劉麗紅 陳孝楊 陳要平

摘要：地下水數值模擬是地下水科學與工程專業(yè)普遍開設的一門課，針對地下水數值模擬課程特點和教學難點，從課程特征、教學難點和教學內容改革三個方面闡述了該課程教學改革的重點和方向，側重水文地質概念模型概化方法和數值模擬軟件應用，增加模型參數調參的講解，與多媒體現代教學手段有機結合，并通過課程設計結合礦區(qū)實際水文地質條件進行礦區(qū)涌水量預測數值模擬，增強課程的實際應用效果。

關鍵詞：地下水數值模擬;礦業(yè);教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）38-0139-02

地下水數值模擬是以電子計算機和數值計算為手段，通過背景資料獲取、模型概化、模型識別和應用來分析地下水流和地下水污染等方面的問題。在礦業(yè)類高校中，《地下水數值模擬》課程的教學目標是預測礦山開采條件下的地下水動態(tài)，為水質和水量的管理與評價以及礦山疏放水提供理論依據。

一、課程特征

1.抽象性。地下水是以地下水動力學為理論基礎，此理論基礎、研究方法本身就是很抽象的。本課程又是以地下水為研究對象的，地下水數值模擬過程中需把復雜的水文地質問題概化為某一數學模型，模型中水文地質條件、邊界條件概化過程均比較抽象。

2.復雜性。地下水流數值模擬在建模初期，特別是幾何模型建立過程中，需要對復雜的水文地質資料進行整理歸納，包括鉆孔、地層、水文資料等，從而決定了本課程應用到大量地質、水文地質和地理信息系統(tǒng)的方法，需要多學科交叉。

3.實踐性。地下水數值模擬不僅可以模擬實際水文地質條件下實際含水層地下水流場、污染物運移等情況，還可以預測未來情況下含水層的響應，特別對于礦山開采條件下的地下水動態(tài)，礦井涌水量預測等，地下水數值模擬的內容決定了這門課程也是一門實踐性很強的課程。

4.水文現象受到大量隨機因素的影響具有不確定性。在進行水文數據分析時，是把十分復雜的水文現象抽象概化為某一個數學模型，其表現形式較為抽象，而設計模型的過程則更加抽象。

二、教學難點

1.地下水運動的基本微分方程、地下水化學組分運移基本方程、NAPL遷移基本方程是解決地下水運動、溶質運移和石油污染物運移的三大基本方程，這些基本方程與地下水動力學的教學內容有重復又有區(qū)別，增加了教學的難度。

2.地下水數值模擬是一門實踐性非常強的課程。這就決定了課程在掌握理論推導的同時，還要注重專業(yè)實踐應用，兩者課堂平衡難以把握。

3.利用課堂時間進行大量水文地質資料數據的處理工作很困難。本課程在以GMS數值模擬軟件為例講授建模方法時需要應用大量水文地質實測資料來說明方法過程，對鉆孔等地質資料前處理等內容僅利用課堂時間讓學生親自動手，在空間和時間上都是不理想的。

三、教學改革策略

1.教學內容改革。（1）減少地下水基本微分方程的推導的介紹，增加基本方程的初始、邊界條件和差分求解方法等實用性內容的講解。首先將本課程與《地下水動力學》課程微分方程的內容區(qū)別開，要結合實際的地下水問題，在適當注意數學理論系統(tǒng)性的基礎上，強調理論和方法的應用，而不要讓學生陷入煩瑣的數學推導和證明當中。（2）通過GMS地下水流數值模擬軟件實例應用來學習數值模擬建模過程。以主流的地下水數值模擬軟件GMS為例，本課程在教學時，通過多種實際地區(qū)特別是礦區(qū)水文地質資料收集，用實際水文地質資料建立符合實際地區(qū)的數值模擬模型并運行。（3）結合生產項目中遇到的實際問題不斷更新教學內容。隨著地下水科學的不斷發(fā)展，多學科交叉應用，許多新的方法和技術得以應用，要隨時更新相關的教學內容，保持課程內容與當前的科技發(fā)展同步。

2.教學方法改革。（1）轉變教學方法，創(chuàng)新課堂形式。地下水數值模擬是一門實用性非常強的專業(yè)課程，如何調動學生的學習積極性非常關鍵。這就需要教師做好每次課的課堂設計，大量收集應用地下水數值模擬解決實際地下水問題的實例，并利用自己的生產項目作為課程實例，比如結合礦區(qū)生產實例的某個工作面開采的涌水量預測，按照地下水數值模擬步驟讓學生在課堂上參與實際數值模擬建模和后期模擬過程，使學生更加直觀地了解學習內容，調動學生的學習熱情。（2）略去繁雜的地下水方程推導，突出數值模型概化、初始邊界條件、數值模擬差分方法在軟件中的實現。鑒于學生已經學習了地下水動力學中相關的方程推導，對于比較抽象的概念和理論，繁雜的數學推導和證明可以只給出簡單的說明或者略去，而應將重點放在水文地質條件概化、空間時間離散、差分方法部分，例如數值模型的邊界范圍、邊界條件、含水層空間結構、水文地質參數和源匯項等。（3）增加實踐動手能力考查，并在成績評定中有所體現。在每次課程回顧中，提出一個實際的水文地質問題，要求學生進行上次課堂內容實際電腦操作作為課前測驗，這樣對學生基礎知識的掌握以及應用能力的提升都有很大幫助，同時對學生的日常表現、出勤、作業(yè)等情況都進行了考核。除此之外，更加要注重的是學生綜合分析的能力，這就要求試題的多樣化及對實際案例的分析。

3.教學手段改革。（1）多媒體教學與傳統(tǒng)教學相結合。地下水數值模擬常常涉及復雜的軟件操作步驟，而且過程比較復雜，借助多媒體教學的形式，教師可以有針對性地選擇實例來建立水文地質概念模型并轉化為數值模擬模型，使講解生動清晰，教學效果得到極大提高。例如，通過粉筆板書一個理想的三層含水層，給出含水層的空間結構、水文地質參數、源匯項，提出具體模擬情景;然后通過多媒體進行相關建模演示，板書重點建模過程步驟，使學生在學習過程中被積極調動起來，以提高學習效率?？傊?，在整個教學環(huán)節(jié)中，應該以“黑板+粉筆”為主，以多媒體為輔，使教學質量得到保證。（2）增設與課程相對應的課程設計。課程設計的目的是通過實際地下水數值模擬，培養(yǎng)學生的動手操作能力、觀察能力和分析問題能力等，這是課堂教學無法替代的，是培養(yǎng)有創(chuàng)新意識和實踐能力人才的一個極其重要的環(huán)節(jié)。例如給出某礦區(qū)具體的水文地質資料，讓學生用2周時間通過數據整理、建立符合實際水文地質概念的模型并轉化為數值模擬模型，通過模型運行得到具體的礦區(qū)抽放水條件下地下水流場情況，預測礦區(qū)涌水量，為礦區(qū)生產安全提供重要的參數依據。（3）對于地下水數值模擬這門實踐性很強的課程，如何將課堂所學數值模擬知識靈活熟練運用，如何調動學生對所學知識的學習積極性，是教學過程中提高教學效果的關鍵問題。利用課余時間組織學生進行地下水數值模擬建模大賽，既增加了學生對所學知識的應用，又增加了課堂與課后學生學習生活的聯(lián)系，大大提高了學生的學習積極性。

四、結語

針對《地下水數值模擬》課程學時少、內容多、實踐性強等特征，本文從課程特征、教學難點和教學內容改革三個方面闡述了該課程教學改革的重點和方向，對這門課程的教學模式進行了探討。以持續(xù)改進為理念，期待今后把《地下水數值模擬》的教學工作做得更好。

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Research on Curriculum Teaching Reform and Practice of "Groundwater Numerical Simulation"

LIU Li-hong，CHEN Xiao-yang，CHEN Yao-ping

（School of Earth and Environment，Anhui University of Science & Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

Abstract：The groundwater numerical simulation is a course in a common groundwater science and engineering.Aimed at course characteristic and teaching difficulties，this paper described the key points and direction of this course from course characteristic，teaching key points and teaching content aspects.Course teaching reform puts particular emphasis on generalization method of hydrogeological conceptual mode and numerical simulation software application.This course also added the teaching content of model parameter adjustment with multimedia modern teaching methods.This course conduct numerical simulation of water inflow prediction with actual hydrogeological conditions in mining area，in order to enhance the practical application of curriculum.

Key words：Groundwater Numerical Simulation;mining industry;teaching reform