水文地球化学课程案例库建设及教学实践效果研究_邱淑伟.pdf

收稿时间 2021-05-12基金项目 河北省专业学位教学案例库建设项目（KCJSZ2020095）；河北地质大学教学改革研究项目资助（2020-053）。河北地质大学校内青年项目（QN202144）。作者简介 邱淑伟（1987），女，吉林人，博士，讲师，研究方向：水土环境模拟、控制与修复。2022年12月December，2022University Education摘要 水文地球化学是地下水科学与工程专业、水文与水资源工程专业本科生的专业必修课，课程基本理论较深，同时强调实践能力和分析问题能力的培养。水文地球化学课堂以教师为中心的传统教学方式依然存在。在传统教学方式下，学生缺乏学习主动性，只局限于对理论知识的机械记忆；教材中缺少与知识点对应的工程案例，学生无法做到理论联系实际。基于以上问题，建设水文地球化学课程教学案例库势在必行。案例教学法将传统的教学转变为以学生为中心的教学，教师结合课程重要知识点，通过案例情境带入，引导学生发现问题、自主探讨问题、最后解决问题。此方法能有效激发学生对专业的学习热情，帮助学生理解理论知识并将其应用于实际工程中，提高学生实践能力的同时，促进学生对科研的热爱并激发创新能力。关键词 水文地球化学；案例教学；工程案例；实践创新中图分类号 G642 文献标识码 A 文章编号 2095-3437（2022）12-0106-03一、案例库建设的意义水文地球化学是河北地质大学（以下简称“我校”）地下水科学与工程专业、水文与水资源工程专业本科生的专业必修课，在课程设置中占据重要地位，是在地质学、地球化学、水文地质学基础、地下水动力学等课程的基础上发展起来的，同时为后续专门水文地质学、地下水数值模拟、地下水环境质量评价、地下水溶质运移理论等专业课程奠定理论基础。通过本课程的学习，学生应学会分析地下水的成因类型、地下水的化学成分特征以及元素在地下水中的迁移性能，最终可以对一个地区的地下水资源性质及其形成条件进行分析评价1。水文地球化学课程重视对基本理论和基本方法的讲解，同时强调对实际问题的分析、实验的设计和动手操作能力的培养2。水文地球化学课程受整体学时限制，缺少如水分析化学等相关试验操作类的先导课程，需额外承担水分析实验以弥补学生实验操作的不足，同时课程内容涉及众多的地下水化学作用原理及地下水化学组分形成原因机理分析，是一门难度极大，但在水文地质工程领域非常实用的课程。水文地球化学涉及的知识点非常多，限于总体篇幅及课时安排，教材无法放入太多的工程实例，因此学生只能机械地学习知识点，无法做到将理论应用于工程实际。以上原因导致目前该课程教学在学生实践能力、劳动技能、综合分析能力培养方面存在诸多不足，其中，学生无法做到将理论应用于工程实际成为本课程最难解决的问题。因此，急需引入新的教学模式。案例教学法自1987年提出以来，已被广泛应用于各学科领域的教学中3。通过实际工程案例与对应的理论知识相结合，学生更容易理解掌握知识点，也更容易建立完整的知识体系；学生在分析案例、解决案例问题的时候，促进了他们的自主探索、实践和创新能力的提高4。冶雪艳等5采用案例教学法对水文地质学基础课程进行了教学改革，提出了教师讲解型和学生讲解型案例的划分。崔芳鹏等、孙建等6-7将案例教学法应用于专门水文地质学、矿山岩石学等课程，取得了良好的教学效果。实践表明，在教学中采用案例教学法，可以显著提高课堂教学质量。因此，应针对水文地球化学课程授课过程中存在的各种问题，建设教学案例库，以期提高水文地球化学课程的教学质量。二、案例库建设情况我校水资源与环境学院地下水科学与工程专业、水文与水资源工程专业共5个教学班开设了水文地球化学专业必修课。经过近20年的课程建设，水文地球化学课程内容逐渐完善。水文地球化学课程总学时为48学时，其中课堂教学42学时、实验教学6学时；教材选定为 水文地球化学（钱会等主编）2。本课程课堂教学主要研究地下水化学成分形成作用及其演化机理、水动力弥散的基本理论、同位素水文地球化学及水文地球化学模拟等。本课程总体分为六章：第一章为地下水的化学成分，是从事水文地质工作的基础和基本技术；第二章为地下水化学成分的形成作用，主要为溶解沉淀平衡、碳酸平衡、氧化还原反应与平衡、吸附解吸及离子交替吸水文地球化学课程案例库建设及教学实践效果研究邱淑伟1闫佰忠1李铎1于开宁1由久印21.河北地质大学水资源与环境学院，河北石家庄0500312.河北省石家庄市第二中学，河北石家庄050000106University Education附，是课程的核心和重点内容；第三章为化学元素在地下水中的迁移，主要为水动力弥散现象及机理、弥散参数、弥散方程及解析解，是课程的另一个核心和重点内容；第四章为同位素水文地球化学，主要讲解氢氧同位素、放射性同位素在地下水研究中的应用；第五章为地下水污染，主要为地下水污染源、污染物、地下水水质评价方法；第六章为水文地球化学模拟，主要内容是水溶组分平衡分布计算、质量平衡模拟。本课程的实验教学内容主要包括岩土离子交换吸附实验和地下水重金属污染物淋滤模拟实验两部分。配合教材，对本课程主体六个章节内容确立教学案例，运用工程科研项目和计算机技术（主要借助origin、Gibbs、Piper、GMS、PhreeQC等）开发课程案例资源库，主要包括涉及地下水化学成分图形表示、溶解沉淀平衡、碳酸平衡、氧化还原稳定场、等温吸附及阳离子交替吸附、弥散、溶质运移机理、弥散试验设计、氢氧稳定同位素确定地下水来源、放射性同位素测定地下水年龄、地下水水质评价、水文地球化学模拟等知识的11个案例。研究开发的案例在教材各章节中均有分布，具体案例和内容衔接情况如下。案例相关资料：石家庄平原区地质、水文地质资料，地下水水质污染相关资料；石家庄市东部地区地下水水质、锶型矿泉水水质、土样、岩石样资料；石家庄市氢氧同位素、氚同位素资料。案例所需计算机程序及软件：Excel、origin2017、Piper、GMS、PhreeQC等。案例1：地下水化学成分计算及图形表示以石家庄市东部地区矿泉水相关地质、水文地质资料为基础，基于矿泉水测试数据，对研究区水化学成分进行计算，并用origin、Piper软件绘制图形对地下水水质加以表示，讲述地下水的化学成分、地下水水质综合指标及图形表示方法。案例2：地下水化学成分成因分析以石家庄市东部地区矿泉水监测资料、地下水化学成分结果为基础，从溶解/沉淀作用、碳酸平衡作用、氧化还原反应等水文地球化学作用综合分析石家庄市东部地区矿泉水化学成分成因。案例3：浸溶试验交替吸附作用水和岩土间的交替吸附对地下水化学成分的形成和演变起到重要的作用，而且在一定条件下，对溶质的迁移，特别是对污染溶质的迁移，起到重要的控制作用。采集石家庄市东部地区土样，教师设计室内浸溶试验，将土样破碎筛分，利用已知浓度的NaCl溶液对岩样进行浸泡，讲解交替吸附作用。案例46：化学元素在地下水中的迁移以石家庄市东部地区矿泉水中锶迁移过程为例，分别建立一维土柱试验、二维平面砂槽弥散试验及三维砂箱弥散实验，演示水动力弥散现象，建立水动力弥散方程，求解弥散系数。此部分内容设计3套教学案例。案例16可串联为一个整体案例，综合分析石家庄市东部地区锶型矿泉水成因及迁移机理。案例78：同位素水文地球化学讲解氢氧稳定同位素及放射性同位素在矿泉水溯源、地下水年龄测定中的应用。根据河北平原地区大气降水、地表水、地下水氢氧稳定同位素资料，对氢氧同位素如何在水文地质研究中确定地下水补给来源、补给区高度、补给源混合比例、各类水体间水力联系等进行讲解。根据放射性氚和14C资料，讲解放射性同位素在地下水年龄测定中的应用。此部分内容建立案例2套。案例9：地下水水质评价以石家庄某地区地下水水质污染调查及监测资料为基础，选择评价因子，根据评价标准，采用23种评价方法对地下水水质进行评价。案例10：地下水溶质运移模型结合石家庄市地质、水文地质、地下水水质数据，利用GMS软件建立地下水溶质运移模型，讲述软件运用方法、数值模拟方法及结果分析方法。利用MT3D模块模拟地下水系统中的对流、扩散问题。案例11：水溶组分平衡模拟结合石家庄市地下水水质数据，利用 PhreeQC 软件，建立低温水文地球化学模拟，对水溶组分平衡。水-岩界面所发生的物理化学反应进行模拟，讲述软件运用方法、数值模拟方法及结果分析方法。解决水-岩相互作用系统中平衡热力学和化学动力学问题。三、案例实践及教学效果（一一）案例实践实例案例实践实例综合分析石家庄市东部地区锶型矿泉水成因及迁移机理案例第一部分，以地下水化学成分计算及图形表示案例为主，详细介绍案例教学实践过程。实践过程主要分为三步：教师提供案例引出问题、师生共同分析问题、学生组成团队自主探讨解决问题。1.引出问题教师根据课程重要知识点地下水的化学成分及地下水水质综合指标及图形表示方法，给出已准备好的典型工程案例，将实际工程问题引出。实测地下水水质资料表明，石家庄市东部地区地下水满足锶型矿泉水水质标准。为综合分析石家庄市东部地区锶型矿泉水成因及迁移机理，基于矿泉水测试数据，首先对研究区水化学成分进行计算，并用专业软件绘制图形，对地下水化学成分加以表示。2.分析问题分析问题可分为师生共同分析问题和学生自主分析问题两种方式，对于本案例采用师生共同分析问题方式。教师若只引出问题而不进行阐述和引导，初步学习专业相关理论的学生就会感到迷惑，应引导学生将理论知识逐渐融入实际问题中，同时介绍行业相关解决方法。如针对科学前沿问题的追踪，培养学生的文献检索能力，同时引导学生对重点、经典文献的写作方式，科学107问题的分析方法，数据的分析处理方法，数据应用价值的深度剖析方法，文章创新点的提出方法等8进行学习。本案例针对知识点（1）地下水的化学成分、知识点（2）地下水水质综合指标、知识点（3）地下水化学成分图形表示方法进行分述。知识点（1）：本案例地下水的化学成分包括无机物、有机物、气体和微生物等。本案例石家庄市地下水水质监测数据涉及无机物组分中的主要组分（重碳酸根、氯离子、硫酸根、钠、钙、镁）和微量组分（碳酸根、锶和偏硅酸离子）、气体（游离二氧化碳）。地下水中各组分含量可能与微量元素偏硅酸含量存在相关关系，故需要对各离子组分当量浓度进行计算，同时为进行图形表示，也需对各化学组分当量浓度进行计算。教师引导学生回顾水文地质学基础课程及本教材中关于当量浓度及库尔洛夫式的公式计算方法。知识点（2）：与本案例有关的地下水水质综合指标需分析pH值、氧化还原电位、溶解性总固体等。地下水中锶含量及成因与地下水流经的地层地质环境、水化学环境相关。pH值可影响离子在水溶液中的存在形式、溶解度。地下水与围岩的相互作用，是重要的综合性物理化学指标。氧化还原电位、溶解氧可表征水体氧化还原状态，氧化还原条件对锶元素在水中的存在形式及迁移、富集有巨大影响。溶解性总固体高低反应地下水与围岩之间的水化学作用。以上这些概念的理清可为后续综合分析石家庄市东部地区锶型矿泉水成因及迁移机理打好基础。知识点（3）：教材中介绍的图形表示方式主要有离子浓度法、三线图法、库尔洛夫式法。针对本案例，教师引导学生结合水质监测数据，对三种方法逐一进行计算和图形表达，同时推荐利用软件如origin、Piper自动计算并绘制图形。教师要告知学生，问题的解决方法并不唯一，要跟踪学术前沿进行文献检索，在学习基本理论的同时还应探索新的解决方法；还要强调，软件的使用虽能节约时间，但仍然要牢固掌握最重要的基础知识理论，这样才能以不变应万变。3.解决问题引导学生自主组成团队，学生在组内讨论，自己寻找解决问题的方法。此环节要求学生将探讨过程、最终选定的方法、选择此方案的理由、数据处理的过程、最终生成的结果逐条进行记录，最终安排各小组进行PPT汇报，并由各组互评打分，此过程强调学生的实践和创新能力。学生自发选择兴趣相同的队员组成团队，避免了一些学生浑水摸鱼、不劳而获的现象。团队组成的过程可锻炼学生的表达能力、演讲能力，加强学生与学生之间、学生与教师之间的沟通。（二二）案例教学效果案例教学效果案例教学法提高了地下水科学与工程专业、水文与水资源工程专业学生对于水文地球化学课程的兴趣。案例分析过程中，学生的课堂表现较为活跃，改变了以往教师“一言堂”授课的沉闷气氛，师生互动性好。案例教学使学生真正地将所学理论知识运用于实践，利用专业知识和原理解释水文地球化学现象；针对复杂的水文地球化学问题，学生学会分析问题，找准切入点，自主寻求解决方案；学生自主学习文献检索方法、数据分析处理方法、软件绘图方法、数值模拟方法、复杂工程问题的预测和模拟方法，并能设计出具有一定创新性的解决方案。案例教学也提高了学生对于专业的兴趣和对科研的热爱。本课程组教师带领学生组建了学习兴趣小组，辅导地下水科学与工程专业学生在中文核心期刊发表了两篇论文9-10。分析问题的过程，也拉近了教师与学生之间的距离，学生普遍对课程教学效果感到满意。四、结论水文地球化学课程通过将实际工程与课程知识点相结合，筛选、整理出11套教学案例，将刻板的理论知识融于实践，提高了学生对理论知识的认知，激发了学生的学习热情，同时增强了学生解决本水文地质问题、水文地球化学相关工程问题的能力和科研、创新能力，最终使学生真正快速完成工程项目，将课程理论运到实践中。教师在今后的教学中仍需深入探究案例教学方法：针对复杂的基础理论，要再次筛选、优化工程案例，形成高质量的教学案例库；复盘授课过程，持续迭代改进存在的问题；根据学生反馈，查找存在的问题，反思授课方式；新教师要向老教师请教，虚心接受同行督导，逐步完善授课技巧。完善后的案例教学法可推广至相似课程如地下水环境质量评价、地下水溶质运移理论等，以进一步提高地下水科学专业课程授课效果。参考文献1 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