《地下水数值模拟》课程在矿业类大学中教学改革实践与思考

刘丽红 陈孝杨 陈要平

摘要：地下水數值模拟是地下水科学与工程专业普遍开设的一门课，针对地下水数值模拟课程特点和教学难点，从课程特征、教学难点和教学内容改革三个方面阐述了该课程教学改革的重点和方向，侧重水文地质概念模型概化方法和数值模拟软件应用，增加模型参数调参的讲解，与多媒体现代教学手段有机结合，并通过课程设计结合矿区实际水文地质条件进行矿区涌水量预测数值模拟，增强课程的实际应用效果。

关键词：地下水数值模拟;矿业;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）38-0139-02

地下水数值模拟是以电子计算机和数值计算为手段，通过背景资料获取、模型概化、模型识别和应用来分析地下水流和地下水污染等方面的问题。在矿业类高校中，《地下水数值模拟》课程的教学目标是预测矿山开采条件下的地下水动态，为水质和水量的管理与评价以及矿山疏放水提供理论依据。

一、课程特征

1.抽象性。地下水是以地下水动力学为理论基础，此理论基础、研究方法本身就是很抽象的。本课程又是以地下水为研究对象的，地下水数值模拟过程中需把复杂的水文地质问题概化为某一数学模型，模型中水文地质条件、边界条件概化过程均比较抽象。

2.复杂性。地下水流数值模拟在建模初期，特别是几何模型建立过程中，需要对复杂的水文地质资料进行整理归纳，包括钻孔、地层、水文资料等，从而决定了本课程应用到大量地质、水文地质和地理信息系统的方法，需要多学科交叉。

3.实践性。地下水数值模拟不仅可以模拟实际水文地质条件下实际含水层地下水流场、污染物运移等情况，还可以预测未来情况下含水层的响应，特别对于矿山开采条件下的地下水动态，矿井涌水量预测等，地下水数值模拟的内容决定了这门课程也是一门实践性很强的课程。

4.水文现象受到大量随机因素的影响具有不确定性。在进行水文数据分析时，是把十分复杂的水文现象抽象概化为某一个数学模型，其表现形式较为抽象，而设计模型的过程则更加抽象。

二、教学难点

1.地下水运动的基本微分方程、地下水化学组分运移基本方程、NAPL迁移基本方程是解决地下水运动、溶质运移和石油污染物运移的三大基本方程，这些基本方程与地下水动力学的教学内容有重复又有区别，增加了教学的难度。

2.地下水数值模拟是一门实践性非常强的课程。这就决定了课程在掌握理论推导的同时，还要注重专业实践应用，两者课堂平衡难以把握。

3.利用课堂时间进行大量水文地质资料数据的处理工作很困难。本课程在以GMS数值模拟软件为例讲授建模方法时需要应用大量水文地质实测资料来说明方法过程，对钻孔等地质资料前处理等内容仅利用课堂时间让学生亲自动手，在空间和时间上都是不理想的。

三、教学改革策略

1.教学内容改革。（1）减少地下水基本微分方程的推导的介绍，增加基本方程的初始、边界条件和差分求解方法等实用性内容的讲解。首先将本课程与《地下水动力学》课程微分方程的内容区别开，要结合实际的地下水问题，在适当注意数学理论系统性的基础上，强调理论和方法的应用，而不要让学生陷入烦琐的数学推导和证明当中。（2）通过GMS地下水流数值模拟软件实例应用来学习数值模拟建模过程。以主流的地下水数值模拟软件GMS为例，本课程在教学时，通过多种实际地区特别是矿区水文地质资料收集，用实际水文地质资料建立符合实际地区的数值模拟模型并运行。（3）结合生产项目中遇到的实际问题不断更新教学内容。随着地下水科学的不断发展，多学科交叉应用，许多新的方法和技术得以应用，要随时更新相关的教学内容，保持课程内容与当前的科技发展同步。

2.教学方法改革。（1）转变教学方法，创新课堂形式。地下水数值模拟是一门实用性非常强的专业课程，如何调动学生的学习积极性非常关键。这就需要教师做好每次课的课堂设计，大量收集应用地下水数值模拟解决实际地下水问题的实例，并利用自己的生产项目作为课程实例，比如结合矿区生产实例的某个工作面开采的涌水量预测，按照地下水数值模拟步骤让学生在课堂上参与实际数值模拟建模和后期模拟过程，使学生更加直观地了解学习内容，调动学生的学习热情。（2）略去繁杂的地下水方程推导，突出数值模型概化、初始边界条件、数值模拟差分方法在软件中的实现。鉴于学生已经学习了地下水动力学中相关的方程推导，对于比较抽象的概念和理论，繁杂的数学推导和证明可以只给出简单的说明或者略去，而应将重点放在水文地质条件概化、空间时间离散、差分方法部分，例如数值模型的边界范围、边界条件、含水层空间结构、水文地质参数和源汇项等。（3）增加实践动手能力考查，并在成绩评定中有所体现。在每次课程回顾中，提出一个实际的水文地质问题，要求学生进行上次课堂内容实际电脑操作作为课前测验，这样对学生基础知识的掌握以及应用能力的提升都有很大帮助，同时对学生的日常表现、出勤、作业等情况都进行了考核。除此之外，更加要注重的是学生综合分析的能力，这就要求试题的多样化及对实际案例的分析。

3.教学手段改革。（1）多媒体教学与传统教学相结合。地下水数值模拟常常涉及复杂的软件操作步骤，而且过程比较复杂，借助多媒体教学的形式，教师可以有针对性地选择实例来建立水文地质概念模型并转化为数值模拟模型，使讲解生动清晰，教学效果得到极大提高。例如，通过粉笔板书一个理想的三层含水层，给出含水层的空间结构、水文地质参数、源汇项，提出具体模拟情景;然后通过多媒体进行相关建模演示，板书重点建模过程步骤，使学生在学习过程中被积极调动起来，以提高学习效率。总之，在整个教学环节中，应该以“黑板+粉笔”为主，以多媒体为辅，使教学质量得到保证。（2）增设与课程相对应的课程设计。课程设计的目的是通过实际地下水数值模拟，培养学生的动手操作能力、观察能力和分析问题能力等，这是课堂教学无法替代的，是培养有创新意识和实践能力人才的一个极其重要的环节。例如给出某矿区具体的水文地质资料，让学生用2周时间通过数据整理、建立符合实际水文地质概念的模型并转化为数值模拟模型，通过模型运行得到具体的矿区抽放水条件下地下水流场情况，预测矿区涌水量，为矿区生产安全提供重要的参数依据。（3）对于地下水数值模拟这门实践性很强的课程，如何将课堂所学数值模拟知识灵活熟练运用，如何调动学生对所学知识的学习积极性，是教学过程中提高教学效果的关键问题。利用课余时间组织学生进行地下水数值模拟建模大赛，既增加了学生对所学知识的应用，又增加了课堂与课后学生学习生活的联系，大大提高了学生的学习积极性。

四、结语

针对《地下水数值模拟》课程学时少、内容多、实践性强等特征，本文从课程特征、教学难点和教学内容改革三个方面阐述了该课程教学改革的重点和方向，对这门课程的教学模式进行了探讨。以持续改进为理念，期待今后把《地下水数值模拟》的教学工作做得更好。

參考文献：

[1]吴吉春，薛禹群.地下水动力学[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]李凡，李家科，马越，李怀恩，姬国强，袁萌.地下水数值模拟研究与应用进展[J].水资源与水工程学报，2018，（01）：99-104.

[3]王军进，张洪伟，张国珍，武福平，雷楷.地下水数值模拟方法的研究与应用进展[J].环境与发展，2018，（06）：103-104+106.

Research on Curriculum Teaching Reform and Practice of "Groundwater Numerical Simulation"

LIU Li-hong，CHEN Xiao-yang，CHEN Yao-ping

（School of Earth and Environment，Anhui University of Science & Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

Abstract：The groundwater numerical simulation is a course in a common groundwater science and engineering.Aimed at course characteristic and teaching difficulties，this paper described the key points and direction of this course from course characteristic，teaching key points and teaching content aspects.Course teaching reform puts particular emphasis on generalization method of hydrogeological conceptual mode and numerical simulation software application.This course also added the teaching content of model parameter adjustment with multimedia modern teaching methods.This course conduct numerical simulation of water inflow prediction with actual hydrogeological conditions in mining area，in order to enhance the practical application of curriculum.

Key words：Groundwater Numerical Simulation;mining industry;teaching reform