基于大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)的水文地質(zhì)實踐教學(xué)新體系改革探索①

閆佰忠，周亞紅，于開寧，李 鐸，李方紅，劉 昭，邱淑偉

（河北地質(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院，河北 石家莊 050031）

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展對工科應(yīng)用創(chuàng)新型人才的迫切需求，高等教育對大學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力也提出了越來越高的要求。特別是在新形勢下，國家對人才的需求發(fā)生了變化，學(xué)科的戰(zhàn)略發(fā)展方向改變以及地質(zhì)行業(yè)轉(zhuǎn)型的時期，對于高素質(zhì)、具有創(chuàng)新實踐能力的卓越工程師人才的培養(yǎng)提出越來越高的要求。地下水科學(xué)與工程專業(yè)（前身為水文地質(zhì)專業(yè)）是河北地質(zhì)大學(xué)國家級特色專業(yè)、河北省一流本科專業(yè)建設(shè)點、河北省高等學(xué)校品牌特色優(yōu)勢專業(yè)，在學(xué)生培養(yǎng)方面已經(jīng)具有完善的培養(yǎng)體系，但是傳統(tǒng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)已不能完全滿足“卓越工程師”培養(yǎng)的需要。如何在大數(shù)據(jù)、虛擬仿真等新興技術(shù)快速發(fā)展的新形勢下，按照社會需求和新工科的要求進行課程體系整合，探索虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)促進水文地質(zhì)實踐教學(xué)改革，進而培養(yǎng)卓越的地下水科學(xué)與工程專業(yè)技術(shù)人才，已成為刻不容緩的工作。

目前，在新工科和工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、水文地質(zhì)實踐教學(xué)中。代俊鴿等通過對地質(zhì)專業(yè)實驗室建設(shè)概況分析后，探索了“四步驟”實驗教學(xué)模式，將虛擬仿真技術(shù)融入實踐教學(xué)中，建立了“以學(xué)生為本”的教育理念[1]。丁明濤等開發(fā)了一套基于虛擬仿真技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害減災(zāi)選線實驗教學(xué)系統(tǒng)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行身臨其境的交互學(xué)習(xí)，以彌補課堂教學(xué)過程中的不足[2]。陳健等探索建立了“虛擬場景—模擬設(shè)備—實景教學(xué)”三結(jié)合的實踐教學(xué)新模式，提高了防震減災(zāi)實踐教學(xué)水平[3]。強偉帆等探討了虛擬仿真技術(shù)在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用，介紹了面向地學(xué)的綜合型、國際化的沉浸式虛擬仿真實驗室實例[4]。梁莉莉等闡述了建設(shè)“地下水與環(huán)境”虛擬仿真實驗室的優(yōu)缺點，并列舉了部分已建成的虛擬仿真實驗室項目，闡述了地下水相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)為“厚基袖、強能力、重創(chuàng)新”的新型人才，闡明了“虛實結(jié)合，優(yōu)勢互補，多元協(xié)同工作”的實驗室建設(shè)方向[5]。何虎軍等探討了漢中梁山野外地質(zhì)實習(xí)虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)的思路和解決的關(guān)鍵問題[6]。賈蓬等針對隧道工程課程的特點和實踐教學(xué)難點，“以學(xué)生為中心”，開展了“慕課+翻轉(zhuǎn)課堂”和“線上虛擬仿真+線下研討”的混合式教學(xué)實踐[7]。

通過對以上現(xiàn)有虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，其在地質(zhì)和水文地質(zhì)教學(xué)過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，但是目前沒有關(guān)于大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)融合的教學(xué)嘗試，這將是本文主要研究的內(nèi)容和方向。

一、水文地質(zhì)實踐教學(xué)現(xiàn)狀

我校是在20世紀(jì)50年代設(shè)置水文地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)有水資源與環(huán)境領(lǐng)域的本科專業(yè)均由原水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)發(fā)展而來。學(xué)校依托水資源學(xué)科群優(yōu)勢，面向京津冀戰(zhàn)略需求，以優(yōu)勢學(xué)科為平臺，以重大科研項目為引導(dǎo)，以一流師資隊伍為保障，以培養(yǎng)適應(yīng)京津冀水資源開發(fā)利用與保護所需的應(yīng)用人才為培養(yǎng)目標(biāo)，不斷進行人才培養(yǎng)模式改革、創(chuàng)新與實踐，充分發(fā)揮“水文學(xué)及水資源”重點學(xué)科、“水資源可持續(xù)利用與開發(fā)”重點實驗室、“水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化”協(xié)同創(chuàng)新中心等學(xué)科平臺的優(yōu)勢，形成了以“水資源環(huán)境開發(fā)利用與保護”為特色方向的創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。近年來，也嘗試引入虛擬仿真技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)用于水文地質(zhì)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在實踐教學(xué)硬件和軟件基礎(chǔ)、實踐教學(xué)師資培訓(xùn)和虛擬仿真實踐教學(xué)應(yīng)用方面均有一定的加強，具體如下。

（一）實踐教學(xué)硬件基礎(chǔ)

目前，水文地質(zhì)實踐教學(xué)平臺包括實習(xí)基地、野外試驗場、實驗教學(xué)示范中心和專業(yè)實驗室。在2016—2018年期間，購置了并行計算機越海揚波海嘯（T9200）1套、高性能計算機（XPS13D-9343-5708）80臺、多功能電法工作站1套以及高密度電法測量系統(tǒng)及多功能直流電法儀1套，具有完備的大數(shù)據(jù)分析和虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用硬件條件。

（二）實踐教學(xué)軟件基礎(chǔ)

目前，水文地質(zhì)實踐教學(xué)平臺具有涵蓋繪圖制圖、數(shù)理統(tǒng)計、地下水?dāng)?shù)值模擬、水文地球化學(xué)模擬、遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯和數(shù)據(jù)庫開發(fā)等一系列軟件，包括繪圖軟件Surfer10、CAD2010、ARCGIS10.0、MAPGIS6.7、CorelDRAW等；統(tǒng)計軟件SPSS16.0、Origin；專業(yè)軟件MATLAB、GMS、AquaChem、PHREEQC、Aquifer Test；遙感解譯軟件ENVI、ERDAS及數(shù)據(jù)庫開發(fā)軟件Visual Studio、SQL Server等，為本項目大數(shù)據(jù)分析和虛擬仿真技術(shù)運用提供了軟件基礎(chǔ)。

（三）實踐教學(xué)師資基礎(chǔ)

本項目具備高素質(zhì)的師資力量，項目組成員近年來開展了相關(guān)研究工作，在水文地質(zhì)教學(xué)案例建設(shè)、教學(xué)技能訓(xùn)練、實習(xí)模式方面進行探索與實踐，積累了一些實踐教學(xué)經(jīng)驗，并且學(xué)院組織相關(guān)專家進行了水文地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析和地下水?dāng)?shù)值仿真模擬等培訓(xùn)工作。近年來，項目成員主持的教學(xué)改革項目10余項，包括“水資源學(xué)科群應(yīng)用型人才培養(yǎng)改革與實踐（2015GJJ G119）”“地下水污染場地修復(fù)技術(shù)多層次引導(dǎo)式教學(xué)案例（KCJSZ2017095）”“《水力學(xué)》實驗課教學(xué)改革的研究（2012J29）”“《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》實驗教學(xué)改革實踐研究（2013J28）”“水資源實驗示范中心建設(shè)提升（2016J30）”“《地下水動力學(xué)》教學(xué)案例資源庫建設(shè)（2018J11）”和“《專門水文地質(zhì)學(xué)》教學(xué)案例資源庫建設(shè)（2019J05）”，形成主干課程教學(xué)案例資源庫4個，編著本科生實踐教材5部，發(fā)表教改論文10余篇，并獲得“河北省教學(xué)成果一等獎”。

（四）數(shù)據(jù)分析、虛擬仿真教學(xué)實踐基礎(chǔ)

早在20世紀(jì)70年代，我校成功研制了全國第一臺模擬水資源開發(fā)的R-C電網(wǎng)絡(luò)模擬機，虛擬仿真技術(shù)就已經(jīng)應(yīng)用并獲得“全國科技大會獎”和“地礦部科技進步一等獎”?；诰哂械臄?shù)據(jù)分析計算平臺和虛擬仿真軟硬件設(shè)施，初步形成了數(shù)據(jù)分析和虛擬仿真實踐教學(xué)的基礎(chǔ)，并在本科生專業(yè)必修課程地下水流數(shù)值模擬和三年級生產(chǎn)實習(xí)中得到初步應(yīng)用。地下水流數(shù)值模擬課程中包含地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維仿真模擬、地下水流流動狀態(tài)虛擬仿真模擬和地下水溶質(zhì)或污染物質(zhì)運移仿真模擬3個虛擬仿真模擬環(huán)節(jié)。通過虛擬仿真課程，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到很大提升，同時對于實驗室不易操作或者現(xiàn)象不易刻畫的環(huán)節(jié)有了更加直觀的認(rèn)識和理解，加強了學(xué)生對于知識的理解和掌握。此外，在三年級實習(xí)中，要求學(xué)生對于調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)取得的大量地下水位數(shù)據(jù)和地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)歸納分析，利用數(shù)理統(tǒng)計理論SPSS軟件，通過主成分分析、回歸分析、聚類分析和時間序列分析等，挖掘水位、水質(zhì)數(shù)據(jù)特征和規(guī)律，從而推求水文地質(zhì)信息。

二、基于大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)的水文地質(zhì)實踐教學(xué)改革思路

（一）教學(xué)新體系改革主要思路

通過融合大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)，整合目前所開設(shè)的水文地質(zhì)實踐課程和資源，構(gòu)建基于室內(nèi)實驗室、室外實驗場、校外實踐基地和多種專業(yè)軟件仿真模擬的“四維度”水文地質(zhì)教學(xué)實踐平臺；通過大數(shù)據(jù)整理為水文地質(zhì)實踐教學(xué)平臺提供各種網(wǎng)絡(luò)資源、專業(yè)書籍、公開課資料、野外水文地質(zhì)現(xiàn)象照片、視頻、實驗動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等教學(xué)實踐案例；構(gòu)建的虛擬仿真實踐平臺涵蓋信息管理、實驗室管理系統(tǒng)、實驗實踐系統(tǒng)、自主科研、教學(xué)案例資源庫、信息管理、教輔功能、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)反饋等模塊，即平臺擁有數(shù)據(jù)分析和豐富的案例資源庫、完備的學(xué)生信息管理和教輔功能、強大的實踐案例虛擬仿真呈現(xiàn)功能和信息反饋功能。通過實踐平臺實踐教學(xué)數(shù)據(jù)反饋耦合大數(shù)據(jù)分析，綜合評價實踐教學(xué)效果，達到強化學(xué)生專業(yè)知識，提高學(xué)生野外獨立工作能力和創(chuàng)新能力的目的。教學(xué)實踐平臺具體的設(shè)計思路詳見文末圖1所示。

圖1 融合大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)教學(xué)實踐平臺設(shè)計思路圖

（二）具體改革措施

1.“情境模擬”數(shù)據(jù)庫、實例庫建設(shè)

收集與本課題相關(guān)的各種網(wǎng)絡(luò)資源、專業(yè)書籍、公開課資料，結(jié)合目前已開設(shè)水文地質(zhì)實踐相關(guān)實驗課程和已有教學(xué)案例資源庫，整合目前所開設(shè)的水文地質(zhì)實踐課程（水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實驗課、地下水動力學(xué)實驗課、水文地球化學(xué)實驗課和本科生野外實踐實習(xí)等），將課程相關(guān)數(shù)據(jù)，如實驗數(shù)據(jù)、各種參考數(shù)據(jù)整理成Excel表格或者文本文檔保存并建立數(shù)據(jù)庫；同時將野外水文地質(zhì)現(xiàn)象照片、視頻、實驗動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等教學(xué)案例整理匯編，建立案例庫，為虛擬仿真實踐平臺提供情景案例。

2.“四維”虛擬仿真實踐平臺建設(shè)

基于目前已有的并行計算機、高性能計算機、各類專業(yè)模擬軟件等虛擬仿真軟、硬件設(shè)施，構(gòu)建基于室內(nèi)實驗室（包括水文地質(zhì)學(xué)實驗室、滲流力學(xué)實驗室、水文地球化學(xué)實驗室）、室外實驗場（抽水實驗場地和滲水實驗場地）、校外實踐基地和多種專業(yè)軟件仿真模擬的“四維度”水文地質(zhì)教學(xué)實踐平臺，該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)信息管理、實驗室管理系統(tǒng)、實驗實踐系統(tǒng)、自主科研、教學(xué)案例資源庫、信息管理、教輔功能、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)反饋等功能。

其中，實驗實踐系統(tǒng)涵蓋地下水滲流仿真模擬、地下水?dāng)?shù)值仿真模擬和水文地球化學(xué)仿真模擬3個虛擬仿真子平臺。地下水滲流仿真模擬子平臺包括“穩(wěn)定流達西仿真實驗”“水電比擬仿真實驗”“潛水運動特征仿真實驗”“承壓水運動特征仿真實驗”“滲流槽仿真模擬實驗”“井流仿真模擬實驗”6個相關(guān)仿真實驗；地下水?dāng)?shù)值仿真模擬子平臺包括“三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)仿真概化”“群井干擾抽水仿真模擬”和“非穩(wěn)定流有限差分求解仿真模擬”3個相關(guān)仿真實驗；水文地球化學(xué)仿真模擬子平臺包括“污染物溶質(zhì)運移仿真模擬”“水-巖溶濾反應(yīng)仿真模擬”和“水中碳酸平衡與pH關(guān)系仿真模擬”3個相關(guān)仿真實驗。通過構(gòu)建的實驗實踐系統(tǒng)能夠滿足水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、地下水動力學(xué)、專門水文地質(zhì)學(xué)、本科生三年級生產(chǎn)實習(xí)等教學(xué)實驗實踐內(nèi)容的需要。

除上述實驗實踐系統(tǒng)核心系統(tǒng)外，建設(shè)的虛擬仿真實踐平臺擁有強大的信息反饋功能，能夠?qū)W(xué)生實踐環(huán)節(jié)中各種信息進行反饋用于大數(shù)據(jù)分析。大數(shù)據(jù)分析功能設(shè)計了相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計方法，包含聚類分析、回歸分析、主因子分析等功能，能夠?qū)W(xué)生的成績進行分類、歸納，并能夠總結(jié)影響學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的主要因素，從而使教師對學(xué)生實驗實踐環(huán)節(jié)有全局的掌握，做到有的放矢。

3.虛擬仿真實踐操作手冊編制

根據(jù)上述建立的“四維”虛擬仿真實踐平臺，編制《虛擬仿真實踐操作流程指導(dǎo)書》1冊，要求指導(dǎo)書中實驗全流程涵蓋實驗安排與選課、實驗準(zhǔn)備、預(yù)習(xí)、測試、仿真模擬、提交實驗報告、復(fù)習(xí)等環(huán)節(jié)。實驗過程中設(shè)計了智能答疑模塊，教師指導(dǎo)、師生互動、實驗成果材料的管理、實驗教學(xué)效果評估與分析等內(nèi)容均可在線上完成；對學(xué)生在實驗過程中的各類行為數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)采集并分析，從而提供針對性的輔導(dǎo)，并進行個性化學(xué)習(xí)評估。以“污染物溶質(zhì)運移仿真模擬”為例說明虛擬仿真實踐平臺操作的具體流程。

（1）登錄網(wǎng)站，進入虛擬教學(xué)；登錄虛擬仿真平臺（輸入學(xué)生賬號和密碼）。

（2）閱讀實驗?zāi)康模私獗緦嶒灥哪繕?biāo)與要求。

（3）學(xué)習(xí)軟件中實驗預(yù)習(xí)部分關(guān)于污染物溶質(zhì)運移的背景知識，掌握溶質(zhì)運移的基本原理與知識點。

（4）觀看污染物溶質(zhì)運移模擬的相關(guān)視頻，掌握相關(guān)理論知識和模擬建模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和建模步驟。

（5）進入沉浸式教學(xué)階段。學(xué)生若對相關(guān)操作步驟不熟練，可以選擇練習(xí)模式，根據(jù)提示進行操作練習(xí)，熟悉整個操作流程，然后再進入考核模式?？己四Ｊ较绿崾据^少，且關(guān)鍵步驟有知識點考核題目，學(xué)生需回答正確才能進行下一步驟，利于學(xué)生對知識的掌握。

（6）進入建模操作階段。學(xué)生調(diào)用案例資源庫中“污染物溶質(zhì)運移仿真模擬”數(shù)據(jù)，調(diào)用模擬軟件GMS進行建模；此階段，學(xué)生的每一操作步驟都會有記錄，且會自動記錄步驟的得分。

（7）提交成果。學(xué)生將自己建立的模擬模型進行提交，實踐平臺數(shù)據(jù)庫將對學(xué)生的成果進行儲存，并將整個過程中獲取的學(xué)生數(shù)據(jù)反饋給大數(shù)據(jù)分析平臺，進行學(xué)習(xí)效果評估。

4.水文地質(zhì)實驗、實踐環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容改革

目前開設(shè)的水文地質(zhì)類課程包括水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、地下水動力學(xué)和專門水文地質(zhì)學(xué)等必修課程，均未開設(shè)專門的野外實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對抽象的理論知識難以理解和掌握；本研究擬在目前水文地質(zhì)野外實踐的基礎(chǔ)上，借助虛擬仿真實踐平臺，將課程中涉及的野外現(xiàn)象進行仿真呈現(xiàn)。此外，對于目前三年級實習(xí)中某些野外現(xiàn)象和抽象水文地質(zhì)實驗，借助虛擬仿真實踐平臺進行呈現(xiàn)，例如河流近岸地下水的滲流、干擾井群抽水影響范圍內(nèi)地下水的流動等問題；通過上述改革擴充野外實踐教學(xué)內(nèi)容，在不增加學(xué)時、學(xué)分的情況下，豐富水文地質(zhì)學(xué)相關(guān)課程的野外實驗、實踐教學(xué)內(nèi)容。

5.融合大數(shù)據(jù)的虛擬仿真實踐教學(xué)新體系

基于構(gòu)建的“四維度”虛擬仿真實踐教學(xué)平臺和上述改革措施，以完整的實驗實踐教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，將其與線下實體實踐教學(xué)資源相結(jié)合，擴展實驗實踐教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗實踐教學(xué)時間和空間。實踐教學(xué)秉承“虛實互補、以虛促實”的教學(xué)原則，實現(xiàn)“虛實結(jié)合”的教學(xué)組織模式，基本概念、原理的講解利用黑板和多媒體相結(jié)合來完成；控制過程、設(shè)計方法等知識內(nèi)容采用多媒體和虛擬仿真實踐平臺相結(jié)合的方式進行講解和演示；驗證操作、鞏固訓(xùn)練、總結(jié)與評價等內(nèi)容在虛擬仿真實踐平臺上完成。實現(xiàn)“教、學(xué)、做、評”的有效融合，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體作用，構(gòu)建融合大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)實踐教學(xué)新體系。

三、建設(shè)應(yīng)用成效及推廣

本文探求新興技術(shù)在水文地質(zhì)實踐教學(xué)中的應(yīng)用，并構(gòu)建融合大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)的水文地質(zhì)實踐教學(xué)新體系，該體系的構(gòu)建將擴充實踐教學(xué)內(nèi)容，解決目前實際教學(xué)中受場地、時間、師資不足限制等問題，增強學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和熱情，強化學(xué)生專業(yè)知識，提高學(xué)生的野外獨立工作能力和創(chuàng)新能力。根據(jù)相關(guān)調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)，大數(shù)據(jù)和虛擬仿真的教學(xué)融合，對學(xué)生解決實際工程問題能力提升十分有幫助。在參與調(diào)查的500名學(xué)生中，有90%的學(xué)生認(rèn)為自己的動手能力和實踐能力得到了有效提升（詳見表1）。該水文地質(zhì)實踐教學(xué)培養(yǎng)體系的推廣將為相關(guān)類似高校在實踐教學(xué)方面提供理論借鑒和參考，對于推動新工科背景下高校大學(xué)生實踐教學(xué)改革和能力培養(yǎng)具有重要的理論和實際意義。

表1 大數(shù)據(jù)與虛擬仿真技術(shù)教學(xué)融合產(chǎn)生的積極作用調(diào)查

四、結(jié)語

基于大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)的水文地質(zhì)實踐教學(xué)新體系建設(shè)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及主動性，有效提高了教學(xué)效率，同時順應(yīng)了信息技術(shù)與教育融合的歷史潮流，符合教育內(nèi)容更新、教育方法改革以及受教育者特點變化的客觀事實，體現(xiàn)了新工科教育理念。從教學(xué)資源建設(shè)途徑、教學(xué)方法與教學(xué)模式改革等方面獲得了一些經(jīng)驗，既可以讓信息技術(shù)成為教學(xué)質(zhì)量提升的關(guān)鍵，又對教師順利完成教學(xué)任務(wù)有所幫助，但是資源利用的效能評價仍需進一步探索。