［摘 要］水文地球化學是地下水科學與工程專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，課程基本理論較深，同時強調實踐能力和分析問題能力的培養(yǎng)。水文地球化學課堂以教師為中心的傳統(tǒng)教學方式依然存在。在傳統(tǒng)教學方式下，學生缺乏學習主動性，只局限于對理論知識的機械記憶；教材中缺少與知識點對應的工程案例，學生無法做到理論聯(lián)系實際?；谝陨蠁栴}，建設水文地球化學課程教學案例庫勢在必行。案例教學法將傳統(tǒng)的教學轉變?yōu)橐詫W生為中心的教學，教師結合課程重要知識點，通過案例情境帶入，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、自主探討問題、最后解決問題。此方法能有效激發(fā)學生對專業(yè)的學習熱情，幫助學生理解理論知識并將其應用于實際工程中，提高學生實踐能力的同時，促進學生對科研的熱愛并激發(fā)創(chuàng)新能力。

［關鍵詞］水文地球化學；案例教學；工程案例；實踐創(chuàng)新

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）12-0106-03

一、案例庫建設的意義

水文地球化學是河北地質大學（以下簡稱“我?！保┑叵滤茖W與工程專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，在課程設置中占據(jù)重要地位，是在地質學、地球化學、水文地質學基礎、地下水動力學等課程的基礎上發(fā)展起來的，同時為后續(xù)專門水文地質學、地下水數(shù)值模擬、地下水環(huán)境質量評價、地下水溶質運移理論等專業(yè)課程奠定理論基礎。通過本課程的學習，學生應學會分析地下水的成因類型、地下水的化學成分特征以及元素在地下水中的遷移性能，最終可以對一個地區(qū)的地下水資源性質及其形成條件進行分析評價[1]。水文地球化學課程重視對基本理論和基本方法的講解，同時強調對實際問題的分析、實驗的設計和動手操作能力的培養(yǎng)[2]。水文地球化學課程受整體學時限制，缺少如水分析化學等相關試驗操作類的先導課程，需額外承擔水分析實驗以彌補學生實驗操作的不足，同時課程內容涉及眾多的地下水化學作用原理及地下水化學組分形成原因機理分析，是一門難度極大，但在水文地質工程領域非常實用的課程。水文地球化學涉及的知識點非常多，限于總體篇幅及課時安排，教材無法放入太多的工程實例，因此學生只能機械地學習知識點，無法做到將理論應用于工程實際。以上原因導致目前該課程教學在學生實踐能力、勞動技能、綜合分析能力培養(yǎng)方面存在諸多不足，其中，學生無法做到將理論應用于工程實際成為本課程最難解決的問題。因此，急需引入新的教學模式。

案例教學法自1987年提出以來，已被廣泛應用于各學科領域的教學中[3]。通過實際工程案例與對應的理論知識相結合，學生更容易理解掌握知識點，也更容易建立完整的知識體系；學生在分析案例、解決案例問題的時候，促進了他們的自主探索、實踐和創(chuàng)新能力的提高[4]。冶雪艷等[5]采用案例教學法對水文地質學基礎課程進行了教學改革，提出了教師講解型和學生講解型案例的劃分。崔芳鵬等、孫建等[6-7]將案例教學法應用于專門水文地質學、礦山巖石學等課程，取得了良好的教學效果。實踐表明，在教學中采用案例教學法，可以顯著提高課堂教學質量。因此，應針對水文地球化學課程授課過程中存在的各種問題，建設教學案例庫，以期提高水文地球化學課程的教學質量。

二、案例庫建設情況

我校水資源與環(huán)境學院地下水科學與工程專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)共5個教學班開設了水文地球化學專業(yè)必修課。經(jīng)過近20年的課程建設，水文地球化學課程內容逐漸完善。水文地球化學課程總學時為48學時，其中課堂教學42學時、實驗教學6學時；教材選定為《水文地球化學》（錢會等主編）[2]。本課程課堂教學主要研究地下水化學成分形成作用及其演化機理、水動力彌散的基本理論、同位素水文地球化學及水文地球化學模擬等。本課程總體分為六章：第一章為地下水的化學成分，是從事水文地質工作的基礎和基本技術；第二章為地下水化學成分的形成作用，主要為溶解沉淀平衡、碳酸平衡、氧化還原反應與平衡、吸附解吸及離子交替吸附，是課程的核心和重點內容；第三章為化學元素在地下水中的遷移，主要為水動力彌散現(xiàn)象及機理、彌散參數(shù)、彌散方程及解析解，是課程的另一個核心和重點內容；第四章為同位素水文地球化學，主要講解氫氧同位素、放射性同位素在地下水研究中的應用；第五章為地下水污染，主要為地下水污染源、污染物、地下水水質評價方法；第六章為水文地球化學模擬，主要內容是水溶組分平衡分布計算、質量平衡模擬。本課程的實驗教學內容主要包括巖土離子交換吸附實驗和地下水重金屬污染物淋濾模擬實驗兩部分。

配合教材，對本課程主體六個章節(jié)內容確立教學案例，運用工程科研項目和計算機技術（主要借助origin、Gibbs、Piper、GMS、PhreeQC等）開發(fā)課程案例資源庫，主要包括涉及地下水化學成分圖形表示、溶解沉淀平衡、碳酸平衡、氧化還原穩(wěn)定場、等溫吸附及陽離子交替吸附、彌散、溶質運移機理、彌散試驗設計、氫氧穩(wěn)定同位素確定地下水來源、放射性同位素測定地下水年齡、地下水水質評價、水文地球化學模擬等知識的11個案例。研究開發(fā)的案例在教材各章節(jié)中均有分布，具體案例和內容銜接情況如下。

案例相關資料：石家莊平原區(qū)地質、水文地質資料，地下水水質污染相關資料；石家莊市東部地區(qū)地下水水質、鍶型礦泉水水質、土樣、巖石樣資料；石家莊市氫氧同位素、氚同位素資料。

案例所需計算機程序及軟件：Excel、origin2017、Piper、GMS、PhreeQC等。

案例1：地下水化學成分計算及圖形表示

以石家莊市東部地區(qū)礦泉水相關地質、水文地質資料為基礎，基于礦泉水測試數(shù)據(jù)，對研究區(qū)水化學成分進行計算，并用origin、Piper軟件繪制圖形對地下水水質加以表示，講述地下水的化學成分、地下水水質綜合指標及圖形表示方法。

案例2：地下水化學成分成因分析

以石家莊市東部地區(qū)礦泉水監(jiān)測資料、地下水化學成分結果為基礎，從溶解/沉淀作用、碳酸平衡作用、氧化還原反應等水文地球化學作用綜合分析石家莊市東部地區(qū)礦泉水化學成分成因。

案例3：浸溶試驗—交替吸附作用

水和巖土間的交替吸附對地下水化學成分的形成和演變起到重要的作用，而且在一定條件下，對溶質的遷移，特別是對污染溶質的遷移，起到重要的控制作用。采集石家莊市東部地區(qū)土樣，教師設計室內浸溶試驗，將土樣破碎篩分，利用已知濃度的NaCl溶液對巖樣進行浸泡，講解交替吸附作用。

案例4～6：化學元素在地下水中的遷移

以石家莊市東部地區(qū)礦泉水中鍶遷移過程為例，分別建立一維土柱試驗、二維平面砂槽彌散試驗及三維砂箱彌散實驗，演示水動力彌散現(xiàn)象，建立水動力彌散方程，求解彌散系數(shù)。此部分內容設計3套教學案例。

案例1～6可串聯(lián)為一個整體案例，綜合分析石家莊市東部地區(qū)鍶型礦泉水成因及遷移機理。

案例7～8：同位素水文地球化學

講解氫氧穩(wěn)定同位素及放射性同位素在礦泉水溯源、地下水年齡測定中的應用。

根據(jù)河北平原地區(qū)大氣降水、地表水、地下水氫氧穩(wěn)定同位素資料，對氫氧同位素如何在水文地質研究中確定地下水補給來源、補給區(qū)高度、補給源混合比例、各類水體間水力聯(lián)系等進行講解。

根據(jù)放射性氚和14C資料，講解放射性同位素在地下水年齡測定中的應用。

此部分內容建立案例2套。

案例9：地下水水質評價

以石家莊某地區(qū)地下水水質污染調查及監(jiān)測資料為基礎，選擇評價因子，根據(jù)評價標準，采用2～3種評價方法對地下水水質進行評價。

案例10：地下水溶質運移模型

結合石家莊市地質、水文地質、地下水水質數(shù)據(jù)，利用GMS軟件建立地下水溶質運移模型，講述軟件運用方法、數(shù)值模擬方法及結果分析方法。利用MT3D模塊模擬地下水系統(tǒng)中的對流、擴散問題。

案例11：水溶組分平衡模擬

結合石家莊市地下水水質數(shù)據(jù)，利用PhreeQC軟件，建立低溫水文地球化學模擬，對水溶組分平衡。水-巖界面所發(fā)生的物理化學反應進行模擬，講述軟件運用方法、數(shù)值模擬方法及結果分析方法。解決水-巖相互作用系統(tǒng)中平衡熱力學和化學動力學問題。

三、案例實踐及教學效果

（一）案例實踐實例

綜合分析石家莊市東部地區(qū)鍶型礦泉水成因及遷移機理案例第一部分，以地下水化學成分計算及圖形表示案例為主，詳細介紹案例教學實踐過程。實踐過程主要分為三步：教師提供案例—引出問題、師生共同分析問題、學生組成團隊自主探討—解決問題。

1.引出問題

教師根據(jù)課程重要知識點——地下水的化學成分及地下水水質綜合指標及圖形表示方法，給出已準備好的典型工程案例，將實際工程問題引出。實測地下水水質資料表明，石家莊市東部地區(qū)地下水滿足鍶型礦泉水水質標準。為綜合分析石家莊市東部地區(qū)鍶型礦泉水成因及遷移機理，基于礦泉水測試數(shù)據(jù)，首先對研究區(qū)水化學成分進行計算，并用專業(yè)軟件繪制圖形，對地下水化學成分加以表示。

2.分析問題

分析問題可分為師生共同分析問題和學生自主分析問題兩種方式，對于本案例采用師生共同分析問題方式。教師若只引出問題而不進行闡述和引導，初步學習專業(yè)相關理論的學生就會感到迷惑，應引導學生將理論知識逐漸融入實際問題中，同時介紹行業(yè)相關解決方法。如針對科學前沿問題的追蹤，培養(yǎng)學生的文獻檢索能力，同時引導學生對重點、經(jīng)典文獻的寫作方式，科學問題的分析方法，數(shù)據(jù)的分析處理方法，數(shù)據(jù)應用價值的深度剖析方法，文章創(chuàng)新點的提出方法等[8]進行學習。

本案例針對知識點（1）地下水的化學成分、知識點（2）地下水水質綜合指標、知識點（3）地下水化學成分圖形表示方法進行分述。

知識點（1）：本案例地下水的化學成分包括無機物、有機物、氣體和微生物等。本案例石家莊市地下水水質監(jiān)測數(shù)據(jù)涉及無機物組分中的主要組分（重碳酸根、氯離子、硫酸根、鈉、鈣、鎂）和微量組分（碳酸根、鍶和偏硅酸離子）、氣體（游離二氧化碳）。地下水中各組分含量可能與微量元素偏硅酸含量存在相關關系，故需要對各離子組分當量濃度進行計算，同時為進行圖形表示，也需對各化學組分當量濃度進行計算。教師引導學生回顧水文地質學基礎課程及本教材中關于當量濃度及庫爾洛夫式的公式計算方法。

知識點（2）：與本案例有關的地下水水質綜合指標需分析pH值、氧化還原電位、溶解性總固體等。地下水中鍶含量及成因與地下水流經(jīng)的地層地質環(huán)境、水化學環(huán)境相關。pH值可影響離子在水溶液中的存在形式、溶解度。地下水與圍巖的相互作用，是重要的綜合性物理化學指標。氧化還原電位、溶解氧可表征水體氧化還原狀態(tài)，氧化還原條件對鍶元素在水中的存在形式及遷移、富集有巨大影響。溶解性總固體高低反應地下水與圍巖之間的水化學作用。以上這些概念的理清可為后續(xù)綜合分析石家莊市東部地區(qū)鍶型礦泉水成因及遷移機理打好基礎。

知識點（3）：教材中介紹的圖形表示方式主要有離子濃度法、三線圖法、庫爾洛夫式法。針對本案例，教師引導學生結合水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，對三種方法逐一進行計算和圖形表達，同時推薦利用軟件如origin、Piper自動計算并繪制圖形。教師要告知學生，問題的解決方法并不唯一，要跟蹤學術前沿進行文獻檢索，在學習基本理論的同時還應探索新的解決方法；還要強調，軟件的使用雖能節(jié)約時間，但仍然要牢固掌握最重要的基礎知識理論，這樣才能以不變應萬變。

3.解決問題

引導學生自主組成團隊，學生在組內討論，自己尋找解決問題的方法。此環(huán)節(jié)要求學生將探討過程、最終選定的方法、選擇此方案的理由、數(shù)據(jù)處理的過程、最終生成的結果逐條進行記錄，最終安排各小組進行PPT匯報，并由各組互評打分，此過程強調學生的實踐和創(chuàng)新能力。學生自發(fā)選擇興趣相同的隊員組成團隊，避免了一些學生渾水摸魚、不勞而獲的現(xiàn)象。團隊組成的過程可鍛煉學生的表達能力、演講能力，加強學生與學生之間、學生與教師之間的溝通。

（二）案例教學效果

案例教學法提高了地下水科學與工程專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)學生對于水文地球化學課程的興趣。案例分析過程中，學生的課堂表現(xiàn)較為活躍，改變了以往教師“一言堂”授課的沉悶氣氛，師生互動性好。案例教學使學生真正地將所學理論知識運用于實踐，利用專業(yè)知識和原理解釋水文地球化學現(xiàn)象；針對復雜的水文地球化學問題，學生學會分析問題，找準切入點，自主尋求解決方案；學生自主學習文獻檢索方法、數(shù)據(jù)分析處理方法、軟件繪圖方法、數(shù)值模擬方法、復雜工程問題的預測和模擬方法，并能設計出具有一定創(chuàng)新性的解決方案。案例教學也提高了學生對于專業(yè)的興趣和對科研的熱愛。本課程組教師帶領學生組建了學習興趣小組，輔導地下水科學與工程專業(yè)學生在中文核心期刊發(fā)表了兩篇論文[9-10]。分析問題的過程，也拉近了教師與學生之間的距離，學生普遍對課程教學效果感到滿意。

四、結論

水文地球化學課程通過將實際工程與課程知識點相結合，篩選、整理出11套教學案例，將刻板的理論知識融于實踐，提高了學生對理論知識的認知，激發(fā)了學生的學習熱情，同時增強了學生解決本水文地質問題、水文地球化學相關工程問題的能力和科研、創(chuàng)新能力，最終使學生真正快速完成工程項目，將課程理論運到實踐中。

教師在今后的教學中仍需深入探究案例教學方法：針對復雜的基礎理論，要再次篩選、優(yōu)化工程案例，形成高質量的教學案例庫；復盤授課過程，持續(xù)迭代改進存在的問題；根據(jù)學生反饋，查找存在的問題，反思授課方式；新教師要向老教師請教，虛心接受同行督導，逐步完善授課技巧。完善后的案例教學法可推廣至相似課程如地下水環(huán)境質量評價、地下水溶質運移理論等，以進一步提高地下水科學專業(yè)課程授課效果。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 沈照理. 水文地球化學基礎[M]. 北京：地質出版社，1993.

[2］ 錢會，馬致遠. 水文地球化學[M].北京：地質出版社，2005.

[3］ 尚穎娟.“地理信息系統(tǒng)”課程教學與實踐[J].西南師范大學學報（自然科學版），2007（5） ：171-174.

[4］ 高召寧，孟祥瑞.采礦工程專業(yè)實踐教學體系的構建[J].教育觀察（上半月），2016（2）：82－84．

[5］ 冶雪艷，杜新強，辛欣，等.“水文地質學基礎”課程案例教學模式探索[J]. 新課程研究（下旬），2019（7）：48-49.

[6］ 崔芳鵬，仝亞男，崔芳靜.專門水文地質學課程研究型教學實踐[J].科教文匯（上旬刊），2012（4）：54-55.

[7］ 孫建，趙光明.《礦山巖石力學》課程教學中學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式構建[J].課程教育研究，2015（2）：230.

[8］ 孫紅福， 趙峰華. 基于OBE模式的“水文地球化學”特色教學研究[J]. 教育理論與實踐， 2019（18）：54-56.

[9］ 邱淑偉，吳亞敏，柯昱琪，等.基于遍歷搜索算法的水文地質參數(shù)優(yōu)化求解[J].吉林大學學報（地球科學版），2020（6）：1854-1861.

[10］ 邱淑偉，柯昱琪，吳亞敏，等.北京市懷柔區(qū)1960年—2017年降水特征及演變趨勢研究[J].河北地質大學學報，2019（4）：60-65.

［責任編輯：鐘 嵐］