環(huán)境同位素水文地質課程教學研究

孔慧敏 張 瑩 張莉麗 張耀文

（1.防災科技學院地震科學系，河北 廊坊 065201；2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

○、前言

環(huán)境同位素水文地質屬于地下水科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的開放選修課程模塊，課程性質為專業(yè)選修課，其理論性、科學性和實踐性很強。同位素水文地質是20世紀60年代發(fā)展起來的一門新興學科，為研究地下水提供了一種新的有效手段，有助于從宏觀和微觀上闡明水文地質過程的機理［1］。隨著測試技術的不斷發(fā)展，同位素方法在地下水循環(huán)、水巖相互作用、地下水污染來源示蹤等方面都得到了廣泛的應用。環(huán)境同位素作為天然示蹤劑參與到水循環(huán)的每一個階段，在大氣循環(huán)、水汽凝結、蒸發(fā)、滲透、散發(fā)等過程中會產生同位素分餾作用，顯示出不同的演化規(guī)律和組成特征。因此，借助于環(huán)境同位素在水循環(huán)過程中的標記特點，尤其是氫氧穩(wěn)定同位素，在揭示包氣帶水分運移、地下水循環(huán)等方面都得到了廣泛的應用。

近年來，由于人類活動的影響，地下水開采量逐漸增大，許多地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的地下水超采，區(qū)域性水位下降、包氣帶厚度增大、地下水咸化及地下水污染等一系列問題，嚴重制約了地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。尤其是西北干旱—半干旱地區(qū)，社會經濟發(fā)展的最大制約因素是水資源以及因缺水造成的十分脆弱的生態(tài)環(huán)境［2］。新的形勢對地下水科學與工程專業(yè)的教師和學生提出了新的要求，要善于利用新技術新方法解決與地下水資源開發(fā)和利用相關的問題。因此要全面意識到新技術方法在人才培養(yǎng)中的作用，根據社會需求、學科發(fā)展要求、崗位需求、學生能力制定科學合理的教學目標，積極地進行課程教學改革，不斷適應新變化和新要求，符合我國高校對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。應積極采取各種形式的教學改革、教學手段、實踐活動、產學研相結合等方式，以便保障創(chuàng)新型人才的全面培養(yǎng)，滿足當代社會對創(chuàng)新型人才的不斷需求［3］。

本文以防災科技學院地下水科學與工程專業(yè)環(huán)境同位素水文地質課程的實際課堂教學改革為例，結合人才培養(yǎng)方案的調整，明確課程在人才培養(yǎng)過程中的作用和教學目標，從理論內容的優(yōu)化，課內實驗及開放實驗的開發(fā)，專業(yè)實踐能力的提升，學生科研能力的培養(yǎng)等方面探索課程教學的改革。通過理論的優(yōu)化及實踐能力的提升，能充分提高學生的學習主動性及本門課程在專業(yè)領域的實用性，以科研促教學，培養(yǎng)地下水科學與工程專業(yè)學生的實踐能力與創(chuàng)新精神，真正提高教學質量，增強學生的就業(yè)競爭力。

一、環(huán)境同位素水文地質課程在人才培養(yǎng)過程中的作用

環(huán)境同位素水文地質課程是地下水科學與工程專業(yè)的專業(yè)選修課。它以環(huán)境同位素技術為手段，包括地下水和其溶質組分以及環(huán)境介質中環(huán)境同位素分布、時空演化規(guī)律的基本理論，以及運用這些基本理論在水文地質學中的具體應用技術。其主要內容包括同位素的基本概念，穩(wěn)定同位素的分餾原理，放射性同位素的衰變原理，氫、氧、碳和硫等穩(wěn)定同位素的水文地球化學特點，同位素技術在地下水示蹤和水循環(huán)、地下水的定年和可更新能力的判斷，同位素樣品的采集技術與測試技術等。

同位素水文地質學是水文地質學的一個重要組成部分，同位素技術已成為解決許多水循環(huán)難題的精確手段，有助于深化水文地質科學工作者對天然水的認識層次。通過該課程的教學使學生掌握利用同位素技術研究地下水地表水的運動速率和混合作用、地下水年齡的測定、地下水地表水之間的補排關系、地下水污染、在地震預報中的應用等方面的基本理論和方法，為解決地下水資源及其環(huán)境問題以及地震地下流體研究相關的監(jiān)測、評價奠定理論基礎。

二、環(huán)境同位素水文地質課程的教學目標

近年來，本科院校人才培養(yǎng)方案不斷調整的整體方向是壓縮理論課時、增加實踐課時，去除老舊理論、增加新技術新方法，舍棄“一言堂”教學、進一步增加開放及討論式教學，降低學生的畏難情緒、提高學生自主學習能力。因此需要高校教師及時做好課程更新和教學反思，從教學理念、教學方法和教學過程多方面進行反思，和學生保持較高頻率的課堂和課后互動，也需要及時對人才培養(yǎng)方案調整后的教學目標進行重新梳理，調整教學方法并進行教學改革，使學生不僅實現(xiàn)知識目標和能力目標，更實現(xiàn)較高的素質目標。

（一）知識目標

通過課程學習，使學生能夠學習和理解環(huán)境同位素的基本概念、物質組成的表示方法、常用穩(wěn)定同位素和放射性同位素的水文地球化學基本理論等基本知識。

（二）能力目標

在掌握環(huán)境同位素水文地球化學的基本概念、基本理論的基礎上，能結合水文地質條件，應用所學知識解決實際工作中的水文地質問題；理論與實踐相結合，掌握初步的地下水同位素樣品的采集和布點，能夠科學合理地解釋同位素數據，掌握同位素水文地質工作的流程和方法。

（三）素質目標

通過理論與實驗教學，使學生了解環(huán)境同位素水文地質學的基本原理、知識體系和現(xiàn)代研究領域的前沿與成就，培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題的邏輯思維能力，訓練學生掌握環(huán)境同位素水文地質學的基本研究方法和研究技能，引導學生學好專業(yè)知識奠定良好的科學素質與知識基礎，具備一定的科研素養(yǎng)和興趣，能夠主動提出問題，并具備解決相關科學問題的初步能力。

三、環(huán)境同位素水文地質課程的教學改革

（一）優(yōu)化理論內容

環(huán)境同位素水文地質課程的總課時為32課時，均為理論課時，根據2016級人才培養(yǎng)方案的調整原則，在總課時不變的前提下增加實踐課時的比重，現(xiàn)將理論課時調整為28課時，增加4課時的實踐課程。因此對理論部分進行了相應壓縮和精簡。例如，壓縮氚法和碳14法測定地下水年齡的內容，精簡天然水中氫氧同位素的組成與分布規(guī)律，增加氫氧穩(wěn)定同位素的取樣及測試內容。

（二）加強與先導課程的銜接

本課程的相關先導課程包括：水文地質學基礎課程，研究地下水在巖石圈、地幔、水圈、大氣圈、生物圈和人類活動相互作用下，其水量與水質在時間和空間上的變化，以及對各個圈層產生的影響；水文地球化學課程，其研究對象不僅是地下水本身，而且包括地下水活動過程中各種水文地球化學作用對各種地質現(xiàn)象的影響和關系，為本課程教學提供扎實的理論基礎；環(huán)境水化學課程或水分析化學課程，主要講授實驗室水化學分析方法，提高學生的實際操作能力，為開展環(huán)境同位素水文地質的綜合實驗奠定了良好的實驗操作及理論基礎。因此，在課堂教學中應將地下水中同位素的組分及特點、同位素效應、地下水污染示蹤等內容與以上課程進行有效結合和銜接，避免出現(xiàn)重復。

（三）增設課內實驗

為提高學生的實踐能力，增設課內必做實驗“氫氧穩(wěn)定同位素的取樣及測試”，介紹同位素樣品的采集技術，野外現(xiàn)場樣品采集的流程及注意事項，LGR液態(tài)穩(wěn)定水同位素分析儀測試原理、操作及維護方法。但由于課時及實驗場地有限，將其設置為分組演示性實驗。

（四）開發(fā)課外實驗

為彌補課時及場地的不足，給學習成績較好且對實驗操作感興趣的學生提供機會，應充分利用開放實驗及實踐課程，任課教師在相應學期開設36至48課時的綜合性實驗。經過兩年實踐，已成功開設兩期“氫氧穩(wěn)定同位素在蒸發(fā)過程中的分餾特征”開放實驗，實驗內容為通過控制含水介質中地下水中離子的種類、含量、pH值、溫度等條件，模擬地下水水質演化對飽和孔隙介質地下水中氫氧穩(wěn)定同位素分餾的影響機制，確定影響飽和孔隙介質中氫氧同位素分餾的因素。

開放實驗均采用小班教學，從實驗方案的設計、樣品的采集及前處理、樣品測試、數據分析、異常處理、儀器操作及維護，均由學生全程參與，最后小組提交開放實驗報告，學生反饋較好，獲得良好的教學效果。

（五）加強課程內容在生產實習中的應用

我國地學教育教學模式表明，實踐教學是人才培養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)，充分的實驗室教學實習和野外實踐都是培養(yǎng)地學人才的重要途徑［4-6］。地下水科學與工程專業(yè)人才的培養(yǎng)需經歷地學思維至專業(yè)思維再至專業(yè)綜合能力過程的轉變，因此，由認識實習、地質教學實習、專業(yè)生產實習、畢業(yè)實習所組成的專業(yè)實踐教學體系具有舉足輕重的作用。專業(yè)實習的教學質量直接影響本專業(yè)高素質人才的培養(yǎng)質量，因此，將實習實踐課程中的內容與環(huán)境同位素水文地質的課堂教學相結合，能夠提高課堂教學的水平，也能夠促進實踐教學水平的提升。

在地下水科學與工程專業(yè)的生產實習中加強對環(huán)境同位素水文地質理論及實踐知識的應用，在柳江盆地的水文地質調查中得到具體的體現(xiàn)：（1）利用水化學及同位素的數據分析研究地下水和地表水的轉換關系。（2）判斷地下水尤其是泉水的補給來源等。（3）根據當地的大氣降水線，判斷蒸發(fā)作用的影響程度。（4）氫氧穩(wěn)定同位素樣品的現(xiàn)場采集。以上內容在生產實習“東部落泉群成因分析報告”和“黑山嘴溫泉成因分析”等專題中均有體現(xiàn)。

在多年實踐教學的基礎上，結合大量的實地調研、采樣、實驗室數據分析，累積了多年的柳江盆地地區(qū)地下水動態(tài)、水化學及同位素數據，對秦皇島柳江盆地的地下水化學及同位素特征、地下水循環(huán)特征、地下水污染現(xiàn)狀、典型泉群成因進行了系統(tǒng)的研究，具有很高的科研價值，也提升了實踐教學的水平。

（六）增強學生科研能力，實現(xiàn)科研促教學

通過扎實理論基礎的奠定和部分實踐課的開設，提高學生的動手能力，加強學生的科研思維和能力，發(fā)揮本課程的理論實踐技能在本科畢業(yè)論文中的作用。例如，“基于水化學及同位素的柳江盆地東部落泉成因研究”［7］，“基于同位素技術的潮白河地表水及地下水轉化關系研究”［8］，“柳江盆地淺層地下水水化學演化規(guī)律淺析”［9］等多篇本科畢業(yè)論文。

結合教學內容，本專業(yè)教師在柳江盆地開展了以提高實踐教學質量為目的的多項科研工作，例如中國地震局教師科研基金項目“基于水化學及同位素的柳江盆地東部落泉成因研究”，以及大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“秦皇島柳江盆地東部落泉群成因模式研究”，并榮獲二等獎。結合課程及實驗室基礎條件，本專業(yè)師生已有多篇學術論文產出，例如《瓶裝飲用水的水化學、同位素特征及其指示意義》［10］、《基于水化學及D、～（18）O的柳江盆地東宮河流域地下水循環(huán)特征解析》［11］等。通過實踐技能培養(yǎng)，增強學生的科研水平，為學生的深造搭建一個寬闊的平臺。

通過對科研成果的梳理和積累，科研成果均轉化到實踐教學中，為學生綜合創(chuàng)新提供平臺基礎，實現(xiàn)教學科研相互促進，學生實踐能力、創(chuàng)新能力得到提高。

四、結論

環(huán)境同位素水文地質課程作為地下水科學與工程專業(yè)課程體系的重要組成部分，在專業(yè)人才目標培養(yǎng)上起到至關重要的作用。通過理論教學與實踐教學，使學生了解環(huán)境同位素水文地質學的基本原理、知識體系和現(xiàn)代研究領域的前沿與成就，掌握環(huán)境同位素水文地質工作的基本流程和基本方法，既實現(xiàn)了知識目標，又實現(xiàn)了能力目標和素質目標。

經過對理論及實踐內容的改革，課堂教學質量不斷提升，實現(xiàn)了理論教學與實踐教學的有機融合，充分調動了學生學習的積極性，提高了學生學習的興趣，增強了本門課程的實用性，訓練學生掌握環(huán)境同位素水文地質學的基本研究方法和研究技能，為學生學好專業(yè)知識奠定了良好的科學素質與知識基礎，培養(yǎng)了學生獨立分析、解決問題的邏輯思維能力；提高了地下水科學與工程專業(yè)的人才質量，增強了學生的就業(yè)競爭力；并在不斷的科研和教學的融合過程中，逐漸形成了基于教科研融合的地下水科學與工程專業(yè)學生綜合實踐能力培養(yǎng)模式，教學科研互相促進，有利于培養(yǎng)地下水科學與工程專業(yè)學生的實踐能力與創(chuàng)新精神。