谢一凡 鲁春辉 吴吉春

[摘 要] 水文水资源、环境工程等相关专业的基础课“地下水动力学”的教学，融入培养学生水利人才核心素养的教育理念，进行教学内容和教学方法的改革和研究，通过丰富课程内容、优化学习方法、改良教学方式，帮助学生深入理解教学内容，着力培养学生的水利人才核心素养，强化素质教育，期待为“地下水动力学”的教学研究提供参考。实践表明，基于核心素养理念的“地下水动力学”教学过程，能够提高教学质量，有利于水利人才关键能力和必备品格的培育。

[关键词] 地下水动力学;教学改革;水利人才;核心素养

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）03-0085-04   [收稿日期] 2020-10-16

一、引言

人的核心素养是解决复杂问题和适应不可预测情境的必备品格和关键能力。提出这一教育理念旨在勾勒新时代新型人才的形象，规约学校教育的方向、内容和方法。“地下水动力学”[1]是研究地下水运动规律和定量评价地下水资源的基础，是与地下水紧密相关的专业人员研究和解决与地下水有关的水工环问题的理论依据和重要工具，是水工环各专业的一门专业基础课程，在水工环各专业核心素养培育中具有独特价值[2-4]。当前，我国许多地方存在地下水资源储量减少、水质污染、海水入侵、地面沉降、土壤恶化、工程地质灾害等资源、环境和灾害问题。新时期水科学研究和水工环各专业面临的实际问题的解决，要求我们深入推进以核心素养培养为目标的课程教学改革[5，6]。本文针对“地下水动力学”课程的性质和特点，进行了教学内容和方法的改革优化研究与实践，旨在帮助学生深入理解和掌握学科核心内容，强化素质教育，培养学生的水利人才核心素养，期待能为本课程的教学研究提供参考。

二、依托核心教学内容蕴含的教育资源渗透水利人才的必备品格教育

不同学科知识具有不同的价值，学科核心内容蕴含专业人才必备品格和关键能力的培育因素。所谓学科核心内容，是指对专业核心素养形成发展具有奠基作用的、对专业学习和工作具有核心价值的学科基础知识和基本方法。为此，在本课程教学中，我们精心选择核心概念、基本定理和方法，依托其蕴含的丰富教育资源，夯实素养知识基础，有的放矢地进行学科专业核心素养培育。

1.依托学科核心概念和基本定理教学，择机进行尊重规律的观念培育。达西定律等地下水基本定理是“地下水动力学”课程中基础的核心概念，在水工环各专业核心素养培育中具有极其重要的价值。达西定律教学实质上是地下水渗流规律和能量守恒规律教育教学，蕴含丰富的尊重规律意识培育因素。如果忽视地下水渗流规律和能量守恒规律，就不能精确掌握和描述地下水运动规律，就不能科学评估水资源。如果违背地下水运动规律，在地下水的开采利用、地下水工程建设等实践中，会面临一系列问题，甚至导致地质、环境灾害。因此，在达西定律等地下水动力学基本定理及其相关数值模拟教学中，教师需要坚持理论联系实际的根本方法，帮助学生深入理解和掌握，奠定学科专业素养知识基础，并通过实例说明，以帮助学生树立尊重规律的观念。如，教师在教授利用有限单元法进行达西渗透流速模拟等地下水数值模拟过程时，需要在讲解有限单元法等数值方法内容的同时，分析这些方法在概化地下水模型时的一些简化处理手段，同时简要评述有限单元法等数值方法的优缺点，比如通过呈现“由于有限单元法算法框架的限制，在建立数值模型时，会忽略所计算的达西渗透流速在网格节点处的连续性，并且所计算的达西渗透流速在介质物理交界面处不满足折射定律这一基本物理规律”的例子，说明如果忽视客观规律，就不能精确、高效地模拟地下水运动规律。最后，列举介绍一些符合达西渗透流速连续性、折射定律的新型数值方法，并将其与有限单元法进行对比，以此加深学生尊重物理规律的教育，教导学生在建立地下水数值模型时需要深入分析地下水运动规律，并结合具体的模拟问题要求，选择合适的数值模拟方法建立准确的数值模型。

2.优化教学内容呈现方式，有效进行精神品格培育。学科核心内容富含专业人才关键能力和必备品格培育因素，能否充分开发利用好其蕴含的教育资源，是成功教学的关键。以往“地下水动力学”教学，由于教学内容呈现方式单一，制约了其教育资源的充分利用，影响了其教育功效的发挥。为此，必须优化本课程核心教学内容的呈现方式，根据学情和学科核心内容教学与品格培育的需要，适当增加和穿插一些典型例子，以栩栩如生的方式少量介绍一些地下水研究成果和著名专家、学者及工程建设者的事迹，讲好他们的故事，以更好地开发利用本课程核心教学内容的教育资源，传承我国优秀水文化，培养学生的家国情怀和刻苦钻研、求真务实、勇于奉献的精神。例如，在讲授地下水数值模拟方法时，讲述我國地下水数值模拟的发展历程。如冯康教授独立开发有限元算法，为我国地下水数值模拟提供了重要基础方法;肖树铁、薛禹群、谢春红等老一辈地下水科学工作者，自发组织“神仙会”，进行地下水数值模拟的讨论与研究，为我国地下水数值模拟奠定了基础;等等。借以进行地下水科学工作者和工程建设者的精神、事迹教育，引导学生学习老一辈科学工作者心系国家、服务国家和人民的家国情怀，以及刻苦钻研、攻坚克难、奉献自我、献身地下水科研和工程建设事业的奉献精神和意志品格，以深化爱国主义教育，加强学生求真、务实、奉献的品格塑造。

三、加强学科方法论教学，强化水利人才的关键能力培养

1.学科方法论教学对水利人才关键能力培养的意义。方法论是人们认识世界、改造世界的方法理论，通常涉及对问题阶段、任务、工具、方法技巧的论述，会对一系列具体的方法进行分析研究、系统总结并最终提出较为一般性的原则，是一种以解决问题为目标的理论体系或系统。方法论是创新的源泉和解决问题的关键，它可以为科学研究和解决实际问题提供方向、路径、策略、方法与思维框架。“地下水动力学”的学科方法论是数值模拟、室内实验和野外勘察等基本方法构成的体系，它是“地下水动力学”学科的核心教学内容，蕴含最为重要的学科专业关键能力培育因素。因此，在本课程的教学中，强化其方法论教学，对水利人才的关键能力培养具有重要意义。

2.依托学科方法论强化水利人才关键能力培养的探索。数值模拟是地下水研究的重要技术手段，也是解决地下水资源过量开采、水质污染、海水入侵等问题的重要途径之一，它蕴含许多思想方法、经验智慧与技术路径和策略。如地下水问题常具有大尺度，研究区域很广，含水介质具有非均质性，难以精确描述。应用传统有限单元法进行数值模拟时，必须精细剖分，保证网格内部渗透系数可视为常数，从而精确描述含水介质渗透系数的非均质性，由此导致计算单元数目巨大，不仅需要庞大的计算消耗，而且需要高性能计算硬件的支持。随着计算机性能的提高和并行技术等一些新的计算机技术的逐渐出现，虽然在某种程度上能够缓解数值模拟的计算成本问题，但仍然存在一些问题，如机群计算技术受带宽的限制、共享内存多处理器技术的硬件昂贵、我国高性能计算机群资源的稀缺等。针对地下水问题的大尺度特性和非均质特性，国内外科学工作者提出了多尺度有限单元法，该方法具有粗、细两层尺度的网格剖分，可在粗尺度网格单元上构造满足退化的椭圆方程的多尺度基函数汲取细尺度信息，再通过尺度提升技术降低计算成本。简而言之，该方法通过基函数来“负责”细网格单元，可以将细尺度问题转换为粗尺度问题，即精细把握关键部分，简化次要部分。通过构造局部基函数抓住研究区信息，将细尺度上的问题提高到大尺度上求解，实现通过关键性内点把握区域整体，在区域整体中研究关键性部分，在核心部分采用精细剖分的网格进行处理，对关键部分进行精细研究，把握问题解决的精度;在宏观区域整体进行简化处理以降低计算消耗，提高计算效率。这样才能在有限的条件下高效、精确地处理相对复杂的地下水问题。

通过上述内容和实例教学，不仅使学生了解了许多数值模拟思想方法和技术策略，培养了学生的关键能力，而且拓展了学生的学科视野，使其认识到学习学科方法论的价值，懂得只有学会了学科方法论，具备了运用地下水动力学知识和方法进行建模的良好能力，才能更好地探索地下水运动规律，更加精确地把握和描述地下水运动规律，更加高效、精确地解决地下水实际问题。

四、改革优化教学方法，着力提高水利人才必备品格和关键能力培养的实效

1.强化讨论和探究，增强探究精神和能力的培育效果。“地下水动力学”理论性强，其机理以公式推导为主，在教学过程中含有大量的数学公式推导，对于学生的认知与理解具有较大的挑战。在过去的课程教学中，遇到公式推导，多以教师演示、讲解为主，往往忽视学生的教学参与，学生缺乏推导过程的亲历，不仅所获知识缺少“活力”，而且影响了对学生的探究精神和能力的培育。因此，我们增加了学生对公式推导的亲历，强化了课内外讨论和探究，在进行数学公式推导教学时，巧妙组织学生讨论，引导学生探究这些数学公式的由来、内容、价值、适用范围和条件，研究数学公式中蕴含的地下水动力学过程的物理意义。实践证明，这能大大提高探究精神和能力培育的有效性。

2.利用网络科技手段，突破时空对教学的限制，拓宽学生的视野，增强自主学习能力。利用腾讯会议、中国大学MOOC（慕课）国家精品课程在线学习平台等多种新型网络科技手段，能够有效地突破时间、空间对课堂教学的限制，令学生可以随时、随地的学习，加强了学生课外学习的意识，方便了学生课内与课外的学习过程，增强了教师与学生之间的交互，提高了学生自主学习的能力。例如，2020年新型冠状肺炎疫情期间，全国进行疫情防控，学生无法到校学习，河海大学采用线上授课的方式，通过网络软件进行授课，使我国各个地区的学生，甚至海外留学生，都能够保质、保量地接受课程教学。通过建立课程QQ群，教师能够将一些课外资料的链接上传到网络软件中，方便学生自由浏览，提高了学生的主动性。学生存在问题时，可以直接在课程QQ群内提问，教师能够及时进行回答，为具有相同问题的学生提供参考与回溯，也能组织学生进行课外讨论，而不再受传统课堂时间、空间的限制。还可以邀请一些知名地下水动力学科学工作者，通过腾讯会议等网络软件，进行线上直播讲座，讲述他们自己或在指导学生时的事迹与实际工作，并与学生进行交流，这样不仅丰富了“地下水动力学”的教学体系，拓宽了学生的视野，而且让学生能够学习到知名地下水科学工作者的科学研究方法，以及求真务实、刻苦钻研等优秀学术精神，从而激发学生地下水科学研究的兴趣，也实现了地下水科学学术精神的传承与发展。通过线上讲座，学生能够与著名地下水学者面对面地交流，不仅学习了“地下水动力学”的原理与知识，了解到地下水科学研究的完整过程，而且能更加真切地感受与学习著名学者的科学精神，实现了学术精神的传承，这将对学生们今后的学习与科研具有深远的影响和重要的意义。

3.加强实践教學，积极引导科研参与，培养学生的创新精神和发现、解决问题的能力。利用教学方法体系的优势，充分发挥实践教学的独特功能，带领学生参与地下水动力学室内物理实验、野外考察工作，帮助学生获得与地下水动力学理论相匹配的丰富感性经验，培养学生的专业综合实践能力。例如，在讲授地下水渗流的基本定律章节时，在实验室授课，带领学生现场完成达西实验。通过亲手实践，让学生了解达西设计实验的思想过程，使其获得了该实验的专业实践技能和综合运用所学专业知识发现、解决问题的能力，懂得了科学研究源于实践作用于实践的道理，有效地培养了学生的求实精神，激发了学生对“地下水动力学”课程的兴趣。

积极引导对地下水动力学学术研究感兴趣的学生参与创训项目，加入课题组实习，初步参加地下水科学项目的室内实验研究和野外考察工作，培育学生对地下水动力学问题的发现探究能力，培育学生根据实际地下水动力学物理规律创造性地解决实际问题的意识与能力。提前开展科研活动，能够令学生对科研工作有初步了解，对学生职业生涯规划与选择具有深远的意义，也能够发掘适于参与学术研究的人才，令其能够提前开展科研工作，选择自己感兴趣的研究方向，尽早地进入科研状态，为其今后的学术生涯打下坚实的基础。

五、结语

基于核心素养培育的“地下水动力学”教学改革，不但使课堂变得丰富、有趣，提高了学生学习本课程的积极性，而且使学生掌握了良好的学习方法，增强了学生具体问题具体分析和持续学习的能力。同时，能够引导学生开展初步研究，培养其探究精神和能力，使学生学会发现、分析和解决问题，具备运用“地下水动力学”知识和方法创造性地解决问题的初步能力。通过模拟实践，学生从会学变为会做，进而促进了“地下水动力学”课程理解及相关实践工作能力的发展，同时还能塑造学生优秀的品格，提升学生的爱国意识，培养求真务实的精神。实践证明，核心素养理念下的“地下水动力学”教学，能够提高学生的认知与理解，有利于水利人才关键能力和必备品格的培育。

参考文献

[1]吴吉春，薛禹群.地下水动力学[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]王锦国，周志芳，张发明.地质工程专业地下水动力学课程教学改革初探[J].中国地质教育，2008，17（4）：128-130.

[3]文章.关于地下水动力学教学改革与实践的几点思考[J].科技创新导报，2010（18）：181.

[4]黄金柏，温佳伟，王斌，等.数值模拟应用于地下水动力学课程教学的研究与实践[J].中国科教创新导刊，2013（19）：71-73.

[5]喻平.发展学生学科核心素养的教学目标与策略[J].课程·教材·教法，2017（1）：48-53，68.

[6]张紫屏.基于核心素养的教学变革——源自英国的经验与启示[J].全球教育展望，2016（7）：3-13.