水文地球化學(xué)課程案例庫(kù)建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐效果研究

［摘 要］水文地球化學(xué)是地下水科學(xué)與工程專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，課程基本理論較深，同時(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力和分析問(wèn)題能力的培養(yǎng)。水文地球化學(xué)課堂以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)方式依然存在。在傳統(tǒng)教學(xué)方式下，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性，只局限于對(duì)理論知識(shí)的機(jī)械記憶；教材中缺少與知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工程案例，學(xué)生無(wú)法做到理論聯(lián)系實(shí)際?；谝陨蠁?wèn)題，建設(shè)水文地球化學(xué)課程教學(xué)案例庫(kù)勢(shì)在必行。案例教學(xué)法將傳統(tǒng)的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的教學(xué)，教師結(jié)合課程重要知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)案例情境帶入，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、自主探討問(wèn)題、最后解決問(wèn)題。此方法能有效激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情，幫助學(xué)生理解理論知識(shí)并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，提高學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科研的熱愛(ài)并激發(fā)創(chuàng)新能力。

［關(guān)鍵詞］水文地球化學(xué)；案例教學(xué)；工程案例；實(shí)踐創(chuàng)新

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2022）12-0106-03

一、案例庫(kù)建設(shè)的意義

水文地球化學(xué)是河北地質(zhì)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┑叵滤茖W(xué)與工程專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，在課程設(shè)置中占據(jù)重要地位，是在地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、地下水動(dòng)力學(xué)等課程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，同時(shí)為后續(xù)專門水文地質(zhì)學(xué)、地下水?dāng)?shù)值模擬、地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、地下水溶質(zhì)運(yùn)移理論等專業(yè)課程奠定理論基礎(chǔ)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)學(xué)會(huì)分析地下水的成因類型、地下水的化學(xué)成分特征以及元素在地下水中的遷移性能，最終可以對(duì)一個(gè)地區(qū)的地下水資源性質(zhì)及其形成條件進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[1]。水文地球化學(xué)課程重視對(duì)基本理論和基本方法的講解，同時(shí)強(qiáng)調(diào)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)[2]。水文地球化學(xué)課程受整體學(xué)時(shí)限制，缺少如水分析化學(xué)等相關(guān)試驗(yàn)操作類的先導(dǎo)課程，需額外承擔(dān)水分析實(shí)驗(yàn)以彌補(bǔ)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的不足，同時(shí)課程內(nèi)容涉及眾多的地下水化學(xué)作用原理及地下水化學(xué)組分形成原因機(jī)理分析，是一門難度極大，但在水文地質(zhì)工程領(lǐng)域非常實(shí)用的課程。水文地球化學(xué)涉及的知識(shí)點(diǎn)非常多，限于總體篇幅及課時(shí)安排，教材無(wú)法放入太多的工程實(shí)例，因此學(xué)生只能機(jī)械地學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，無(wú)法做到將理論應(yīng)用于工程實(shí)際。以上原因?qū)е履壳霸撜n程教學(xué)在學(xué)生實(shí)踐能力、勞動(dòng)技能、綜合分析能力培養(yǎng)方面存在諸多不足，其中，學(xué)生無(wú)法做到將理論應(yīng)用于工程實(shí)際成為本課程最難解決的問(wèn)題。因此，急需引入新的教學(xué)模式。

案例教學(xué)法自1987年提出以來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)中[3]。通過(guò)實(shí)際工程案例與對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)相結(jié)合，學(xué)生更容易理解掌握知識(shí)點(diǎn)，也更容易建立完整的知識(shí)體系；學(xué)生在分析案例、解決案例問(wèn)題的時(shí)候，促進(jìn)了他們的自主探索、實(shí)踐和創(chuàng)新能力的提高[4]。冶雪艷等[5]采用案例教學(xué)法對(duì)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，提出了教師講解型和學(xué)生講解型案例的劃分。崔芳鵬等、孫建等[6-7]將案例教學(xué)法應(yīng)用于專門水文地質(zhì)學(xué)、礦山巖石學(xué)等課程，取得了良好的教學(xué)效果。實(shí)踐表明，在教學(xué)中采用案例教學(xué)法，可以顯著提高課堂教學(xué)質(zhì)量。因此，應(yīng)針對(duì)水文地球化學(xué)課程授課過(guò)程中存在的各種問(wèn)題，建設(shè)教學(xué)案例庫(kù)，以期提高水文地球化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

二、案例庫(kù)建設(shè)情況

我校水資源與環(huán)境學(xué)院地下水科學(xué)與工程專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)共5個(gè)教學(xué)班開(kāi)設(shè)了水文地球化學(xué)專業(yè)必修課。經(jīng)過(guò)近20年的課程建設(shè)，水文地球化學(xué)課程內(nèi)容逐漸完善。水文地球化學(xué)課程總學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)42學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)6學(xué)時(shí)；教材選定為《水文地球化學(xué)》（錢會(huì)等主編）[2]。本課程課堂教學(xué)主要研究地下水化學(xué)成分形成作用及其演化機(jī)理、水動(dòng)力彌散的基本理論、同位素水文地球化學(xué)及水文地球化學(xué)模擬等。本課程總體分為六章：第一章為地下水的化學(xué)成分，是從事水文地質(zhì)工作的基礎(chǔ)和基本技術(shù)；第二章為地下水化學(xué)成分的形成作用，主要為溶解沉淀平衡、碳酸平衡、氧化還原反應(yīng)與平衡、吸附解吸及離子交替吸附，是課程的核心和重點(diǎn)內(nèi)容；第三章為化學(xué)元素在地下水中的遷移，主要為水動(dòng)力彌散現(xiàn)象及機(jī)理、彌散參數(shù)、彌散方程及解析解，是課程的另一個(gè)核心和重點(diǎn)內(nèi)容；第四章為同位素水文地球化學(xué)，主要講解氫氧同位素、放射性同位素在地下水研究中的應(yīng)用；第五章為地下水污染，主要為地下水污染源、污染物、地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法；第六章為水文地球化學(xué)模擬，主要內(nèi)容是水溶組分平衡分布計(jì)算、質(zhì)量平衡模擬。本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括巖土離子交換吸附實(shí)驗(yàn)和地下水重金屬污染物淋濾模擬實(shí)驗(yàn)兩部分。

配合教材，對(duì)本課程主體六個(gè)章節(jié)內(nèi)容確立教學(xué)案例，運(yùn)用工程科研項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)技術(shù)（主要借助origin、Gibbs、Piper、GMS、PhreeQC等）開(kāi)發(fā)課程案例資源庫(kù)，主要包括涉及地下水化學(xué)成分圖形表示、溶解沉淀平衡、碳酸平衡、氧化還原穩(wěn)定場(chǎng)、等溫吸附及陽(yáng)離子交替吸附、彌散、溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理、彌散試驗(yàn)設(shè)計(jì)、氫氧穩(wěn)定同位素確定地下水來(lái)源、放射性同位素測(cè)定地下水年齡、地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)、水文地球化學(xué)模擬等知識(shí)的11個(gè)案例。研究開(kāi)發(fā)的案例在教材各章節(jié)中均有分布，具體案例和內(nèi)容銜接情況如下。

案例相關(guān)資料：石家莊平原區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，地下水水質(zhì)污染相關(guān)資料；石家莊市東部地區(qū)地下水水質(zhì)、鍶型礦泉水水質(zhì)、土樣、巖石樣資料；石家莊市氫氧同位素、氚同位素資料。

案例所需計(jì)算機(jī)程序及軟件：Excel、origin2017、Piper、GMS、PhreeQC等。

案例1：地下水化學(xué)成分計(jì)算及圖形表示

以石家莊市東部地區(qū)礦泉水相關(guān)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，基于礦泉水測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)水化學(xué)成分進(jìn)行計(jì)算，并用origin、Piper軟件繪制圖形對(duì)地下水水質(zhì)加以表示，講述地下水的化學(xué)成分、地下水水質(zhì)綜合指標(biāo)及圖形表示方法。

案例2：地下水化學(xué)成分成因分析

以石家莊市東部地區(qū)礦泉水監(jiān)測(cè)資料、地下水化學(xué)成分結(jié)果為基礎(chǔ)，從溶解/沉淀作用、碳酸平衡作用、氧化還原反應(yīng)等水文地球化學(xué)作用綜合分析石家莊市東部地區(qū)礦泉水化學(xué)成分成因。

案例3：浸溶試驗(yàn)—交替吸附作用

水和巖土間的交替吸附對(duì)地下水化學(xué)成分的形成和演變起到重要的作用，而且在一定條件下，對(duì)溶質(zhì)的遷移，特別是對(duì)污染溶質(zhì)的遷移，起到重要的控制作用。采集石家莊市東部地區(qū)土樣，教師設(shè)計(jì)室內(nèi)浸溶試驗(yàn)，將土樣破碎篩分，利用已知濃度的NaCl溶液對(duì)巖樣進(jìn)行浸泡，講解交替吸附作用。

案例4～6：化學(xué)元素在地下水中的遷移

以石家莊市東部地區(qū)礦泉水中鍶遷移過(guò)程為例，分別建立一維土柱試驗(yàn)、二維平面砂槽彌散試驗(yàn)及三維砂箱彌散實(shí)驗(yàn)，演示水動(dòng)力彌散現(xiàn)象，建立水動(dòng)力彌散方程，求解彌散系數(shù)。此部分內(nèi)容設(shè)計(jì)3套教學(xué)案例。

案例1～6可串聯(lián)為一個(gè)整體案例，綜合分析石家莊市東部地區(qū)鍶型礦泉水成因及遷移機(jī)理。

案例7～8：同位素水文地球化學(xué)

講解氫氧穩(wěn)定同位素及放射性同位素在礦泉水溯源、地下水年齡測(cè)定中的應(yīng)用。

根據(jù)河北平原地區(qū)大氣降水、地表水、地下水氫氧穩(wěn)定同位素資料，對(duì)氫氧同位素如何在水文地質(zhì)研究中確定地下水補(bǔ)給來(lái)源、補(bǔ)給區(qū)高度、補(bǔ)給源混合比例、各類水體間水力聯(lián)系等進(jìn)行講解。

根據(jù)放射性氚和14C資料，講解放射性同位素在地下水年齡測(cè)定中的應(yīng)用。

此部分內(nèi)容建立案例2套。

案例9：地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

以石家莊某地區(qū)地下水水質(zhì)污染調(diào)查及監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，選擇評(píng)價(jià)因子，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用2～3種評(píng)價(jià)方法對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

案例10：地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型

結(jié)合石家莊市地質(zhì)、水文地質(zhì)、地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用GMS軟件建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型，講述軟件運(yùn)用方法、數(shù)值模擬方法及結(jié)果分析方法。利用MT3D模塊模擬地下水系統(tǒng)中的對(duì)流、擴(kuò)散問(wèn)題。

案例11：水溶組分平衡模擬

結(jié)合石家莊市地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用PhreeQC軟件，建立低溫水文地球化學(xué)模擬，對(duì)水溶組分平衡。水-巖界面所發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬，講述軟件運(yùn)用方法、數(shù)值模擬方法及結(jié)果分析方法。解決水-巖相互作用系統(tǒng)中平衡熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

三、案例實(shí)踐及教學(xué)效果

（一）案例實(shí)踐實(shí)例

綜合分析石家莊市東部地區(qū)鍶型礦泉水成因及遷移機(jī)理案例第一部分，以地下水化學(xué)成分計(jì)算及圖形表示案例為主，詳細(xì)介紹案例教學(xué)實(shí)踐過(guò)程。實(shí)踐過(guò)程主要分為三步：教師提供案例—引出問(wèn)題、師生共同分析問(wèn)題、學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)自主探討—解決問(wèn)題。

1.引出問(wèn)題

教師根據(jù)課程重要知識(shí)點(diǎn)——地下水的化學(xué)成分及地下水水質(zhì)綜合指標(biāo)及圖形表示方法，給出已準(zhǔn)備好的典型工程案例，將實(shí)際工程問(wèn)題引出。實(shí)測(cè)地下水水質(zhì)資料表明，石家莊市東部地區(qū)地下水滿足鍶型礦泉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為綜合分析石家莊市東部地區(qū)鍶型礦泉水成因及遷移機(jī)理，基于礦泉水測(cè)試數(shù)據(jù)，首先對(duì)研究區(qū)水化學(xué)成分進(jìn)行計(jì)算，并用專業(yè)軟件繪制圖形，對(duì)地下水化學(xué)成分加以表示。

2.分析問(wèn)題

分析問(wèn)題可分為師生共同分析問(wèn)題和學(xué)生自主分析問(wèn)題兩種方式，對(duì)于本案例采用師生共同分析問(wèn)題方式。教師若只引出問(wèn)題而不進(jìn)行闡述和引導(dǎo)，初步學(xué)習(xí)專業(yè)相關(guān)理論的學(xué)生就會(huì)感到迷惑，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)逐漸融入實(shí)際問(wèn)題中，同時(shí)介紹行業(yè)相關(guān)解決方法。如針對(duì)科學(xué)前沿問(wèn)題的追蹤，培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)重點(diǎn)、經(jīng)典文獻(xiàn)的寫作方式，科學(xué)問(wèn)題的分析方法，數(shù)據(jù)的分析處理方法，數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值的深度剖析方法，文章創(chuàng)新點(diǎn)的提出方法等[8]進(jìn)行學(xué)習(xí)。

本案例針對(duì)知識(shí)點(diǎn)（1）地下水的化學(xué)成分、知識(shí)點(diǎn)（2）地下水水質(zhì)綜合指標(biāo)、知識(shí)點(diǎn)（3）地下水化學(xué)成分圖形表示方法進(jìn)行分述。

知識(shí)點(diǎn)（1）：本案例地下水的化學(xué)成分包括無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、氣體和微生物等。本案例石家莊市地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)涉及無(wú)機(jī)物組分中的主要組分（重碳酸根、氯離子、硫酸根、鈉、鈣、鎂）和微量組分（碳酸根、鍶和偏硅酸離子）、氣體（游離二氧化碳）。地下水中各組分含量可能與微量元素偏硅酸含量存在相關(guān)關(guān)系，故需要對(duì)各離子組分當(dāng)量濃度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)為進(jìn)行圖形表示，也需對(duì)各化學(xué)組分當(dāng)量濃度進(jìn)行計(jì)算。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程及本教材中關(guān)于當(dāng)量濃度及庫(kù)爾洛夫式的公式計(jì)算方法。

知識(shí)點(diǎn)（2）：與本案例有關(guān)的地下水水質(zhì)綜合指標(biāo)需分析pH值、氧化還原電位、溶解性總固體等。地下水中鍶含量及成因與地下水流經(jīng)的地層地質(zhì)環(huán)境、水化學(xué)環(huán)境相關(guān)。pH值可影響離子在水溶液中的存在形式、溶解度。地下水與圍巖的相互作用，是重要的綜合性物理化學(xué)指標(biāo)。氧化還原電位、溶解氧可表征水體氧化還原狀態(tài)，氧化還原條件對(duì)鍶元素在水中的存在形式及遷移、富集有巨大影響。溶解性總固體高低反應(yīng)地下水與圍巖之間的水化學(xué)作用。以上這些概念的理清可為后續(xù)綜合分析石家莊市東部地區(qū)鍶型礦泉水成因及遷移機(jī)理打好基礎(chǔ)。

知識(shí)點(diǎn)（3）：教材中介紹的圖形表示方式主要有離子濃度法、三線圖法、庫(kù)爾洛夫式法。針對(duì)本案例，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)三種方法逐一進(jìn)行計(jì)算和圖形表達(dá)，同時(shí)推薦利用軟件如origin、Piper自動(dòng)計(jì)算并繪制圖形。教師要告知學(xué)生，問(wèn)題的解決方法并不唯一，要跟蹤學(xué)術(shù)前沿進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，在學(xué)習(xí)基本理論的同時(shí)還應(yīng)探索新的解決方法；還要強(qiáng)調(diào)，軟件的使用雖能節(jié)約時(shí)間，但仍然要牢固掌握最重要的基礎(chǔ)知識(shí)理論，這樣才能以不變應(yīng)萬(wàn)變。

3.解決問(wèn)題

引導(dǎo)學(xué)生自主組成團(tuán)隊(duì)，學(xué)生在組內(nèi)討論，自己尋找解決問(wèn)題的方法。此環(huán)節(jié)要求學(xué)生將探討過(guò)程、最終選定的方法、選擇此方案的理由、數(shù)據(jù)處理的過(guò)程、最終生成的結(jié)果逐條進(jìn)行記錄，最終安排各小組進(jìn)行PPT匯報(bào)，并由各組互評(píng)打分，此過(guò)程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。學(xué)生自發(fā)選擇興趣相同的隊(duì)員組成團(tuán)隊(duì)，避免了一些學(xué)生渾水摸魚(yú)、不勞而獲的現(xiàn)象。團(tuán)隊(duì)組成的過(guò)程可鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力、演講能力，加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間的溝通。

（二）案例教學(xué)效果

案例教學(xué)法提高了地下水科學(xué)與工程專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)學(xué)生對(duì)于水文地球化學(xué)課程的興趣。案例分析過(guò)程中，學(xué)生的課堂表現(xiàn)較為活躍，改變了以往教師“一言堂”授課的沉悶氣氛，師生互動(dòng)性好。案例教學(xué)使學(xué)生真正地將所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，利用專業(yè)知識(shí)和原理解釋水文地球化學(xué)現(xiàn)象；針對(duì)復(fù)雜的水文地球化學(xué)問(wèn)題，學(xué)生學(xué)會(huì)分析問(wèn)題，找準(zhǔn)切入點(diǎn)，自主尋求解決方案；學(xué)生自主學(xué)習(xí)文獻(xiàn)檢索方法、數(shù)據(jù)分析處理方法、軟件繪圖方法、數(shù)值模擬方法、復(fù)雜工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)和模擬方法，并能設(shè)計(jì)出具有一定創(chuàng)新性的解決方案。案例教學(xué)也提高了學(xué)生對(duì)于專業(yè)的興趣和對(duì)科研的熱愛(ài)。本課程組教師帶領(lǐng)學(xué)生組建了學(xué)習(xí)興趣小組，輔導(dǎo)地下水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生在中文核心期刊發(fā)表了兩篇論文[9-10]。分析問(wèn)題的過(guò)程，也拉近了教師與學(xué)生之間的距離，學(xué)生普遍對(duì)課程教學(xué)效果感到滿意。

四、結(jié)論

水文地球化學(xué)課程通過(guò)將實(shí)際工程與課程知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，篩選、整理出11套教學(xué)案例，將刻板的理論知識(shí)融于實(shí)踐，提高了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生解決本水文地質(zhì)問(wèn)題、水文地球化學(xué)相關(guān)工程問(wèn)題的能力和科研、創(chuàng)新能力，最終使學(xué)生真正快速完成工程項(xiàng)目，將課程理論運(yùn)到實(shí)踐中。

教師在今后的教學(xué)中仍需深入探究案例教學(xué)方法：針對(duì)復(fù)雜的基礎(chǔ)理論，要再次篩選、優(yōu)化工程案例，形成高質(zhì)量的教學(xué)案例庫(kù)；復(fù)盤授課過(guò)程，持續(xù)迭代改進(jìn)存在的問(wèn)題；根據(jù)學(xué)生反饋，查找存在的問(wèn)題，反思授課方式；新教師要向老教師請(qǐng)教，虛心接受同行督導(dǎo)，逐步完善授課技巧。完善后的案例教學(xué)法可推廣至相似課程如地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、地下水溶質(zhì)運(yùn)移理論等，以進(jìn)一步提高地下水科學(xué)專業(yè)課程授課效果。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 沈照理. 水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1993.

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］