水文地球化学多层次实践教学研究

孔慧敏 张莹 谷洪彪 张瑞蕾

摘  要  以水文地球化学课程实践教学改革为例，基于开

放实验和第二课堂制度，将实践教学改革与理论教学、专业实习、行业需求相结合，探索提升实践课程教学质量的路径，建立多层次实践教学体系，培养地下水科学与工程专业学生的实践能力与创新精神，提高教学质量，增强学生的就业竞争力。

关键词  水文地球化学;实践教学;开放实验;第二课堂;实践能力;创新创业平台;地下水科学与工程

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）06-0149-03

0  前言

随着地下水环境不断恶化，社会对地下水科学与工程专业的师生提出新要求，要善于利用新技术新方法解决与地下水资源开发和利用相关的问题[1]。

水文地球化学是解决地下水相关问题的理论和实践基础。随着水文地球化学学科的不断发展以及我国高等教育改革的深入推进，该课程面临一系列的问题和挑战，如教材问题、教学内容和课时问题、教师能力问题、学生思维和能力的培养问题以及实践教学问题等[2]。在有限的课时内，采用何种手段，如何合理、有效地安排教学内容，保证学生的学习效果？如何充分调动学生学习的积极性、主动性和创造性，提高学生的实践能力，达到较好的教学效果？授课教师面临严峻挑战。尤其是针对实践教学内容，教师需要根据课程特色和课程目标压缩不必要的理论学时，并增加工程案例和实践教学环节。

高校陆续推出的开放实验和第二课堂形式，将有效弥补课堂教学课时的不足。如何结合课程安排及学习进度将课外实验穿插进行？如何设计丰富可行的实验内容，使学生的课外实验成为理论和课内实验的有效补充？如何为学生综合创新提供平台，培养学生科学思维，提高创新能力，实现教学相长？这些问题具有重要的研究价值。

1  实践教学体系构建

根据本专业的特色和課程内容特点，尝试打破传统实践教学体系的封闭性，与第二课堂和开放实验相结合，增加反映水文地球化学体系新知识、新技术的实验内容，引入大型测试仪器，建立基于课内实验、开放实验、第二课堂和专业实习的包括基础性实验、综合性实验、设计性实验的多层次实践教学基础架构。

第一层次为教学计划内的理论教学及课内实验实践教学，主要涉及基础性实验，作为基础架构的第一课堂，帮助学生掌握水文地球化学的基础理论和基本实践能力。

第二层次为选修性质的第二课堂和以兴趣为导向的开放实验，主要涉及综合性实验。综合性实验主要培养学生分析和解决问题的综合能力，实验内容是以基础性实验为基础来探讨地下水及其溶解组分在含水介质中的迁移转化规律，是课内实践教学的扩展[3]，为搭建创新创业平台、提升学生科研实践能力和创新能力奠定基础。

第三层次是以生产实习、大学生创新创业项目、毕业设计、各类竞赛作为应用平台的设计性实验，在第二层次创新创业平台的搭建和学生科研实践能力提升的基础上，全方位渗透到应用上，进行产出反馈，培养学生的科研创新能力。

在进行多层次实践教学体系设计的同时，要积极推进实验平台硬件、软件的升级改造，更新教学内容，更新教学设备，以传统教学为基础，不断对教学知识进行拓展和延伸[4]。

2  实践教学内容设计

实践教学内容的设计是提升课程实践质量的关键，从课内实验到开放实验都需要根据课程特色和课程目标，设计不同层次的实践教学内容。

2.1  课内实验

根据长期实验教学的探索，在现已开展的课内实验如岩矿水解实验、水中碳酸平衡与pH关系测定实验、土壤介质对氨氮吸附平衡实验、溶滤实验等实验的基础上强化课前实验设计环节，依照学生兴趣分类分组开展单项实验和综合实验设计，并在课下进行实验成果的交流汇报。

水文地球化学强调理论与实践的结合，因此，学生应掌握水化学相关的实验操作技能及相关水化学模拟软件的基本原理与操作。运用以AqQA或AquaChem等为基础的水化学数据分析软件，可以进行水化学数据的可靠性验证、基本指标的计算、水化学类型的划分及基础水化学图件（如Piper三线图）的绘制和水质评价。水文地球化学模拟软件WATEQ/PHREEQC/MINEQA2等，可以进行水溶组分平衡分布计算、氧化还原平衡计算、液—气平衡计算、矿物饱和指数计算，因此可筛选个别软件讲授基本原理及实例操作，课下让学生进行软件的实际操作与讨论应用。

2.2  开放实验

依托实验中心大型测试仪器，结合水文地球化学理论基础和课内基础性实验，以环境水化学讲授实验室水化学分析方法为实践基础，积极开展水文地球化学的综合实验。现已结合实验室条件开设的综合性实验包括利用离子色谱仪测试水体中的阴阳离子含量、LGR液态稳定水同位素分析仪基本原理及操作、地表水及地下水中有机碳等有机物含量的检测、农业开垦对土壤有机碳的影响分析、氢氧稳定同位素在蒸发过程中的分馏特征研究等多项开放实验。开放实验均采用小班教学（6～10人），课时在48～60课时之间，从实验方案的设计到样品的采集及前处理、样品测试、数据分析、异常处理、仪器操作及维护，均由学生全程参与，最后由学生小组提交开放实验报告，学生普遍反馈较好，获得良好的教学效果，在一定程度上提高了学生的实践能力。

2.3  第二课堂

由于水文地球化学课程涉及内容广泛，需要授课教师具备水文地质学、地球化学、无机化学、有机化学、同位素化学、分析化学、软件模拟、大型仪器操作等相关专业知识，而且需要从事过相关的工程实践，才能更好地帮助学生提升解决工程问题的能力，因此，这门课程对授课教师的要求非常高，可以让具备不同知识专长的教师共同讲授这门课

程[2]。在此基础上，根据各专任教师的特长，结合学生兴趣，以提升学生实践能力为出发点，探索开展第二课堂。在第二课堂的设计过程中，要注重对工程应用案例的知识点进行梳理，然后抛出工程案例的问题，启发学生积极思考如何灵活应用所讲授的知识点和理论去解决工程问题，提高学生的学习兴趣并使其主动思考[5]。

第二课堂要在专业人才培养方案的框架下以选修课的形式进行设计，需要完备的教学大纲、教学内容设计，比开放实验的要求更高，且对教师能力要求较高。因此，可以根据教研室相关专业教师的专长对第二课堂进行统筹设计，尤其要让具有行业工作背景的教师在充分了解行业需求、就业前景和学生兴趣的基础上参与教学内容的设计。

目前根据专业教师的专长，拟设计以下第二课堂内容。

1）基础理论方面拟设计同位素地球化学、环境地球化学等课程，可作为水文地球化学理论课程的专业延伸，体现水文地球化学在环境工程、地质、资源勘查等其他相关专业和行业的实践和应用，开阔学生专业视野。

2）大型仪器操作和实验方法方面拟设计现代环境分析技术、ICP-MS标准操作、样品前处理技术、水中污染物的LC-MS检测方法等课程，这部分内容主要涉及大型仪器基本原理、操作维护方法，不同污染物的检测方法等。另外，扩展在水及土壤污染物质检测方向的应用，提升学生操作大型仪器的能力，为学生创新创业搭建基础平台，提升其科研和创新能力。

3）工程应用技术方面拟设计污水处理、地下水修复技术、土壤污染场地控制与修复、污染场地生态修复工程等课程，这部分内容由具备行业经验的教师或者校外教师承担，结合工程案例，体现水文地球化学理论在行业中的具体应用，开阔学生视野，提高学生解决复杂工程问题的能力。

第二课堂注重培养学生的综合能力，包括解决复杂工程问题的能力、科研和创新能力，也从一定程度上对专任教师能力的提升起到促进作用。选修性质的第二课堂和以兴趣为导向的开放实验作为课内实践教学的扩展，搭建了创新创业平台，切实提升了学生的科研实践能力和创新能力，提高了学生的就业竞争力。

3  实践教学内容应用

地下水科学与工程专业人才的培养须经历地学思维至专业思维再至专业综合能力的转变，由认识实习、地质教学实习、专业生产实习、毕业实习所组成的专业实践教学体系发挥了举足轻重的作用，专业实习的教学质量直接影响本专业高素质人才的培养质量[6]。因此，将实习实践课程中的内容与水文地球化学相结合，既能够提高该课程课堂教学的水平，也能够促进实践教学质量的提升。

3.1  加强在生产实习和毕业设计中的应用

在地下水科学与工程专业的生产实习中加强对水文地球化学理论及实践知识的应用，在柳江盆地的水文地质调查中得到具体体现：

1）利用水化学及同位素的数据分析研究区地下水和地表水的转换关系;

2）判断地下水尤其是泉水的补给来源等;

3）柳江盆地地下水水化学特征分析;

4）岩溶区地下水水化学特征。

毕业设计是专业人才培养的最后环节，通过扎实的理论基础和部分实践课的开设，提高学生的动手能力，加强学生的科研思维和能力。学生在完成毕业论文的过程中能够自主使用水化学模拟和制图软件、水化学测试仪器等，充分发挥实践体系在毕业设计中的作用。

3.2  增强学生科研能力，实现科研促教学

在多年实践教学的基础上，结合大量的實地调研、采样与实验室数据分析，累积多年的柳江盆地地区地下水动态、水化学及同位素数据，具有一定的科研价值，在积累过程中提高了学生的实践能力，也提升了教师实践教学的水平。通过对科研成果的梳理和积累，科研成果均被应用到实践教学中，通过科研为学生提供的数据，为学生综合创新提供了平台基础，实现教学科研互相促进，学生的实践能力得到提升，创新能力得到提高。

基于开放实验搭建的创新创业平台开展了多项大学生创新创业训练计划项目，如“秦皇岛柳江盆地东部落泉群成因模式研究”“莘县废酸污染场地治理方案研究”“土壤介质中废酸污染垂向迁移和淋溶实验研究”。通过实践技能培养，通过学生的科研水平，为学生成长奠定良好的基础。

通过构建多层次实践教学体系，不断挖掘课程理论体系与专业实践的结合点，不断建设与行业背景相关的新案例，有效实现教学相长，在促进教与学的同时，增强教师和学生的社会责任感[7]。

4  结论

基于开放实验和第二课堂制度的水文地球化学课程实践教学改革，将实践教学与理论教学、专业实习、后续专业课程、行业需求相结合，探索提升实践课程教学质量的路径，初步创建以学生为主体、教师为主导，涵盖课内实验、开放实验、第二课堂的多层次实践教学体系，保障水文地球化学课程的实践教学质量，构建出一个增强防灾科技学院地下水科学与工程专业学生实践能力与创新精神的水文地球化学实践教学模式，有效地培养地下水科学与工程专业学生的实践能力与创新精神，提高教学质量，增强教师和学生的社会责任感，提升学生的就业竞争力。■

参考文献

[1] 孔慧敏，张莹，张莉丽，等.环境同位素水文地质课程教学研究[J].大学教育，2018（9）：64-66.

[2] 孙红福，颜瑞雯.水文地球化学课程面临的问题与挑战[J].中国现代教育装备，2019（7）：55-56，59.

[3] 李铎，李方红，燕良东.地下水科学与工程专业实验实践教学研究[J].实验室科学，2017，20（2）：113-116.

[4] 柴辉婵，刘启蒙，吴海波，等.新工科背景下地下水科学与工程专业实验教学平台升级研究[J].文化创新比较研究，2020，4（36）：33-35.

[5] 孙红福，赵峰华.基于OBE模式的“水文地球化学”特色教学研究[J].教育理论与实践，2019，39（18）：54-56.

[6] 谷洪彪，迟宝明，姜纪沂.地下水科学与工程专业抽水试验教学基地建设的思考[J].中国地质教育，2013，22（1）：82-85.

[7] 朱桃花，李魁明，张莹，等.防灾减灾类案例在物理化学教学中的应用研究：以地下水科学与工程专业为例[J].化学教育（中英文），2020，41（6）：82-85.

*项目来源：防灾科技学院教学研究与教学改革项目“基于开放实验和第二课堂的‘水文地球化学’实践教学改革”（项目编号：JY2019B04）。

作者：孔慧敏，防灾科技学院，中国地震局工程力学研究所，讲师，研究方向为同位素水文地球化学（150080）;张莹，防灾科技学院，副教授，研究方向为水、土污染的联合修复;谷洪彪，防灾科技学院，教授，研究方向为地震地下流体;张瑞蕾，防灾科技学院，讲师，研究方向为应急技术（065201）。