室內—野外—虛擬仿真混合教學探索與思考
——以“地下水動力學”抽水試驗為例

張曉博，劉延鋒，成建梅

（中國地質大學〔武漢〕 環(huán)境學院，湖北 武漢 430074）

“地下水動力學”是針對地下水科學與工程專業(yè)和水文與水資源工程專業(yè)開設的一門以達西定律為理論基礎，研究地下水在多空介質中運動規(guī)律的學科［1-2］。由于“地下水動力學”課本中涉及了大量、復雜的推導數(shù)學公式的過程，使得一些數(shù)學基礎薄弱的學生在感到晦澀難懂［3］，難以掌握課程的核心內容，更無法將課程理論運用于工程實踐，無法達到良好的教學效果。因此，“地下水動力學”課程的實踐性決定了其在理論教學過程中必須輔以物理模型基礎實驗，使學生更加深入地掌握地下水動力學理論。

裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗和抽水試驗是“地下水動力學”實驗中的重要內容，也是最為接近實際地下水工程問題的基礎實驗，它能夠幫助學生更好地理解地下水向井的運動規(guī)律，以及掌握獲取野外含水層水動力參數(shù)的方法。隨著數(shù)字化進程的加快，三維虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)為現(xiàn)代化教學提供了技術支持，虛擬實驗室在實驗教學方面所呈現(xiàn)出的重要作用受到普遍重視［4-5］，其優(yōu)勢包括高效、開放、真實和經濟。開發(fā)野外含水層抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)能夠彌補現(xiàn)實教學條件的不足，優(yōu)化實驗教學體系，保障教學質量，是新工科建設的重要一環(huán)。因此，本文以“地下水動力學”抽水試驗為例，重點探討了室內—野外—虛擬仿真混合教學模式對現(xiàn)代化教學的重要意義。

一、單一實驗教學模式存在的問題

（一）裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗

“地下水動力學”所涉及的地下水向井運動規(guī)律的實驗主要包括室內裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗和野外非穩(wěn)定抽水試驗，由于野外試驗場地的限制，很多高校在“地下水動力學”的實驗教學大綱中僅安排了裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗。其實驗裝置主體是一個圓心角為30°的扇形滲流砂槽［6-7］，該裝置所模擬的是一個圓島潛水含水層，圓島外側具有定水頭補給邊界，中心設置有一口恒定流量的抽水井。利用該實驗裝置，可以讓學生觀察圓形定水頭邊界潛水井流的水動力現(xiàn)象，并利用實驗資料求出含水層的滲透系數(shù)。

該實驗裝置的優(yōu)點在于結構簡單，方便制作，占地面積不大，因此，可用作室內實驗課程教學。其后壁的測壓管可以實時監(jiān)測不同深度點位的水頭值，通過這些點位的測壓水頭值可以繪制地下水向井運動的流網(wǎng)和水頭線，從而讓學生直觀地了解和掌握地下水向井的運動規(guī)律。該實驗裝置也存在一定的局限性。首先，該模型為有限含水層，其含水介質是粒徑均勻的砂粒，補給水頭和補給半徑恒定的條件過于理想，與實際情況相差較大。其次，室內物理模型只是簡化后的理想模型，其僅能實現(xiàn)裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗教學，而無法滿足無限含水層中單個定流量的抽水試驗，學生也很難了解實際水文地質工程中所開展的抽水試驗及野外含水層的求參方法。

（二）野外非穩(wěn)定流抽水試驗

非穩(wěn)定流抽水試驗是指在抽水鉆孔中僅保持水量穩(wěn)定并使水位不斷改變，或僅保持水位穩(wěn)定使水量不斷改變。非穩(wěn)定抽水試驗的目的是用人工控制的方法使鉆孔周圍含水層中發(fā)生地下水的非穩(wěn)定運動，在抽水井附近的不同距離處布設多個觀測井，并利用人工或自動監(jiān)測的手段，記錄觀測井中水位降深隨時間的變化數(shù)據(jù)，該實測數(shù)據(jù)通過相應的抽水試驗模型計算值的擬合過程，即可測求含水層的導水系數(shù)（T）、滲透系數(shù)（K）和釋水系數(shù)（S）［8-9］。

抽水試驗是綜合性教學內容，需要學生相互協(xié)同配合，開展野外抽水試驗的前提是建設一個試驗場地，包含一口抽水井和至少一口觀測井，同時需要配備汽油發(fā)電機、深井潛水泵、地下水三參數(shù)探頭、流量計、水位尺和電腦，相比于室內裘布依井流實驗，抽水試驗更加注重實際應用，能夠培養(yǎng)學生的動力操作能力及分工合作意識。除此之外，學生可以通過抽水試驗接觸與實際水文地質工程相關的工作，了解地下水監(jiān)測的手段，達到產—學—研相結合的目的。同時，抽水試驗的工程性質決定了其不利于在高校教學中推廣。首先，野外試驗場地的建設需要做好詳細的水文地質調查工作，對抽水井所揭露的含水層類型（承壓含水層、越流含水層、潛水含水層等），以及抽水井（完整井，非完整井）是否完整揭露了整個含水層等因素進行充分調研。其次，野外場地的征用要與相關部門做好協(xié)商。工程施工期間是否對農田及林業(yè)有所破壞，鉆井施工完成后，除了用于教學外，當?shù)鼐用竦氖褂眉般@井的日常維護工作如何落實，等等，都需要有詳細的論證報告。最后，場地建設的資金投入需要高校自己解決。因此，很多開設“地下水動力學”課程的高校因場地或經費的限制沒有安排野外抽水試驗的教學內容，這對實踐性較強的“地下水動力學”課程來說，無法達到最佳的教學效果。

（三）野外含水層抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)

抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)是基于C/S模式下的抽水試驗實現(xiàn)B/S模式下的相應功能，具有相應的數(shù)據(jù)接口和圖形可視化功能，利用組件式含水層、自計水位計等設備設計多種虛擬抽水試驗情景來還原真實的野外抽水試驗場景，使學生更加深入地理解水文地質條件，掌握抽水試驗的設計和利用抽水試驗數(shù)據(jù)獲取水文地質參數(shù)的過程，為后期地質工作提供理論及實踐技能［10］。

虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠與其他學科虛擬實驗室之間加強合作，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。使用者不但能從實驗過程中獲取實驗信息，而且能根據(jù)實驗信息的變化修正實驗環(huán)境和性能，更好地進行實驗。隨著三維技術和三維視覺技術的發(fā)展，使得虛擬實驗環(huán)境更加接近實際，實驗者感覺更真實，如同身臨其境，從而提高了實驗效率。然而，虛擬仿真系統(tǒng)并不能完全替代傳統(tǒng)的野外抽水試驗教學，虛擬環(huán)境教學和現(xiàn)實環(huán)境教學之間應該相互補充與配合，盡管虛擬仿真平臺能夠完成不同條件下的抽水試驗，但是實際的野外操作會讓學生對抽水試驗有更加深刻的認識。

二、室內—野外—虛擬仿真混合教學探索

抽水試驗分別涉及室內裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗、野外非穩(wěn)定流抽水試驗和野外含水層抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)，這三種實驗教學模式分別有各自的優(yōu)缺點，如果只采用其中一種模式進行實驗教學，無法得到理想的效果，學生對抽水試驗的認知也會存在欠缺。因此，中國地質大學（武漢）針對“地下水動力學”課程的實驗教學進行了改革，探索抽水試驗的室內—野外—虛擬仿真混合教學模式。

（一）野外試驗場建設

野外試驗場是以教學為目的的試驗場地，旨在加強學生的實踐經驗和動手能力等。中國地質大學（武漢）的地下水動力學實驗教學和科研工作一直處于國內領先水平。中國地質大學（武漢）環(huán)境學院于2019年7—8月搬遷至未來城校區(qū)，針對該課程的實驗設備，如裘布依型穩(wěn)定流井流實驗儀等進行了全面的更新升級，實驗室面積118 m2，能夠滿足每年10個班的本科生室內實驗教學。然而，隨著學科內容的發(fā)展、各項技術的應用推廣及專業(yè)培養(yǎng)需求的日益完善，當前的室內實驗教學內容單一，已無法滿足實際的教學需求。未來城校區(qū)目前沒有地下水鉆井可供實驗教學使用，課程實驗大綱也沒有設置非穩(wěn)定流抽水試驗。為了使學生更好地掌握“地下水動力學”課程，開展野外抽水試驗必不可少，因此，中國地質大學（武漢）于2021年12月委托鉆井施工單位在未來城校區(qū)南門附近鉆探監(jiān)測井，鉆井位于二疊系灰?guī)r含水層上。鉆井項目于2022年1月完成施工，包含1個主井（深度75米）和2個觀測井（深度50米），水位埋深在30米左右，水量中等。通過開展的多次單孔和多孔抽水試驗，認為場地滿足開展野外各類抽水和示蹤試驗教學的需要。野外試驗場地的成功建設能夠增加系列開放性實驗內容和課程設計內容，為學生提供更多的實驗和實習機會，促進“地下水動力學”國家一流課程建設。

（二）抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)建設

在水文地質領域中，抽水試驗被廣泛用于獲取野外含水層的水動力參數(shù)、評估含水層的富水性、基坑或礦坑的涌水量等。由于經費有限，課程學時有限，不論是現(xiàn)有的室內抽水試驗裝置，還是野外抽水試驗裝置，往往比較單一。例如，單層單井承壓含水層只有一套裝置，不利于分組學習。

“地下水動力學”抽水試驗的類型比較多（多層、多孔等），學習該課程的人數(shù)也較多。受試驗場地的條件限制，復雜的抽水試驗的學習內容只能由教師描述性地介紹，難以滿足學生體驗從基本的實驗技能到深入探索實驗，再到研究性實驗全過程的需求，嚴重影響了實驗的教學效果，因此急需將先進的抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)引入教學。

野外含水層抽水試驗虛擬仿真系統(tǒng)針對實際勘查工作中水文地質條件多樣性與試驗場地水文地質條件單一的矛盾，通過數(shù)值模擬技術和虛擬仿真開展不同場景的抽水試驗，設置先易后難、先簡單后復雜的試驗，促進學生對抽水試驗原理的理解和運用，增強學生分析、解決問題的能力。教師在虛擬試驗場景中設置地層、水文地質參數(shù)和水頭邊界，給學生設置試驗考試內容，學生自己通過編寫抽水試驗方案，觀測數(shù)據(jù)，利用所測數(shù)據(jù)給出計算方法和水文地質參數(shù)，編寫出完整的試驗報告。

三、室內—野外—虛擬仿真混合教學的優(yōu)勢

單一的教學模式往往無法達到理想的教學效果，室內抽水試驗只能滿足裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實驗的教學，并且實驗條件固定，無法進行多小組差異化分析。野外非穩(wěn)定流抽水試驗由于實際地質條件復雜，含水層系統(tǒng)結構不明確，地下水受實際影響因素很多，抽水試驗結果往往不能統(tǒng)一，因此，野外抽水試驗更偏向于實際應用。

虛擬仿真系統(tǒng)是實驗教學的補充，雖然其功能多樣，但不能替代傳統(tǒng)實驗教學，因此需要建立針對“地下水動力學”抽水試驗的室內—野外—虛擬仿真混合教學模式，該模式有以下幾個優(yōu)勢：（1）完善“地下水動力學”的實驗教學體系。目前，中國地質大學（武漢）已有的實驗課程均在室內開展，室內—野外—虛擬仿真混合教學模式的建立能夠使課程內容更加豐富，為課程建設增加特色教學形式，保持中國地質大學（武漢）“地下水動力學”課程在全國的領先地位。（2）增強課程的實踐性。在混合教學模式下，學生能夠體驗不同形式的抽水試驗，既能夠學習理想條件下的地下水向井運動規(guī)律，又能了解實際水文地質工程中的抽水試驗求參過程，還能在虛擬仿真平臺上學習多種復雜情況的抽水試驗。（3）實現(xiàn)傳統(tǒng)教學、實踐教學和現(xiàn)代化教學的統(tǒng)一。傳統(tǒng)的室內抽水試驗教學是學生掌握基礎理論的必要條件，實踐教學能夠培養(yǎng)學生的動手能力，而現(xiàn)代化教學則能通過信息技術手段使學生直觀、深入地學習抽水試驗。

結語

抽水試驗是“地下水動力學”課程的重要實驗內容之一，單一的教學模式無法滿足日益提高的教學要求，本文對野外含水層抽水試驗的室內—野外—虛擬仿真混合教學模式的探索具有前瞻性，該教學模式能夠充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，培養(yǎng)新時代、新工科背景下的水文地質工作者，為社會輸送高質量的人才，同時，該模式的建立可供其他高校相關專業(yè)課程借鑒。