。未来城校区目前没有地下水钻井可供实验教学使用，课程实验大纲也没有设置非稳定流抽水试验。为了使学生更好地掌握“地下水动力学”课程，开展野外抽水试验必不可少，因此，中国地质大学（武汉）于2021年12月委托钻井施工单位在未来城校区南门附近钻探监测井，钻井位于二叠系灰岩含水层上。钻井项目于2022年1月完成施工，包含1个主井（深度75米）和2个观测井（深度50米），水位埋深在30米左右，水量中等。通过开展的多次单孔和多孔抽水试验，认为场地满足开展野外各类抽水和示踪试验教学的需要。野外试验场地的成功建设能够增加系列开放性实验内容和课程设计内容，为学生提供更多的实验和实习机会，促进“地下水动力学”国家一流课程建设。

（二）抽水试验虚拟仿真系统建设

在水文地质领域中，抽水试验被广泛用于获取野外含水层的水动力参数、评估含水层的富水性、基坑或矿坑的涌水量等。由于经费有限，课程学时有限，不论是现有的室内抽水试验装置，还是野外抽水试验装置，往往比较单一。例如，单层单井承压含水层只有一套装置，不利于分组学习。

“地下水动力学”抽水试验的类型比较多（多层、多孔等），学习该课程的人数也较多。受试验场地的条件限制，复杂的抽水试验的学习内容只能由教师描述性地介绍，难以满足学生体验从基本的实验技能到深入探索实验，再到研究性实验全过程的需求，严重影响了实验的教学效果，因此急需将先进的抽水试验虚拟仿真系统引入教学。

野外含水层抽水试验虚拟仿真系统针对实际勘查工作中水文地质条件多样性与试验场地水文地质条件单一的矛盾，通过数值模拟技术和虚拟仿真开展不同场景的抽水试验，设置先易后难、先简单后复杂的试验，促进学生对抽水试验原理的理解和运用，增强学生分析、解决问题的能力。教师在虚拟试验场景中设置地层、水文地质参数和水头边界，给学生设置试验考试内容，学生自己通过编写抽水试验方案，观测数据，利用所测数据给出计算方法和水文地质参数，编写出完整的试验报告。

三、室内—野外—虚拟仿真混合教学的优势

单一的教学模式往往无法达到理想的教学效果，室内抽水试验只能满足裘布依型潜水稳定流井流实验的教学，并且实验条件固定，无法进行多小组差异化分析。野外非稳定流抽水试验由于实际地质条件复杂，含水层系统结构不明确，地下水受实际影响因素很多，抽水试验结果往往不能统一，因此，野外抽水试验更偏向于实际应用。

虚拟仿真系统是实验教学的补充，虽然其功能多样，但不能替代传统实验教学，因此需要建立针对“地下水动力学”抽水试验的室内—野外—虚拟仿真混合教学模式，该模式有以下几个优势：（1）完善“地下水动力学”的实验教学体系。目前，中国地质大学（武汉）已有的实验课程均在室内开展，室内—野外—虚拟仿真混合教学模式的建立能够使课程内容更加丰富，为课程建设增加特色教学形式，保持中国地质大学（武汉）“地下水动力学”课程在全国的领先地位。（2）增强课程的实践性。在混合教学模式下，学生能够体验不同形式的抽水试验，既能够学习理想条件下的地下水向井运动规律，又能了解实际水文地质工程中的抽水试验求参过程，还能在虚拟仿真平台上学习多种复杂情况的抽水试验。（3）实现传统教学、实践教学和现代化教学的统一。传统的室内抽水试验教学是学生掌握基础理论的必要条件，实践教学能够培养学生的动手能力，而现代化教学则能通过信息技术手段使学生直观、深入地学习抽水试验。

结语

抽水试验是“地下水动力学”课程的重要实验内容之一，单一的教学模式无法满足日益提高的教学要求，本文对野外含水层抽水试验的室内—野外—虚拟仿真混合教学模式的探索具有前瞻性，该教学模式能够充分发挥专业优势，培养新时代、新工科背景下的水文地质工作者，为社会输送高质量的人才，同时，该模式的建立可供其他高校相关专业课程借鉴。