将三维地质建模融入水文地质课程的教学实践改革*

王益伟 李博 刘埔 褚学伟 段先前

（贵州大学资源与环境工程学院）

水文地质学是一门以地下水为研究对象，以岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水量和水质的时空变化规律为研究主体的学科[1-2]。全国地质和矿业类高校的地质相关专业均开设了水文地质学课程。同时，随着地下水生态环境日益受到关注，环境类相关专业也将其作为选修类课程，加入培养计划。水文地质学在地下水资源的评价、开发与利用以及各种工程建设中起到了极其重要的作用。

水文地质学作为地质学的一门重要分支，在教学过程中需要学生有一定的地质学基础，在构建含水层的概念模型，理解地下水埋藏条件等学科基本概念时，均需要有地质学的储备知识。一般在开设该课程之前，学生都应修完地质学相关课程。然而，如何构架起地质学与水文地质学的知识桥梁，在水文地质教学过程中是一个重要环节。因此，将三维地质建模融入水文地质课程的教学过程中，既有利于学生对先导地质课程的复习，又有利于对水文地质课程的深入理解。

一、三维地质建模融入水文地质课程的教学实践改革

三维地质模型不仅能够全面具体地展现复杂的地质现象与地质过程，而且在地壳稳定性评估、城市规划、重点工程选址以及地下空间开发利用等方面也发挥着重要作用[4-5]。将三维地质建模融入水文地质课程中，既能让学生对水文地质现象有较为直观、形象的认识，同时也能提高学生的空间分析能力。由于将三维地质建模融入水文地质课程的过程中需要采用具体的工程数据，以项目形式展开，这一过程的训练可增强学生的数据分析能力、动手能力及综合解决问题的能力。另外，项目小组共同完成建模学习也有利于培养学生合作及互助的精神。基于以上三维地质建模与水文地质教学结合的优势，以下将从教学设计、教学内容及学生能力训练三个方面进行教学实践改革（如图1）。

图1 实践改革流程图

（一）在水文地质教学设计中融入地质体的三维概念

水文地质学的研究对象是三维空间中的地质体及水体，在传统的教学中，由于教学手段单一，给学生建立的概念往往是一维、二维的概念。然而，随着本学科的不断发展，地质体的三维空间信息将影响我们对地下水赋存及运动规律的认识。因此，在教学设计环节也应该顺应学科要求，建立起三维的概念。本次教改中的教学设计包括前期准备、具体实施及考核三个阶段。

（1）前期准备阶段：①教师准备。梳理出水文地质学中需要用到的基本地质学概念，明确所用到的概念与水文地质学的关系。例如，岩石岩性作为含水层的主要储水介质，不同岩性将对含水层的空间分布、水质变化产生重要的影响构造通常控制了区域地下水的总体流向及赋存空间，不同构造在含水层形成过程中起着不同的作用等。②学生准备。提前将三维地质建模方法的相关课件及建模软件发放给学生，让学生先行学习，学生需要利用已知的二维一维地质数据，通过建模建立起三维地质体的概念。

（2）具体实施：①教师。将每章节梳理出的与水文地质学相关的基本地质学概念作为教案引导部分写入教案，设计三维建模内容，与含水层概念模型章节相结合，一般教材中给出的含水层概念模型多为一维、二维的，将三维模型的概念融入水文地质教学，有利于学生形象地理解含水层的相关概念。②学生。针对引导部分的内容设计提问环节，组织学生分组讨论，并构架起地质学与水文地质学的知识桥梁。

（3）考核：任课教师根据学生在教学开展阶段各方面的综合表现，如课堂出勤和提问情况、数值实验操作情况和实验成果报告等，最终给出学生实验课程成绩并进行评价。由于融入三维地质建模，建模过程需要小组合作，其考核标准中还可引入小组互评的方式，增加考核环节的公平性。最终考核各指标应进行量化，给出相对客观的评价（如表1所示）。

表1 平时成绩打分表

（二）在教学内容中增加三维地质建模内容

在水文地质课程教学中，除了课堂教学及实验教学，还有上机模拟的部分。增加三维地质建模的教学内容，既有利于学生理解含水层的相关概念，又有利于学生在后续课程对地下水动力学及地下水数值模拟等课程的学习。教学内容将增加以下内容：

（1）地质图读图。这是水文地质学的基础课程，多数学校开设主要是针对低年级学生。其先导课程为普通地质学或自然地理学等，尽管学生通过先导课程对地质学的内容有了初步的概念，但学生对地质现象的认识是否有深刻的了解，以及不同学生对该课程掌握的程度难以检验。这无形中增加了教师在讲解水文地质学时学生理解相关问题的难度。通过地质读图的学习，将对学生学习到的内容有一个综合性的复习，检验学生对先导课程的掌握程度，同时也为水文地质的相关学习打下良好的基础，有利于教师在后续课程的讲解中及时调整讲解方式。

（2）地质剖面的绘制。利用地质图上已有的信息，结合计算机制图绘制代表剖面。实际的地质体是一个三维体。通过绘制地质剖面，使学生对地质体在二维空间上的形态有一个形象的认识，这是建立三维地质模型的基础。通过对学生剖面绘制的训练，不仅提高了学生对地质现象的认知，也训练了学生的计算机制图水平。

（3）三维地质建模。虽然学生进行了先导课程的学习，但没有经过野外实习，学生很难对地质现象有深刻的了解，这也增加了理解水文地质学概念的难度。三维地质模型能够全面具体地展现复杂的地质现象与地质过程，通过建模的训练，有利于学生对水文地质学中的基本概念加强理解。图2展示了采用三维地质建模手段所获得的地下河形态，图3展示了采用三维地质建模手段所获得的含水层结构。

图2 采用三维地质建模手段所获得的地下河形态

图3 采用三维地质建模手段所获得的含水层结构

（三）以三维地质建模为依托，提高学生的能力训练

（1）培养学生的空间想象力。水文地质学的主要研究对象为三维地质体，只通过教师对概念的文字讲解及图片展示很难给学生建立起三维地质体的形象，通过三维地质建模训练，可以逐步训练学生将常见的一维二维数据与真实的三维空间中的地质体联系起来。

（2）采用项目式教学模块，提高学生兴趣，增强学生解决实际问题的能力。当开展三维建模训练的时候，需要依赖一个具体的场地或者一个具体项目，学生完成建模的过程实际就是完成了一个完整的项目，需要经历建模模方案设计、数据收集、基本资料处理、建模方法选择、完成建模等流程，在这个完整的过程中，将培养学生独立思考、分析解决问题的能力。

（3）学习并掌握数值软件的使用，培养学生的计算机应用能力。提升大学生的现代工程意识、实践能力及核心竞争力，是工程应用型院校学生培养的重要目标。应社会发展需要，计算机应用能力将是一个需要重点培养的能力。通过在课程中融入建模训练，不仅能学会单一软件的应用，也能培养出学生利用计算机技术解决实际问题的能力。

二、结束语

水文地质学作为地质学的一门分支，培养学生对地质体的三维空间理解能力，是掌握水文地质学的重要基础。同时，随着本学科的不断发展，地质体的三维空间信息将影响我们对地下水赋存及运动规律的认识。因此，顺应学科发展需求，将三维地质建模融入水文地质学教学过程中，不仅丰富了水文地质学的教学内容，也提高了学生应对实际问题的分析能力和综合设计水平。