互联网+及后疫情背景下水文地球化学课程教学改革探索*

李慧 黄金廷 许珂 郭亮

西安科技大学 西安 710054

0 引言

随着人工智能、大数据的不断深入和教育改革的持续推进，以微课、MOOC、翻转课堂为代表的在线教育创新给传统教育行业带来了新的挑战，尤其在后疫情背景下，自主探究式学习已成为高等教育专业人才培养的普遍需求[1-2]。2015 年《教育部关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》，给高校线上线下混合模式教学改革发出了明确的信号；近几年，国务院、教育部相继颁布多项措施及办法促进高等教育“现代信息技术与教育教学深度融合”。但作为传统教育的有效补充，在线教育存在个性化体验不足、临场感缺失、交互性差等问题[3-5]。一系列国家文件指出要更深入地探索实现在线学习与线下课堂教学质量实质等效的有效路径，探索信息技术、智能教育如何与教育改革深度融合，探讨高等教育薄弱环节改革的突破点，以进一步推动教育教学模式改革创新，从而全面提高人才培养质量。因此，以深化教育改革为基础，如何在“互联网+”及后疫情背景下通过改革教学模式培养学生综合素质、提高专业能力是当前高等教育需要解决的问题。

1 “互联网+”及后疫情背景下水文地球化学课程教学改革的重要性

水文地球化学是地下水科学与工程专业的核心课程，也是相关专业（如工程地质、水文与水资源工程、环境工程等专业）的重要选修课程，具有很强的理论性和工程应用性。水文地球化学课程是在水文地质学和地球化学基础上发展起来的，主要研究地下水环境，特别是地下水化学成分的形成、分布规律以及元素在其中的迁移，它与地下水动力学共同构成水文地质学的重要理论基础，在专业培养方案中起着重要的衔接作用，在工业找矿、地热水勘探、水土环境污染治理、地方病防治等领域有着重要的实践意义。但是，当前传统的教学模式在水文地球化学课程教学中的不足日趋显著，部分陈旧的教学内容以及一些较为落后的教学手段，并不能满足新时期一流本科教学和建设的需要[6-9]，严重阻碍了学生专业能力及综合素质的培养和提升。

而今高校教育改革和人才培养理念在不断深化，如何结合最新的信息技术以及教育理念，对教学内容进行系统整合，提升教学资源的实用性和时效性，加强学生学习的能动性和创新动力，促进其全面发展是当前高校教学模式改革亟待解决的问题。因此，“互联网＋”背景下水文地球化学课程教学模式改革实践研究对高校课程教学改革、专业人才培养具有重要意义。

2 “互联网+”及后疫情背景下水文地球化学课程改革的路径

2.1 教学内容特色定位及教学资源整合

水文地球化学学科涉及内容较多，随着经济社会的高速发展，各类水文地球化学问题层出不穷，包括人类活动引起的地下水污染、海水入侵，矿业资源及天然气开采引起的地下水质变化，油田水化学组分的形成机理和地球化学行为，地热资源勘探中的水文地球化学技术和方法，微生物水文地球化学问题，地热流体中的水文地球化学作用等等。而作为地下水专业主干课之一的水文地球化学课程学时有限，内容不可能面面俱到，因此教师授课过程中应该根据自己学校行业特色准确定位课程特色，遴选一部分内容作为重点进行讲解，将行业特色加入课程中，调整优化课程内容，做到既全面又突出特色重点。即一方面使学生掌握水文地球化学基本理论，包括地下水化学成分、地下水化学成分形成作用、同位素水文地球化学等。另一方面需根据学校特色，遴选一部分内容进行重点讲解。例如侧重水化学热力学基础，或地下水污染控制与修复，或同位素水文地球化学应用研究，或水文地球化学微生物作用，或煤矿水文地球化学作用等。此外，新技术手段、新统计方法等在水文地球化学中的应用也可以适当地加入水文地球化学教学内容中，以帮助学生了解学科前沿和动态，激发其对专业学习的兴趣和热情。

教学资源直接影响教学效果和教育质量。因此，教学资源的整合是“互联网+”背景下水文地球化学课程教学模式改革的重要环节。互联网的开放共享性使教师可以结合学情和学校特色从众多网络教学资源中筛选出数字教材、MOOC、微课、背景案例和数字题库等在线资源，并将其整合上传到所建立的学习平台上供学生在线学习，以开阔学生的视野，使其进行个性化学习。同时，教师也可以向学生推荐相关范例课程视频、在线论坛，以学生感兴趣内容为切入点，提升学生自主学习的能力。线下课堂教学资源是学生专业知识的直接来源，在选择合适的线下教学资源的基础上，线上教学资源需与线下教学资源相辅相成，既相互关联又避免重复，既要发挥传统线下教学资源的专业性和普适性，还要发挥线上教学资源的时效性和前沿性，结合学科专业最新研究成果和信息化教学实践的成果，提升学生的综合素质，促进其全面发展。

2.2 教学手段改革

传统的水文地球化学课程教学主要以PPT结合板书等手段进行理论教学，为响应“互联网+”及后疫情背景下我国高等教育改革，水文地球化学课程的线下讲授需要根据课程知识体系进行教学步骤和教学内容的动态调整，进而对教学板书、教学模式进行重新设计，将最能激发学生学习兴趣和热情的视频、图片放在PPT教案之中，PPT教案可以通过不断补充、“无线连接”的方式来帮助学生了解教学重点、难点。在讲完知识点后，抛出工程案例，启发学生运用知识点和理论去解释和解决工程问题。比如通过提供水样水质测试结果，让学生学会画Piper三线图或者Gibbs图，并解读图中数据的意义以及探讨其可能进行的水文地球化学过程。一方面可以培养学生的学习和科研能力，强调成果的应用性，另一方面可以使教师在互动中了解学生对知识点的掌握情况和存在的问题，以使学生更好地参与课堂互动，提高课堂教学效果。此外，授课过程中，教师结合科研或者企业项目延伸所教知识点，比如采动影响下矿区地下水化学演变特征案例，分析判别矿井涌水水源，探讨地下水化学组分迁移转化规律及机制，阐明开采影响下地下水循环和水化学场的作用关系和协同机制，激发学生的学习热情，提升学生的实践能力，进而达到教学目的。此外，考虑到地下水系统的复杂性和长时间尺度特征，教师也可以设置案例或者课题，引导学生进行资料收集、水文地质调查分析，强化学生分析解决水文地球化学相关问题的能力。

线上教学手段是课程改革的另一重点。课前，教师可利用微课在线课程教育模式，对水文地球化学课程内容进行全面梳理，学生通过观看微课视频、PPT等资源完成课前预习，形成预习报告单并通过在线学习平台提交给任课教师。任课教师在授课过程中根据学生预习反馈情况、教学重点和难点有针对性地深入讲解，将教学内容分解，利用3D模型、动态模拟模型、教学音频、教学视频的方式，将重点融入案例之中，帮助学生将抽象的理论知识转变为直观的具象知识，利用生动、直观的内容来吸引学生的注意力。同时在线下课堂中，教师根据学生线上学习情况，让学生参与教学，加强师生的互动交流，引导学生运用理论知识解决实际问题，通过小组成果展示、教师评分及小组互评将课堂还给学生，培养学生的团队协作能力和创新思维。最后，在线上答疑和线下讨论的基础上，将重点知识与实践课或实验课结合，引导学生完成作业，启迪学生向水文地球化学其他相关内容或案例进行延伸，强化学生运用所学水文地球化学知识解决实际工程问题的能力，使其提升学习效率，培养探索精神。

2.3 考核模式改革

水文地球化学课程教学改革的另一重点是考核模式。水文地球化学课程的考核需注重过程和结果、仿真和实操、技能与素养、自评和他评的结合。在“互联网+”技术下，水文地球化学课程可基于大数据平台自身的结构和属性，结合选用教材和参考教材的课后习题以及与地下水环境相关的工程案例，确定考试题库的内容和形式，并根据学校特色和学科专业侧重点校正、优化题库参数。为克服期末突击学习和一考定成绩的弊端，锻炼培养学生的自主学习能力和综合职业素养，学生总成绩应由过程考核评价和最终考核评价组成。过程考核主要包括课堂考勤、课堂互动、课前预习及任务完成情况、随堂测验及课后作业等；最终考核主要由课程期末考试和课内实验/模拟实践情况组成。其中，过程考核占40%（课堂考勤10%+课堂互动10%+课前预习及任务完成情况10%+随堂测验及课后作业10%）；最终考核占60%（课内实验/模拟实践情况30%+课程期末考试30%）。

2.4 加强实践教学环节

培养学生独立认识问题、分析问题和解决问题的能力是本科生专业教育的重要内容，水文地球化学课程的地学属性和化学属性决定了实验教学和野外教学实践是培养人才的关键环节[10-12]，增强学生水文地球化学实验和水文地球化学过程模拟软件操作技能对教学知识的拓展和延伸具有重要意义。

2.4.1 野外实习中加强对水文地球化学知识的应用

野外实习在专业实践教学体系中有着举足轻重的地位，其教学质量直接影响着专业人才的培养质量。在认识实习和专业实习中应加强学生对水文地球化学理论及实践知识的应用，例如采取泉水水样或地下水样，结合水质测试结果进行水质评价或者水化学类型分类；探索岩性、地形等自然地理对地下水化学成分的影响；分析溶洞的形成机理；启发学生运用同位素手段判断地下水的补给来源；结合水文地质条件判断地下水化学组分形成机理及影响因素；分析地方病与当地水文地球化学环境的关系；判断地下水污染源（无机、有机、金属或者非金属）；等等。

2.4.2 强化室内实验教学

水化学实验是水文地球化学过程分析的重要基础，给学生教授水化学相关的实验操作技能可以提高学生动手及解决实际问题的能力，加深学生对基本理论知识的掌握，使其学会对实验数据进行处理和计算。水文地球化学课程主要可设置以下实验：水中碳酸平衡与pH关系滴定实验、岩石矿物的溶滤实验、水溶液pH与Eh的测定实验、二维溶质弥散实验、水质评价综合实验等。在教学过程中，学生全程参与，包括实验方案设计、样品采集与预处理、样品测试和数据分析、仪器维护等，最后提交实验报告。

此外，“互联网+”及后疫情背景下，教师可以通过网络通信技术、多媒体技术构建虚拟仿真实验平台，通过平面图片和立体模型的展示，使学生准确掌握实验过程和实验操作技巧，能够在暂时不具备实践环境的基础上获得实践机会。

2.4.3 水化学模拟实践应用

地下水化学成分的形成和分布是在一定的自然地理和地质环境条件下经过非常漫长的地质历史过程的产物，理论教学中涉及的水文地球化学研究方法和水文地球化学模拟的基本原理是抽象化的，而水文地球化学模拟软件有助于学生认识水文地球化学过程及机理。因此，需在课堂教授中增加实际操作内容，例如，通过教授PHREEQC/WATEQ/MINEQA2等软件操作技能帮助学生掌握饱和指数的计算，进行氧化还原反应平衡计算、溶解组分平衡计算、地球化学反向模拟等；运用AqQa划分水化学类型，进行水质评价及绘制Piper三线图；介绍SPSS统计软件操作以及结合案例进行地下水污染识别。例如煤矿安全生产中最典型的巷道突水水源判别案例，培养学生运用不同方法（水质检验法、离子比例系数法、同位素理论法等）判别突水水源的能力，了解不同方法的优缺点和适用性，以此开阔学生的专业视野，增强产学研技能。

3 结束语

水文地球化学课程是地下水科学与工程专业教学的重要组成部分，在培养专业人才中起着至关重要的作用，随着我国高等教育的改革、后疫情及“互联网+”背景下教学模式的变化，水文地球化学课程也面临很多问题和挑战，仅线下传授理论知识已不能满足学科发展及社会发展的需要，应加强学生—教师—自然的互动，构建线上线下混合式教学模式，实现教—学—用—研的有机结合，通过网络教学资源的有机整合培养综合型人才，提高学生学习的能动性和创新性，使其认可学科专业的价值，提升地下水科学与工程专业人才的培养质量。