罗建男 辛欣
摘要:自“新工科”提出以来,引起了高等教育界的广泛重视。作为传统工科地下水科学与工程及水文与水资源工程专业的核心专业课程,《地下水动力学》课程急需做出改革,以适应新工科的要求。该文从《地下水动力学》的课程特点出发,针对教育部提出的新工科理念,结合多年的教学经验,对《地下水动力学》课程教学中存在的问题进行深入分析。针对课程教学中所存在的问题,提出了优化教学内容、丰富教学手段、创新教学环节、优化考核方式等具体的教学改革的具体措施,力图提高《地下水动力学》的教学效果,提高学生的工程实践能力。
关键词:地下水动力学新工科教学改革教学内容教学手段
中图分类号:G642文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2022)05(a)-0000-00
Teaching Reform of Groundwater Dynamics Course Based on New Engineering Education Concept
LUO Jiannan*XIN Xin
College of New Energy and Environment, Jilin University, Changchun, Jilin Province 130012, China
Abstract: The new concept of "New Engineering education" has attracted wide attention from higher education field. As the main professional course of groundwater science and engineering, and hydrology and water resources engineering, which are traditional engineering education, the course of Groundwater Dynamics is in urgent need of reform to meet the requirements of new engineering education. Based on the characteristics of the course of Groundwater Dynamics, aiming at the new engineering education concept, and combined with many years of teaching experience, this paper makes an in-depth analysis of the problems existing in the teaching of Groundwater Dynamics. In view of the problems existing in the course teaching, this paper proposes some concrete measures of teaching reform, such as optimizing teaching contents, enriching teaching methods, innovating teaching links and optimizing examination methods, in an effort to improve the teaching effect of Groundwater Dynamics and improve engineering practice ability of the students.
Key Words: Groundwater dynamics; New engineering education; Teaching reforms; Teaching contents; Teaching means
2017年,教育部針对“新工科”问题组织高校进行了深入讨论,先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”,发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》,奏响了人才培养主旋律,开拓了工程教育 改革新路径。与老工科相比,“新工科”更强调学科的实用性、交叉性与综合性。
自“新工科”提出以来,引起了高等教育界的广泛重视,新能源科学与工程、资源循环科学与工程、机器人科学与工程、人工智能等一大批新专业开始在高校设立。新工科的建设不仅包括新兴专业,还包括传统工科专业的升级与改造,传统工科通过多年的积累,在师资队伍、课程体系、实践基地、社会影响力等方面均有明显的优势,但囿于“路径依赖”,传统工科专业改造升级成为新工科建设的重点和难点。“新工科”的提出,引起了采矿工程、冶金工程、车辆工科[6]等大批传统工科的高度的重视。
新工科的内涵是以立德树人为引领,以应对变化、塑造未来为建设理念,以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径,培养未来多元化、创新型卓越工程人才,具有战略型、创新性、系统化、开放式的特点。作为传统工科地下水科学与工程及水文与水资源工程专业的核心专业课程,《地下水动力学》课程急需做出改革,以适应新工科的要求,应对国家之所需。
该文将从《地下水动力学》课程特点出发,结合新工科理念,对《地下水动力学》课程教学中存在的问题展开研究,提出具体的改革措施,力图提高该课程的教学效果。
1《地下水动力学》课程教学研究现状
《地下水动力学》是水文与水资源工程、地下水科学与工程专业开设的主干专业课,是研究地下水在多孔介质中运动规律的科学,是对地下水从数量上和质量上进行定量评价和合理开发利用,以及兴利除害的理论基础。《地下水动力学》课程涉及大量的数学模型、微积分方程和数值计算方法,是一门难度较大且在工程技术领域非常实用的专业课程。在水文与水资源工程及地下水科学与工程专业人才培养中起到重要的作用。
近10年来,一些高校陆续开展了《地下水动力学》课程的教学改革研究。2010年,文章以中国地质大学(武汉)为例,从实验设备、教学模式等方面对《地下水动力学》课程进行了教学改革与实践[1]。2016年,郑德凤等以辽宁师范大学为例,从启发式教学及数值仿真等方面对《地下水动力学》课程进行了教学模式改革与实践[2]。2017年,霍思远等以长江大学为例,对地下水动力学的考试形式及内容进行了改革探索 。2021年,刘博等对地下水动力学的可视化教学问题进行了探索研究。但面对新工科新形式的《地下水动力学》课程教学改革研究还鲜有文献报道。
自1952年设立水文地质专业开始,《地下水动力学》就成为长春地质学院水文地质工程地质专业的核心课程。经过多年的发展,吉林大学的《地下水动力学》课程在教学内容方面不断优化,教学手段方面不断丰富,已经成为吉林省精品课程。但面对新工科建设的新形式,仍存在一些需要改善的问题。
2《地下水動力学》课程存在的问题
2.1 教学内容方面理论推导过多,工程实践化程度不够
目前该课程的教学内容与产业发展和工程化需求对接不够紧密,不能满足新工程背景下的工程教育对教学内容的新要求。
理论课程方面, 课程既包括严密推导的数学、力学基础理论,也包括与工程实践密切结合的实际应用内容。但在现有的教学内容中,学生普遍反映《地下水动力学》课程难学,难在理论基础及公式推导较多,且公式推导过程较为复杂。而实际应用方面的内容虽有但是略显不足,工程实践化程度不够。
实验课程方面,现有实验多为验证性的物理实验,只有2学时的aquifer test软件求解水文地质参数上机实验。无论是研究机构还是生产单位都迫切需要能够熟练操作专业软件的应用型人才,随着现代信息技术与计算机软件的推广使用,对地下水运动现象与规律进行数值模拟与虚拟仿真,具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点,而且通过数值模拟与虚拟仿真可以得到许多在常规实验室中难以短期观测到的动态信息,可作为地下水动力学课程实验教学的重要补充。有必要在《地下水动力学》课程中增加虚拟仿真实验,增加学生应用现代工具解决与专业相关的实际工程问题的能力。
2.2 教学方式缺乏创新性,学生参与感不强、主动性不高
现有的课堂教学多采用以教师为中心的“灌输式”方法,虽然教师也经常采用启发式、互动式的方式与学生进行沟通,但是大部分学生的积极主动性明显不足,学习愿望不够强,多数学生是为了应付期末考试而去学习。
传统的布置作业模式是教师布置课后习题给学生做作业,然后教师批改作业,有一些同学抄袭其他同学的作业,而还有一部分学生即使有问题也不愿意主动与老师沟通交流[3],不愿意请教老师的这种想法已经在很多同学心中根深蒂固。随着高等教育改革的不断深入,现有的教学方法已不适应新工科的培养要求,应该探索新的方式激发学生对本专业及本门课程的学习兴趣、确保大部分学生都能积极参与到课程中来。
2.3 课程与其他课程及生产实习衔接不够紧密
《地下水动力学》是在学习了《水力学》《水文地质学基础》等课程的基础上开设的,在课后作业及考试中发现有些同学对先修课程的学习不到位,如果不加以复习,将直接影响本课程的学习效果。同时,《地下水动力学》是《地下水数值模拟》《专门水文地质学》《地下水资源管理》等许多其他课程的基础课程。在现阶段讲授的过程中,课程内容与其他课程内容联系不够紧密。
《地下水动力学》不仅是很多专业课程的基础,也是生产实习中抽水试验确定水文地质参数的理论支撑。现有《地下水动力学》课程中只是理论上讲授了利用抽水试验资料求取水文地质参数的方法,并且根据已抽水试验数据资料对参数进行求解,但是学生对抽水试验过程缺乏直接感官,不知道抽水试验是如果进行的,这不利于理论与实际的连接。
2.4 考核评价体系单一
现有课程的考核方式为:成绩由平时成绩和期末考试成绩组成。期末考试采用笔试闭卷的方式。闭卷考试存在着重理论轻应用的弊端 [4]。另外,很多实际工程问题的解决需要的时间较长,两个小时的期末考试很难完成。平时成绩包括实验课成绩及平时作业。由于实验报告及课后作业是在课堂以外完成的,部分同学抄袭别人的实验报告及作业,实验报告及课后作业难以体现出学生的真实水平。
现有的考核方式对学生的工程实践能力及创新能力的考核达成度较低。为了适应新工科对人才的工程实践能力、创新能力、沟通能力等方面的需求,急需丰富现有考核评价体系,通过合理的方式使考核内容向工程实践应用能力方面转变 [5]。
3 《地下水动力学》教学改革措施
3.1 优化理论教学内容,增加工程实践问题的讲授,简化过于复杂的公式推导
将教师在教学科研工作中遇到的典型案例纳入教育内容中,在学期初提出《地下水动力学》可以解决的典型工程实际问题,可以包括以下工程问题:(1)水库渗漏量及浸没范围的预测问题;(2)根据抽水试验数据求水文地质参数问题;(3)预测某种开采方案下的地下水动态问题;(4)矿山或隧道排水量预测问题;(5)确定灌排沟渠的合理间距、排灌水量问题;(6)地下水污染预测问题。使学生带着问题学习,在课程结束之前有效的解决学期初提出的工程实际问题。通过这个过程使得学生发现该门课程的重要之处,拓展其科研视野,增加其解决工程实践问题的能力[6]。
简化过于复杂的解析解推导过程,比如Thies公式的推导过程中包括复杂的积分变换,而解析解的推导过程不包含地下水运动的物理意义,对此类公式推导过程可省略,把更多的时间用来讲授公式能够解决的实际问题及应用过程中需要注意的问题。而对于描述地下水运动规律的重要方程(比如承压水运动的微分方程),在教学过程中应该注意从物理意义(质量守恒及能量转化)方面对公式进行推导,提高学生对公式的理解能力,使之能够更好地应用于实际问题中[7]。
3.2 优化实验教学内容,增加虚拟仿真实验
实验教学的优化应突出工程性、实践性,着力培养学生的动手能力,为以后的就业打下坚实的基础。增加虚拟仿真实验,将科研中遇到的前沿工程问题引入课堂,应用GMS(或Visual Modflow、或Feflow)地下水系统模拟软件对地下水流动过程及溶质运移过程进行数值模拟与动态预测,加强学生利用现代工具解决复杂实际工程问题的能力,同时加深学生对教学内容的理解,使学生对看不见摸不着的地下水流动及污染物的运移过程有一个感性认识。提高学生对本专业及本课程的兴趣及学习的积极性[8]。
3.3增加课程创新训练汇报环节
学生自行分组,以小组为单位完成课程创新训练汇报。学生可以在《地下水动力学》所能解决的水资源合理开发利用、水文地质参数识别、矿山及基坑排水、农业水利工程及环境地质问题预测等问题中选择一个方面的问题。选择同样选题的同学作为一个小组,通过本课程所学的知识,结合文献检索、解析法及数值法计算、PPT制作及汇报等,完成创新训练汇报环节。其他小组的同学可以有针对性地进行提问和讨论,最后教师进行总结、归纳。通过此环节提高学生学习的积极主动性,同时提高学生团队合作以及语言表达能力。
3.4充分利用互联网,在网络上布置作业及答疑
充分利用互联网,利用超星学习通、雨课堂等现代化在线教学手段,完成点名、课堂测验、课后作业及答疑等环节。避免填鸭式的教学方式,充分提高学生的积极主动性,提高学生的学习兴趣[9]。
在网络上布置预习内容及作业,学生在网上提交作业,老师进行批改并及时将存在的问题反馈给学生。同时学生可以在网上随时提问,这样避免了部分腼腆的学生不好意思面对面问老师的问题,也在时间上更为灵活,老师不必坐在办公室等待学生来答疑。对于学生提出的问题,第一轮可以由其他同学进行解答,这样能够同时增加学生提出问题及解决问题的能力[10]。如其他同学解答不了,由老师解答,便于老师及时发现学生学习中存在的问题,及时指导学生,避免课堂45min时间有限的问题。
3.5 注重与其他课程及生产实习过程的衔接
课程设置上,充分考虑学生对《水力学》《水文地质学基础》等专业课的理解,如果学生理解程度不好,应该对相应内容进行简要复习;而如果学生对先修课程掌握较好,则无须特意复习。同时在课程的讲授过程中,告诉学生该课程对后续《地下水数值模拟》《专门水文地质学》《地下水资源管理》《地下水溶质运移理论》等课程的具体支撑作用。
在实验课中,将抽水试验求取水文地质参数的理论内容与生产实习中的抽水试验过程有机结合,带领学生观摩抽水试验场,使学生了解抽水试验的目的及抽水试验设计等内容,并与水文地质参数的求解方法融会贯通[11]。
3.6 优化考核方式,形成多元化考评体系,着力培养应用型人才
由以结果评价为主向结果过程评价结合转变,侧重考查学生的应用能力。采取综合的考核方法,除了原有的期末考试、实验报告及平时作业外,增加工程实践问题分析解决报告、创新训练汇报、网络课程作业、理论课及实验课表现、网络上解决其他同学提问等内容。
在期末考试中,将原有的闭卷考试改为半开卷考试,即将考试中要用到的一些公式给出,减少学生对公式的死记硬背。在作业及仿真实验中,为了避免以往出现的部分学生抄袭别人作业的情况,针对不同的学生,设立不同的作业(例如:作业的数据与学号相关)。
4 结语
自“新工科”提出以来,引起了高等教育界的广泛重视。《地下水动力学》是传统工科地下水科学与工程及水文与水资源工程专业的核心专业课程。结合新工科理念,提高《地下水动力学》课程的教学质量对于培养高素质的水文及水文地质人才具有重要的意义。该文从课程特点出发,结合新工科理念,对《地下水动力学》课程教学中存在的问题进行了深入分析,并针对这些问题提出了优化教学内容,丰富教学手段,创新教学环节,优化考核方式等具体的教学改革措施,力图提高《地下水动力学》课程的教学效果,提高学生的工程实践能力。
参考文献
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