地下水科学与工程专业《地下水监测》课程教学改革浅析

张佳

（中国地质大学（北京） 水资源与环境学院，北京）

一 课程性质与教学内容

《地下水监测》是中国地质大学（北京）水资源与环境学院“地下水科学与工程”本科专业的核心课程。地下水监测主要讲授地下水及其相关环境要素的监测方法、监测孔和监测网的设计与优化、监测资料的整编与分析等专业知识。通过课堂授课与实践教学环节，使学生具备开展地下水监测方案设计与具体实施的能力。

《地下水监测》是一门技术方法课，也是地下水勘查的基本工作内容，不仅可为水文地质研究提供基础数据，还可为地下水资源合理开发利用，以及地下水环境保护提供重要的支撑。《地下水监测》专业性较强，是一门综合性课程，需要有水文地质基础理论知识和技术方法作为支撑，如水文地质学基础、地下水动力学、水文地球化学、污染水文地质学和地下水勘查等，因此在《培养方案》中往往排在靠后的位置。

我校《地下水监测》课程总学时为32学时，其中课堂教学24学时，实践教学8学时。课堂教学主要包括绪论、地下水监测概论、地下水监测对象及其特征、地下水动态特征及其影响因素、地下水监测孔设计、地下水监测方法和设备、地下水监测网设计与优化、地下水监测资料的整编与分析和地下水监测信息系统。实践教学环节主要包括地下水监测站参观和行业专家讲座等。

二 课程建设情况

《地下水监测》课程与其他地下水科学与工程专业核心课程具有一定差别[1-3]，虽然国内高等院校地下水科学与工程专业均开设了相关专业，但课程名称和教学内容却略有差异。例如，吉林大学开设课程名称为《水环境监测与评价》，而中国地质大学（武汉）开设课程名称为《环境监测》。从课程名称上可以看出，上述课程均不是专门针对地下水监测开设的，这导致国内高等院校所开设的《地下水监测》课程，无论是在教学大纲和教材，还是在教学方法上，仍未形成统一的教学范式。

三 课程教学存在问题

笔者结合实际教学经验，对目前《地下水监测》课程教学存在的具体问题进行了阶段性总结，主要表现在：教学内容未紧跟行业改革形势与需求，地下水监测相关计算机软件工具使用的实践教学环节薄弱，传统课堂教学方式难以激发学生学习热情。现将上述问题的具体内涵阐述如下。

（一） 教学内容需要进一步完善

随着经济社会和科学技术的快速发展，地下水科学与工程专业所面临的社会需求形势发生了显著变化。一直以来，大规模的经济建设和农业生产需要大量的水资源支撑，因此地下水资源勘查与评价一直是水文地质学科的基本任务。近些年，随着人类活动对资源环境影响的日益加深，地下水环境保护逐渐成为了水文地质工作的又一重心，这一转变也给《地下水监测》的教学工作提出了新的任务。

在传统的《地下水监测》教学过程中，主要侧重区域地下水监测方面的内容，而对场地尺度的地下水环境监测涉及较少。2019年1月1日，《中华人民共和国土壤污染防治法》正式施行，其中多个条目明确规定地下水和土壤需要同时进行调查、同时进行风险管控、同时进行修复、同时进行监测，也被称为“四同时原则”。2019年和2020年，生态环境部针对《建设用地土壤污染状况调查技术导则》《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》和《地下水环境监测技术规范》等一系列地下水监测相关技术导则进行了修订，补充和完善了有关地下水调查、风险评价、控制修复和监测的内容。因此，在后续《地下水监测》教学过程中，有必要结合相关《导则》和《规范》等，增加场地尺度的地下水监测内容，以增强学生开展污染场地地下水污染调查、评价和监测的能力。

（二） 现代计算机软件工具的使用需要加强

地下水监测资料分析和地下水监测网设计与优化是《地下水监测》课程中的两个重点内容，而这两部分内容都涉及现代工具软件的使用问题。“纸上谈兵”的传统教学方式很难让学生真正掌握上述能力，因此有必要在《地下水监测》课程中增设相应的实践教学环节。

其中，地下水监测资料分析中最重要的方法是数值模拟法。在我校现行2016版《培养方案》中，尚未开设地下水数值模拟专门的课程，仅在《地下水资源评价》课程中设置了数值模拟实践教学环节，教学内容主要围绕傍河型水源地开采过程中的水均衡分析和污染物溶质运移开展。从地下水监测资料分析的角度出发，数值模拟的应用涉及地下水流系统的动态演变过程分析、地下水污染物运移的预测预警和水文地质参数的反演识别等多个领域，对学生运用数值模拟方法解决问题的能力提出了更高的要求，有必要针对典型应用场景，增设专门的实践教学环节。

此外，地下水监测网设计与优化中最基本的方法为水文地质编图法，而该方法依赖地理信息系统（GIS，Geographic Information System）软件的运用。在我校现行2016版《培养方案》中，已开设了《GIS及其在水文中的应用实践》课程，该课程主要围绕GIS软件的基础应用和流域分析开展教学。就水文地质编图法的具体要求而言，其中涉及地下水易污性评价、地下水价值评价、地下水污染源分级评价和地下水污染风险性评价等多个环节，是对GIS工具的专业化应用。增设相应实践教学环节，既有助于学生深入理解地下水监测网设计与优化方法的内在逻辑，也有助于强化学生综合运用GIS软件解决地下水科学与工程领域实际问题的能力。

（三） 传统课堂教学方式需要创新

《地下水监测》集专业性、综合性和实践性于一体，教学内容既包含基础理论知识和前沿进展，同时又涉及诸多技术方法和技术要求，需要识记的内容较多，而且部分技术方法较为抽象。例如，在地下水监测井的布设和采样方法中，不仅区分了区域、地下水饮用保护区和污染源区三种空间尺度和类型，还将污染源区划分为工业污染源、矿山开采区、加油站、农业污染源和高尔夫球场五种类型，并按含水介质类型区分孔隙水、风化裂隙水、构造裂隙水和岩溶水，可见知识点较为分散，如果采用传统的“填鸭式”教学，势必造成课堂教学沉闷，学生学习兴趣下降的问题。再如，地下水监测孔设计部分，涉及大量监测井结构、钻进工艺和施工过程的内容，由于学生并未直接实地观摩过水文地质钻探过程，因此对于学生而言，上述知识点的具体内涵势必是十分抽象的，在理解上可能存在较大困难，从而导致教学效果不佳。

此外，由于《地下水监测》教学内容综合性较强，十分依赖前序专业课程的支撑，因此在培养方案中往往处于靠后的位置。在我校2016版《培养方案》中，《地下水监测》设置在大四上学期开课。由于部分学生正处于研究生入学考试备考阶段，往往导致学生参与度不高。尤其是在传统灌输式教学方法难以激发学生学习兴趣的情况下，学生“开小差”的情况时有发生，因此很难保证教学目标的达成，这一问题在大四上学期开设课程中普遍存在。

四 教学改革措施与实践

针对上述问题，结合笔者在实际教学过程中开展教学改革尝试所取得的经验，提出以下教学改革措施，以提高《地下水监测》课程的教学效果，可为国内高等院校相关课程的教学改革提供借鉴。

（一） 线上线下混合式教学模式的应用

为了强化学生对现代工具软件的综合运用能力，有必要针对地下水监测数据分析和地下水监测网设计优化教学内容，增设地下水数值模拟软件和地理信息系统软件实践教学环节。由于总课时有限，在保证课堂教学课时充足的基础上，需要尽可能提高实践教学环节的授课效率。根据以往教学经验，由于学生对相关软件接触较少，因此很难仅通过上机实习，在短时间内完全掌握相关软件的操作方法，仍需要投入大量的课余时间进行反复练习。此时，线上线下混合式教学模式便可发挥其巨大的优势[4]。教师可以提前在学校网络教学平台上建立线上课程，主要针对相关软件的基本操作方法进行介绍，可供学生在课前和课后进行预习和复习使用。在实践教学过程中，教师只需针对具体的教学目标，结合实际案例，指导学生完成相关模拟、评价、设计和优化任务，这可以极大地提高教学效率，提升教学效果。

（二） 多媒体技术的应用

针对部分技术方法类知识点过于抽象，学生未曾接触，难以理解的问题，教师可以结合多媒体技术，如Flash动画演示、视频演示和虚拟仿真等手段[5-6]，让学生可以形象地了解相应技术方法的技术细节和过程。例如，可以利用Flash动画演示方法，对不同监测孔钻探工艺进行展示，让学生能够直观形象地了解螺旋式钻进、回转式钻进和冲击式钻进技术方法之间的特点及其适用条件。又如，可以利用虚拟仿真技术，构建监测孔施工过程虚拟仿真平台，让学生可以通过自主操作，加深对监测孔施工过程的理解，从而加强学生开展监测孔的设计、施工与资料整理工作的能力。

（三） 互动式教学应用

对于高年级学生学习热情不高，课堂参与度不够的问题，可采用互动式教学方法进行教学效果的改善[7]。例如，可基于网络教学平台的在线答题模块，增加课堂答题环节，题目类型应以选择题为主，利用学生在线投票的方式取代传统提问方式，并对学生的答题结果进行现场讲评，加深学生对相关知识点的记忆和理解。从学生的反馈上来看，学生对这种教学方式是比较欢迎的。而就教学效果而言，这种方式不仅可以提高学生的整体参与度，还可以实时掌握学生对相关知识点的掌握情况。

此外，《地下水监测》课程涉及大量前序课程知识点的运用，如地下水动态特征及其影响因素部分，与《地下水科学概论》（即《水文地质学基础》）的授课内容有较大的重合，属于回顾性教学内容。如果依然采用传统的教学流程，很容易造成学生学习兴趣的下降和教学资源的浪费。此时，可以考虑采用课前闯关式答题教学方式，将回顾性教学知识点整理成题库，让学生认识到自身知识体系存在的不足，也让教师且了解学生知识体系的薄弱之处，有针对性地开展回顾性教学，提高教学效率。

（四） 翻转课堂的应用

地下水监测作为水文地质工作的基本内容，随着国家地下水资源与环境管理体制的改革，以及相关科学技术和仪器设备的进步，对地下水监测的具体要求也在不断发生着变化，这就要求学生需要具备终身学习的能力，这也是工程教育认证标准的具体要求。对于《地下水监测》中较为零散的知识点，如相关《技术导则》和《技术规范》的解读，可以采用翻转课堂的方式开展[8]，具体可通过小组讨论、小组汇报和组间互评的方式加强学生对相关内容的了解，同时锻炼学生的自主学习和终身学习的能力。

此外，《地下水监测》作为一门综合性课程，应当承担起培养学生问题分析和研究能力的任务。由于学生已经经过了专业基础知识的学习和野外专业实习的综合训练，在《地下水监测》课程教学过程中，可以适当增加综合案例的讨论环节，通过翻转课堂的方式，让学生利用所学知识，进行问题分析与分组讨论，再通过组间互评和教师讲评的方式，培养学生分析问题和解决问题的能力。

五 结语

《地下水监测》课程的改革是一个长期的任务，一方面国内相关课程建设起步较晚，缺乏可以参考的教学范式，另一方面随着国内地下水资源与环境治理观念与制度的深化改革，不断为《地下水监测》课程教学提出新的任务。因此，《地下水监测》课程教学应坚持工程教育认证的核心理念，即成果导向、以学生为中心和持续改进，结合最新的行业发展趋势与需求，不断完善教学大纲，创新教学方法，优化教学环节。教师应不断思考想让学生学什么内容？为什么要让学生学这些内容？如何让学生有效掌握这些内容？如何评价学生已经掌握了这些内容？持续改进《地下水监测》课程教学模式，编写专门教材，打造“金课”，通过与国内高等院校相关课程教学团队的交流，形成《地下水监测》教学范式，提高相关专业学生的培养质量。