水文地质学基础实验网络混合式教学模式改革

赵玉红, 孙晓庆, 卞建民, 肖长来, 蒋惠忠

(吉林大学 环境与资源学院，长春 130021)

水文地质学基础实验网络混合式教学模式改革

赵玉红, 孙晓庆, 卞建民, 肖长来, 蒋惠忠

(吉林大学 环境与资源学院，长春 130021)

为提高学生素质教育,培养创新精神和实践能力，从实验课教学方式、教学仪器、教学内容和实验室管理等方面进行了研究和探索。进行了水文地质学基础实验课网络混合式教学模式的改革研究。通过采用现代化的网络信息技术，创建了水文地质学基础实验网络混合式教学模式；将先进的传感技术，应用到实验教学仪器中，研发了多种新型实验教学仪器；制作水文地质学基础微实验的多媒体课件；实验室实行全面开放管理的制度。通过以上改革使学生能够在实验课前通过网络自主学习，完成各系列实验项目的预习，在实验室做实验不受学时、空间、内容的限制，完成一个或多个实验内容。网络教学与实验课教学相结合，拓展了实验教学的时间和空间，增加了实验内容，使教学内容和表达方式更加丰富多彩，网络混合式教学模式更有利于学生理解专业理论知识。

水文地质学； 混合式教学； 实验仪器； 实验内容； 实验方式； 实验室开放

0 引 言

高校是培养学生创新能力和实践能力的重要场所，水文地质实验是“水文地质学基础”实验课的重要实践教学环节，也是理论与实践相结合的关键，对提高学生实验技能、新技术应用、创新能力的培养及综合素质提高起着积极的作用。“水文地质学基础”是地学部地下水科学与工程、水文水资源工程，地质工程等专业的本科教学基础课，每年有300多人次本科生在实验室完成实验教学内容。因此，实现水文地质学基础实验网络混合式教学模式，促进教学方式和教学方法的改革是十分重要的[1-3]。实验教学仪器的改进更新，实验教学内容的增加，现代化的网络信息技术的应用，实验室全面开放，势在必行。

1 实验教学仪器的改进更新和开发利用

水文地质学基础实验室原有设备陈旧。自2014年以来，在学校本科教学实验室设备类建设项目“水文地质学基础”课程设备平台建设项目中，研发更新了多种实验设备，采用计算机技术、先进传感器技术，自动记录含水量和水位的数值变化，不但提高实验仪器的测试精度，同时也使学生通过实验课教学，掌握现代先进的实验技术方法。

1.1 全自动达西仪

达西定律是地下水运动的基本理论，达西实验是水文地质学基础的重要实验内容[4]，全自动达西仪见图1，实验系统由计算机、供水系统、渗流系统、传感器以及相应的控制软件组成。

图1 全自动达西仪

供水系统：用水泵将水抽至高处供水箱，水箱设置溢流槽，保证水位稳定，而变频器与计算机连接，控制水泵转速，控制抽水量；渗流体从底部供水，水分从顶部渗出流入溢流槽，这样系统内的水位保持稳定，可测得稳定时水头差。

渗透系统：采用具有较好的透明性、力学性的有机玻璃圆柱制成，直径为120 mm，高800 mm，下部设有进水孔，底部装有过滤板(上面均匀分布直径为2 mm的小孔)，上端有出水孔，供测量渗流量用。在不同高度等距开设两组(每组3个)测压孔。分别与测压管、压力传感器连接。用于测量测压水位、水压数值。

测压系统：渗透系统上的一组测压管上安装水位传感器，与数据采集器、计算机相连，将水压数据传输至计算机，测得不同高度的水头差。

排水系统：渗透系统上的溢流槽内流出的水量，流入烧杯中，烧杯下的传感器与数据采集器及计算机连接，可测得流量。

全自动达西仪测试水位、水量数值，速度快、精度高。

1.2 土柱仪

多功能土柱仪见图2，用于测定土壤的容水度、持水度、给水度等。主要由计算机、供水系统、渗流系统、水分传感器以及数据采集处理系统组成。

图2 多功能土柱仪

供水系统：采用马氏瓶用于恒定供水水位。

渗流系统：采用具有较好的透明性、力学性的有机玻璃圆柱制成，直径为150 mm，高1 200 mm，两侧在不同高度等距设有直径为30 mm的一系列测孔(用于安装水分传感器)。上下各有一个测孔，用于供水或排水。底部按有过滤板(上面均匀分布直径为2 mm的小孔)，过滤板将土壤隔开，并能保持试样均匀供水和排水。

水分传感器：将水分传感器等距均匀安装在土柱仪的测孔内，用于测定试样中的水分百分含量。

数据采集处理系统：水分传感器采集的数据通过数据转换器处理，由计算机软件进行计算。

多功能土柱仪不但增加了测试项目，同时缩短了测试时间，水分传感器实时监测试样含水量数值，速度快、精度高。

1.3 多功能土壤渗透仪

多功能土壤渗透仪见图3，用于测定粘性土壤的渗透系数。主要由注入系统、模型系统、温控系统、计量系统、数据采集处理系统、控制柜组成。

注入系统：由储液容器及调压阀组成。

模型系统：由土样夹持器及管阀件组成。

温控系统：由恒温箱构成。

图3 多功能土壤渗透仪

计量系统：由压力传感器及显示表和电子天平组成。

数据采集处理系统：包括压力、温度、天平等，采用进口数字采集控制卡，从而实现数字化采集传输。

多功能土壤渗透仪的特点是：自动测试土壤在不同固结压力、不同温度条件下的渗透性。同时可施加水头压力加快渗透速度，并实现稳定流渗透[5-6]。固结压力及水头压力用精密压力传感器精密控制，数显压力表显示读数。土样夹持器及管线阀件安装在恒温箱内，在恒定的空气浴条件下进行试样渗透实验。渗透液出口利用出液收集装置和精密天平测出渗出液体质量，由计算机软件实时计数。该仪器设计先进，在实验教学中，收到了很好的教学效果。拓展了仪器的使用功能，操作方便，测试精度高。

1.4 土柱仪测试功能开发

将土柱仪分别改装成弥散实验装置和曝气充氧实验装置，并应用于“水质污染与控制”,顺利地完成了一维弥散、水中充氧两项实验。

(1) 弥散实验装置改装，在土柱仪的测孔中均匀选取3个测孔，安装上排水管(分布有均匀小孔的高压尼龙管)，要垂直安装在土柱仪中心，以便取出试样中心流动的水。排水管要用铜纱网包上，以防排水时试样流出。试样自下而上进行饱和，试样顶面放上两层滤纸或安装喷头，使水能均匀渗透，排水用螺旋管夹控制排水速度。

(2) 曝气充氧实验装置改装，在土柱仪的底部放上曝气装置，用空气压缩机注入空气，再用溶氧仪监测水中溶解氧的变化。

1.5 岩心孔隙度仪测试功能开发

研究了基于岩心孔隙度仪测定黏性土天然孔隙度的方法，该方法制样简单、测量速度快、测试精度高。

由于黏性土软而松散，难以制成像固结岩心那样的标准岩块，根据岩心孔隙度仪套筒的规格和黏土的特性，设计制作了两个取黏性土的环刀(见图4)，规格分别为：直径d=25.5 mm，长度L=30.8 mm；直径d=25.5 mm，长度L=40.5 mm，用于制作不同试样条件的测试标块。用取土环刀取原状土(见图5)作为测试标块，再将该标块放入岩心孔隙度仪套筒中进行孔隙度测定。

图4 取土环刀

图5 土样标块

1.6 颗粒测定仪测试功能开发

利用颗粒测定仪开发了测定水中微量固相物质颗粒的方法，提出用估算法确定样品中固相物质质量。颗粒测试仪常规测试样品重量范围为3～10 g，该方法可以完成0.3～0.5 g固相物质重量的粒度分析测试。

水中微量固相物质颗粒分析步骤：

(1) 将样品进行沉淀处理，并吸除上层清水，获得样品固相物G0，利用颗粒测试仪测定该样品的沉降曲线f0。

(2) 估计固相物质量上限G1，并测定其沉降曲线f2。

(3) 不断调试上下限质量，测试系列沉降曲线，使f1和f2逼近，直至使其重合于f0，该固相物质量G0=0.5(G1+G2)，完成水中微量固相物测定。

该方法简便实用，达到了测试要求。

1.7 渗压仪多参数测定方法的研究与开发

在不增加投入的情况下，用渗压仪测试土样垂向与水平向固结系数、测定土样的释水系数与贮水系数、测定地层剖面不同深度渗透系数、测定不同深度岩土的含水量和测定不同岩土的水质变化规律的研究等多项参数。将原来单一的渗透系数测定扩展为多参数测定。

(1) 测定土样的释水系数与贮水系数。承压水和潜水含水层的释水与贮水，是用渗压仪将试样放在渗压容器中压缩，回弹模拟实验来实现的。承压水头和潜水位的变化，是引起含水层压缩释水或回弹贮水的主要因素。根据水位动态的变化规律，设计压缩释水与回弹贮水试验的逐级荷载，待固结稳定后的压缩和回弹量即为释水和贮水量。

(2) 不同压力条件下渗透系数测定。将饱和后的试样装入渗压容器内，由小到大逐级向试样施加压力，当每级固结压力稳定后(百分表1 h内读数变化≤5 μm)，再进行渗透，即可求出每级固结压力下的渗透系数。以此类推，即可求出不同压力条件下的渗透系数。

(3) 不同压力条件下含水量的测定。将饱和试样去掉上下滤纸后称重，再装入渗压容器内，由小到大逐级向试样施加压力，当每级固结压力稳定后(百分表1 h内读数变化≤5 μm)，取出试样，去掉滤纸再称重，以此类推，即可求出不同压力条件下的含水量。

(4) 测定不同岩土的水质变化规律。将研究水质的离子按要求的浓度配制，作为渗透溶液对不同种岩性进行渗透实验，浓度由小到大，依次进行渗透试验。将渗透出的溶液分别测试其浓度的变化进行分析。

2 增加实验项目、丰富实验教学内容

为了使学生在有限的实验课学时内，完成更多的实验内容，我们在2013版实践教学大纲的编写时，在不增加实验课学时的情况下，由原来的4个实验项目增加至8个实验项目。实验介质由一种变多种，模拟实验的试样由单一变为多样化，丰富实验教学内容。

2.1 增加实验项目

“水文地质学基础”实验课学时按教学大纲要求为8学时，实验项目由2009版实践教学大纲开出达西实验、岩石持水度测定、岩石给水度测定及毛细上升高度测定4个,增至2013版实践教学大纲的8个实验项目，在不增加实验课学时的情况下，既保持了原有的实验项目，同时又增加了岩石容水度测定、土壤颗粒分析、潜水演示实验及承压水演示实验4个实验项目，实验项目数翻了一倍。使学生在实验课教学环节中，能够掌握更多的实验方法，学到先进的实验技术，提高实践能力。

2.2 丰富实验教学内容

(1) 实验介质由1种增加到3种。在达西实验、岩石持水度测定、岩石给水度测定及毛细上升高度测定实验中，都是测定水在不同介质中运动时，介质所体现处的各种规律。因此，介质在水文实验中起着重要的作用。以往的实验方法，都是采用一种透水性较好的介质(中砂)，来进行试验。实验结果也只能得出一种介质的水理性质，中砂的渗透系数、持水度与给水度及毛管上升高度。对不同的介质(粗砂或细砂)的水理性质，教师只是向学生介绍一下而已，学生无法从实验中得出结论。面对这个问题，在现有的条件下，不延长实验学时，通过实验得出不同的介质的水理性质，就要挖掘实验仪器的潜能。根据目前存在的问题，我们进行了实验教学内容的改革，用同种实验仪器分别装上不同的介质(粗、中、细石英砂)进行试验。先将现有相同的仪器分成3组，每组仪器装上同种介质(粗砂、中砂或细砂)，装样时，每组试样容重(密度)要尽量相同，以防容重的差异，影响实验效果。再将做实验的学生分成3组，每组学生用装上同种介质的仪器进行试验，试验完毕，各组学生相互轮换，再做实验，直至将3种不同介质的实验做完。这样使学生在有效的时间内，既熟练了仪器的使用，也掌握了实验的方法，同时也得到了不同介质的水理性质，实验资料由1种到3种，实验的结果也将单一介质实验推广为多介质实验，丰富了实验内容。使学生在有限的时间内，通过实验得出3种不同介质的水理性质，达到了更好的实验效果。

(2) 由验证性实验推广到综合性实验和设计性实验。“水文地质学基础”是专业基础课。实验教学的内容主要是一些验证性的实验。如验证定律的实验(达西实验)和岩土的水理性质测试实验(容水度、持水度和给水度的测定等)。综合性实验和设计性实验很少，甚至没有。因此，实验课内容要从验证课堂所学理论的验证性实验，提高到在学科内一门或多门课程内容的综合性实验，以至于提高到自行设计实验方案、独立操作完成设计性实验。这就要对教学内容改革、更新，才能尽快提高实验教学质量。

在实验室现有的条件下，利用土柱实验仪，改变实验介质条件进行实验，给学生一些地层剖面的结构图(厚层黏土除外)，按地层的岩性、密度装样，这样所测的各项参数，具有代表性，更具有实际意义。此外，还可结合科研课题，设计实验介质的结构，进行各种条件下的实验。

3 新编实验指导书及多媒体课件

在近两年水文地质学基础实验设备建设项目中，达西仪等设备得到更新改进，先进的传感器及计算机技术应用实验仪器上，设计制作了自动达西仪等教学仪器，实验仪器的原理和实验方法都有所改变。按2013版实验大纲要求的实验项目内容由2009版的4个实验项目增加到8个实验项目，结合水文地质学基础实验网络混合式教学模式的特点，新编了“水文地质学基础实验指导书”，并在学校网络教学建设项目“文地质学基础微实验”的支撑下，完成“文地质学基础微实验”脚本的编写，该脚本不但包括2013版实验教学大纲要求的实验项目，而且还包括2013版实验教学大纲没有的综合性、设计性和创新性的三性实验，如毕托管法地表水流速测量实验、流域水文循环仿真实验等学科前沿的先进实验设备及相关实验项目的多媒体课件。多媒体课件也已经进入制作阶段，该课件以实验教学实验仪器为基础，运用声音、图像、图片、文本等多种技术手段，直观、具体、生动、形象地展示给学生认知对象，更适合学习者使用，为学生自主学习，搭建网络教育资源共享和学习支持服务平台。

4 实验教学方法多样化

4.1 实验教学现状及存在的问题

(1) 水文地质学基础实验现有的教学模式是在教师带领下共同进行的，随着实验学生人数的逐年增多，实验课的压力越来越大，5、6名同学共用一台设备的情况已是普遍现象，有的实验甚至只有一两台仪器，如土壤颗粒分析实验仅有一台沉降式颗粒分析仪和一台激光粒度分析仪。这不仅影响了实验教学的效果，更加影响了学生实验的积极性与主动性。

(2) 水文地质学基础实验学时为8学时，按2013版实验大纲要求，实验内容由2009版的4个实验项目增加到8个实验项目，在不增加学时的情况下，原有的实验条件和教学模式难以完成现有的实验教学内容，更达不到好的实验效果。

改变现有的实验教学模式，创建水文地质学基础实验网络混合式教学模式,实现实验课程由教师讲课的模式向自主开放式模式转变，以摆脱现有实验课程压力大、效果差、老师教、学生做、实验室利用时间短且集中拥挤、实验仪器闲置时间长的不良状态。因此，网络混合式教学模式的建立与实践势在必行。

4.2 课堂教学与网络教学相结合

(1) 网络自主学习。将编写的“水文地质学基础实验指导书”和制作的“水文地质学基础微实验”多媒体课件，作为网络水文地质学基础实验教学课件，用于学生自主学习，教师和学生在网上互动，在线随时解答问题，拓展实验教学的时间和空间[7-8]。实验教材对实验目的、实验原理、仪器结构、实验步骤、资料整理及思考题等内容均作了清楚地介绍，详细、直观地将各个实验的全部内容体系和操作过程完整地展示给学生，更有利于学生自学。学生能够自主安排做实验的时间，以灵活的方式完成实验理论学习，了解实验的整体过程，并能在实验室独立进行实验，从而提高实验室的利用率和实验教学效果。

(2) 课上讲解答疑。在实验课上，教师结合实验仪器讲解仪器的结构、实验原理、实验步骤及相关实验注意事项，对学生提出的问题进行解答，使学生从感性认识到理性认识。学生做实验项目的内容可在课堂上多项内容同时开展，也可预约时间，随时到实验室完成必做实验项目，同时还可完成综合性、设计性和创新性的选择实验项目。

5 实验室开放管理

水文地质学基础实验室实行全面开放式管理，是实现水文地质学基础实验网络混合式教学模式的必要条件[9-13]，做好实验室的开放关键是合理安排时间，健全开放管理制度。

由于目前实验室负责人，每人都负责多个实验室，这给实验室的全面开放带来了一定的困难。因此，要想解决这个问题，实验室负责人要根据教学课程的进度，制定各实验室的开放时间、开放实验项目的计划，统一安排，可采取全天开放、阶段开放、定期开放或预约开放等多种形式，按计划实施，以保障各实验室的顺利开放。

良好的运行模式必须依靠管理制度的保障[14-17]。为了保障水文地质学基础实验网络混合式教学模式的顺利运行，我们还制定了开放实验制度，主要是实验室负责人的职责和对学生的要求。实验室负责人要负责审查开放实验项目、实验技术指导、实验材料准备、实验仪器使用记录管理等项工作，同时还要对学生要进行安全培训。学生进实验室应严格遵守实验室各项规章制度，按预约时间做实验，填写实验仪器使用记录。

6 结 语

通过对我校水文地质学基础实验教学模式改革内容的介绍，得出以下几点结论：

(1) 通过对达西仪、土柱仪及土壤渗透仪等教学仪器的改进更新、测试方法开发，极大丰富了教学内容，使学生学到先进的实验技术，提高实践能力。

(2) 课堂教学与网络教学混合模式的建立，学生能够自主安排做实验的时间，以灵活的方式完成实验理论学习，提高了实验仪器的利用率和实验教学效果。

(3) 实验室开放管理，无论在时间、空间、实验内容等方面，都更加满足实验教学大纲的要求。保障各实验室的顺利开放，留给学生更加充裕的时间完成实验，可促进对其科研及创新能力的培养。

综上所述，水文地质学基础实验网络混合式教学模式切实可行。

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Reformation on the Mixed Teaching Model of Laboratory and Networkfor General Hydrogeology

ZHAO Yuhong, SUN Xiaoqing, BIAN Jianmin, XIAO Changlai, JIANG Huizhong

(College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China)

In order to improve the students’ quality education, cultivate the innovative spirit and practice ability, the research and exploration of the experiment teaching methods, teaching instrument, teaching contents and lab management and so on have been carried out. The hybrid teaching mode of experiment and network for the general hydrogeology is reformed and researched. Through the adoption of modern network information technology, a mixed teaching mode is created. The advanced sensor technology is applied to the experimental teaching. We develop a variety of new experiment teaching instruments, make the micro multimedia courseware of general hydrogeology, and establish comprehensive opening laboratory management system. Through the above reforming measures, the students can learn experimental contents autonomously by the network before class, prepare for the series experiment project, and do the experiment in the lab. The experiment is not restricted by school, space, content. At the same time, one or more of the experiment contents can be completed. The combination of network and experiment teaching, the space and time for the experimental teaching are expanded, it increases the experiment content, makes the teaching content and expression way to be more colorful. The mixed teaching model of laboratory and network is better for students to understand the professional theory knowledge.

hydrogeology; mixed teaching model; experimental instrument; experimental contents; experiment methods; opening laboratory

2016-09-07

吉林大学网络教学建设项目(2015066)水文地质学基础微实验；吉林大学本科生教学改革研究项目(2015XYB104)；吉林大学2015年度本科专业综合改革试点-环境与水资源班复合型人才培养综合改革(2015-27)

赵玉红(1960-)，女，吉林长春人，高级工程师，主要从事水文地质实验研究。

Tel: 0431-88502606; E-mail: zhaoyh@jlu.edu.cn

G 424.31

A

1006-7167(2017)08-0217-05