互聯(lián)網(wǎng)+及后疫情背景下水文地球化學課程教學改革探索*

李慧 黃金廷 許珂 郭亮

西安科技大學 西安 710054

0 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)的不斷深入和教育改革的持續(xù)推進，以微課、MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂為代表的在線教育創(chuàng)新給傳統(tǒng)教育行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其在后疫情背景下，自主探究式學習已成為高等教育專業(yè)人才培養(yǎng)的普遍需求[1-2]。2015 年《教育部關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》，給高校線上線下混合模式教學改革發(fā)出了明確的信號；近幾年，國務院、教育部相繼頒布多項措施及辦法促進高等教育“現(xiàn)代信息技術與教育教學深度融合”。但作為傳統(tǒng)教育的有效補充，在線教育存在個性化體驗不足、臨場感缺失、交互性差等問題[3-5]。一系列國家文件指出要更深入地探索實現(xiàn)在線學習與線下課堂教學質(zhì)量實質(zhì)等效的有效路徑，探索信息技術、智能教育如何與教育改革深度融合，探討高等教育薄弱環(huán)節(jié)改革的突破點，以進一步推動教育教學模式改革創(chuàng)新，從而全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。因此，以深化教育改革為基礎，如何在“互聯(lián)網(wǎng)+”及后疫情背景下通過改革教學模式培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)、提高專業(yè)能力是當前高等教育需要解決的問題。

1 “互聯(lián)網(wǎng)+”及后疫情背景下水文地球化學課程教學改革的重要性

水文地球化學是地下水科學與工程專業(yè)的核心課程，也是相關專業(yè)（如工程地質(zhì)、水文與水資源工程、環(huán)境工程等專業(yè)）的重要選修課程，具有很強的理論性和工程應用性。水文地球化學課程是在水文地質(zhì)學和地球化學基礎上發(fā)展起來的，主要研究地下水環(huán)境，特別是地下水化學成分的形成、分布規(guī)律以及元素在其中的遷移，它與地下水動力學共同構(gòu)成水文地質(zhì)學的重要理論基礎，在專業(yè)培養(yǎng)方案中起著重要的銜接作用，在工業(yè)找礦、地熱水勘探、水土環(huán)境污染治理、地方病防治等領域有著重要的實踐意義。但是，當前傳統(tǒng)的教學模式在水文地球化學課程教學中的不足日趨顯著，部分陳舊的教學內(nèi)容以及一些較為落后的教學手段，并不能滿足新時期一流本科教學和建設的需要[6-9]，嚴重阻礙了學生專業(yè)能力及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和提升。

而今高校教育改革和人才培養(yǎng)理念在不斷深化，如何結(jié)合最新的信息技術以及教育理念，對教學內(nèi)容進行系統(tǒng)整合，提升教學資源的實用性和時效性，加強學生學習的能動性和創(chuàng)新動力，促進其全面發(fā)展是當前高校教學模式改革亟待解決的問題。因此，“互聯(lián)網(wǎng)＋”背景下水文地球化學課程教學模式改革實踐研究對高校課程教學改革、專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”及后疫情背景下水文地球化學課程改革的路徑

2.1 教學內(nèi)容特色定位及教學資源整合

水文地球化學學科涉及內(nèi)容較多，隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，各類水文地球化學問題層出不窮，包括人類活動引起的地下水污染、海水入侵，礦業(yè)資源及天然氣開采引起的地下水質(zhì)變化，油田水化學組分的形成機理和地球化學行為，地熱資源勘探中的水文地球化學技術和方法，微生物水文地球化學問題，地熱流體中的水文地球化學作用等等。而作為地下水專業(yè)主干課之一的水文地球化學課程學時有限，內(nèi)容不可能面面俱到，因此教師授課過程中應該根據(jù)自己學校行業(yè)特色準確定位課程特色，遴選一部分內(nèi)容作為重點進行講解，將行業(yè)特色加入課程中，調(diào)整優(yōu)化課程內(nèi)容，做到既全面又突出特色重點。即一方面使學生掌握水文地球化學基本理論，包括地下水化學成分、地下水化學成分形成作用、同位素水文地球化學等。另一方面需根據(jù)學校特色，遴選一部分內(nèi)容進行重點講解。例如側(cè)重水化學熱力學基礎，或地下水污染控制與修復，或同位素水文地球化學應用研究，或水文地球化學微生物作用，或煤礦水文地球化學作用等。此外，新技術手段、新統(tǒng)計方法等在水文地球化學中的應用也可以適當?shù)丶尤胨牡厍蚧瘜W教學內(nèi)容中，以幫助學生了解學科前沿和動態(tài)，激發(fā)其對專業(yè)學習的興趣和熱情。

教學資源直接影響教學效果和教育質(zhì)量。因此，教學資源的整合是“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下水文地球化學課程教學模式改革的重要環(huán)節(jié)。互聯(lián)網(wǎng)的開放共享性使教師可以結(jié)合學情和學校特色從眾多網(wǎng)絡教學資源中篩選出數(shù)字教材、MOOC、微課、背景案例和數(shù)字題庫等在線資源，并將其整合上傳到所建立的學習平臺上供學生在線學習，以開闊學生的視野，使其進行個性化學習。同時，教師也可以向?qū)W生推薦相關范例課程視頻、在線論壇，以學生感興趣內(nèi)容為切入點，提升學生自主學習的能力。線下課堂教學資源是學生專業(yè)知識的直接來源，在選擇合適的線下教學資源的基礎上，線上教學資源需與線下教學資源相輔相成，既相互關聯(lián)又避免重復，既要發(fā)揮傳統(tǒng)線下教學資源的專業(yè)性和普適性，還要發(fā)揮線上教學資源的時效性和前沿性，結(jié)合學科專業(yè)最新研究成果和信息化教學實踐的成果，提升學生的綜合素質(zhì)，促進其全面發(fā)展。

2.2 教學手段改革

傳統(tǒng)的水文地球化學課程教學主要以PPT結(jié)合板書等手段進行理論教學，為響應“互聯(lián)網(wǎng)+”及后疫情背景下我國高等教育改革，水文地球化學課程的線下講授需要根據(jù)課程知識體系進行教學步驟和教學內(nèi)容的動態(tài)調(diào)整，進而對教學板書、教學模式進行重新設計，將最能激發(fā)學生學習興趣和熱情的視頻、圖片放在PPT教案之中，PPT教案可以通過不斷補充、“無線連接”的方式來幫助學生了解教學重點、難點。在講完知識點后，拋出工程案例，啟發(fā)學生運用知識點和理論去解釋和解決工程問題。比如通過提供水樣水質(zhì)測試結(jié)果，讓學生學會畫Piper三線圖或者Gibbs圖，并解讀圖中數(shù)據(jù)的意義以及探討其可能進行的水文地球化學過程。一方面可以培養(yǎng)學生的學習和科研能力，強調(diào)成果的應用性，另一方面可以使教師在互動中了解學生對知識點的掌握情況和存在的問題，以使學生更好地參與課堂互動，提高課堂教學效果。此外，授課過程中，教師結(jié)合科研或者企業(yè)項目延伸所教知識點，比如采動影響下礦區(qū)地下水化學演變特征案例，分析判別礦井涌水水源，探討地下水化學組分遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及機制，闡明開采影響下地下水循環(huán)和水化學場的作用關系和協(xié)同機制，激發(fā)學生的學習熱情，提升學生的實踐能力，進而達到教學目的。此外，考慮到地下水系統(tǒng)的復雜性和長時間尺度特征，教師也可以設置案例或者課題，引導學生進行資料收集、水文地質(zhì)調(diào)查分析，強化學生分析解決水文地球化學相關問題的能力。

線上教學手段是課程改革的另一重點。課前，教師可利用微課在線課程教育模式，對水文地球化學課程內(nèi)容進行全面梳理，學生通過觀看微課視頻、PPT等資源完成課前預習，形成預習報告單并通過在線學習平臺提交給任課教師。任課教師在授課過程中根據(jù)學生預習反饋情況、教學重點和難點有針對性地深入講解，將教學內(nèi)容分解，利用3D模型、動態(tài)模擬模型、教學音頻、教學視頻的方式，將重點融入案例之中，幫助學生將抽象的理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的具象知識，利用生動、直觀的內(nèi)容來吸引學生的注意力。同時在線下課堂中，教師根據(jù)學生線上學習情況，讓學生參與教學，加強師生的互動交流，引導學生運用理論知識解決實際問題，通過小組成果展示、教師評分及小組互評將課堂還給學生，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新思維。最后，在線上答疑和線下討論的基礎上，將重點知識與實踐課或?qū)嶒炚n結(jié)合，引導學生完成作業(yè)，啟迪學生向水文地球化學其他相關內(nèi)容或案例進行延伸，強化學生運用所學水文地球化學知識解決實際工程問題的能力，使其提升學習效率，培養(yǎng)探索精神。

2.3 考核模式改革

水文地球化學課程教學改革的另一重點是考核模式。水文地球化學課程的考核需注重過程和結(jié)果、仿真和實操、技能與素養(yǎng)、自評和他評的結(jié)合。在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術下，水文地球化學課程可基于大數(shù)據(jù)平臺自身的結(jié)構(gòu)和屬性，結(jié)合選用教材和參考教材的課后習題以及與地下水環(huán)境相關的工程案例，確定考試題庫的內(nèi)容和形式，并根據(jù)學校特色和學科專業(yè)側(cè)重點校正、優(yōu)化題庫參數(shù)。為克服期末突擊學習和一考定成績的弊端，鍛煉培養(yǎng)學生的自主學習能力和綜合職業(yè)素養(yǎng)，學生總成績應由過程考核評價和最終考核評價組成。過程考核主要包括課堂考勤、課堂互動、課前預習及任務完成情況、隨堂測驗及課后作業(yè)等；最終考核主要由課程期末考試和課內(nèi)實驗/模擬實踐情況組成。其中，過程考核占40%（課堂考勤10%+課堂互動10%+課前預習及任務完成情況10%+隨堂測驗及課后作業(yè)10%）；最終考核占60%（課內(nèi)實驗/模擬實踐情況30%+課程期末考試30%）。

2.4 加強實踐教學環(huán)節(jié)

培養(yǎng)學生獨立認識問題、分析問題和解決問題的能力是本科生專業(yè)教育的重要內(nèi)容，水文地球化學課程的地學屬性和化學屬性決定了實驗教學和野外教學實踐是培養(yǎng)人才的關鍵環(huán)節(jié)[10-12]，增強學生水文地球化學實驗和水文地球化學過程模擬軟件操作技能對教學知識的拓展和延伸具有重要意義。

2.4.1 野外實習中加強對水文地球化學知識的應用

野外實習在專業(yè)實踐教學體系中有著舉足輕重的地位，其教學質(zhì)量直接影響著專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。在認識實習和專業(yè)實習中應加強學生對水文地球化學理論及實踐知識的應用，例如采取泉水水樣或地下水樣，結(jié)合水質(zhì)測試結(jié)果進行水質(zhì)評價或者水化學類型分類；探索巖性、地形等自然地理對地下水化學成分的影響；分析溶洞的形成機理；啟發(fā)學生運用同位素手段判斷地下水的補給來源；結(jié)合水文地質(zhì)條件判斷地下水化學組分形成機理及影響因素；分析地方病與當?shù)厮牡厍蚧瘜W環(huán)境的關系；判斷地下水污染源（無機、有機、金屬或者非金屬）；等等。

2.4.2 強化室內(nèi)實驗教學

水化學實驗是水文地球化學過程分析的重要基礎，給學生教授水化學相關的實驗操作技能可以提高學生動手及解決實際問題的能力，加深學生對基本理論知識的掌握，使其學會對實驗數(shù)據(jù)進行處理和計算。水文地球化學課程主要可設置以下實驗：水中碳酸平衡與pH關系滴定實驗、巖石礦物的溶濾實驗、水溶液pH與Eh的測定實驗、二維溶質(zhì)彌散實驗、水質(zhì)評價綜合實驗等。在教學過程中，學生全程參與，包括實驗方案設計、樣品采集與預處理、樣品測試和數(shù)據(jù)分析、儀器維護等，最后提交實驗報告。

此外，“互聯(lián)網(wǎng)+”及后疫情背景下，教師可以通過網(wǎng)絡通信技術、多媒體技術構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，通過平面圖片和立體模型的展示，使學生準確掌握實驗過程和實驗操作技巧，能夠在暫時不具備實踐環(huán)境的基礎上獲得實踐機會。

2.4.3 水化學模擬實踐應用

地下水化學成分的形成和分布是在一定的自然地理和地質(zhì)環(huán)境條件下經(jīng)過非常漫長的地質(zhì)歷史過程的產(chǎn)物，理論教學中涉及的水文地球化學研究方法和水文地球化學模擬的基本原理是抽象化的，而水文地球化學模擬軟件有助于學生認識水文地球化學過程及機理。因此，需在課堂教授中增加實際操作內(nèi)容，例如，通過教授PHREEQC/WATEQ/MINEQA2等軟件操作技能幫助學生掌握飽和指數(shù)的計算，進行氧化還原反應平衡計算、溶解組分平衡計算、地球化學反向模擬等；運用AqQa劃分水化學類型，進行水質(zhì)評價及繪制Piper三線圖；介紹SPSS統(tǒng)計軟件操作以及結(jié)合案例進行地下水污染識別。例如煤礦安全生產(chǎn)中最典型的巷道突水水源判別案例，培養(yǎng)學生運用不同方法（水質(zhì)檢驗法、離子比例系數(shù)法、同位素理論法等）判別突水水源的能力，了解不同方法的優(yōu)缺點和適用性，以此開闊學生的專業(yè)視野，增強產(chǎn)學研技能。

3 結(jié)束語

水文地球化學課程是地下水科學與工程專業(yè)教學的重要組成部分，在培養(yǎng)專業(yè)人才中起著至關重要的作用，隨著我國高等教育的改革、后疫情及“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下教學模式的變化，水文地球化學課程也面臨很多問題和挑戰(zhàn)，僅線下傳授理論知識已不能滿足學科發(fā)展及社會發(fā)展的需要，應加強學生—教師—自然的互動，構(gòu)建線上線下混合式教學模式，實現(xiàn)教—學—用—研的有機結(jié)合，通過網(wǎng)絡教學資源的有機整合培養(yǎng)綜合型人才，提高學生學習的能動性和創(chuàng)新性，使其認可學科專業(yè)的價值，提升地下水科學與工程專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。