“地下水动力学”线上线下混合式教学改革与实践

曾献奎，祝晓彬，吴吉春

（南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023）

引言

地下水动力学是研究地下水在含水介质中的运动规律的科学，其宗旨在于定量刻画水流和污染物在含水介质中的运动状态与过程，从而为地下水资源的开发利用及生态环境保护提供理论基础。地下水动力学的相关理论已广泛应用于国民经济和社会发展的多个方面，如居民生活和工农业生产的用水问题、地下工程的安全生产问题、场地土壤地下水污染修复问题、生态环境保护等，其成为保障社会经济高质量发展，以及生态文明建设理论体系中不可或缺的一环［1］。

“地下水动力学”是地下水科学与工程、水文与水资源工程、水利工程等专业的核心课程［2-3］。由于课程内容比较多，并且涉及众多的公式推导，因此课时量比较多，一般每学年36课时以上，南京大学的“地下水动力学”课程教学每学年高达90课时。同时，教学内容涉及若干专业的前沿科学问题，如非饱和带地下水运动、岩溶裂隙介质地下水运动、地下水数值模拟等，专业前沿动态和本科教学的有机结合是该课程的教学特点之一。

南京大学“地下水动力学”课程历史悠久，2005年成为南京大学的精品课程，2009年成为江苏省精品课程，2010年成为国家精品课程，2018年被认定为南京大学“百层次”优质课程，2020年被认定为首批国家级一流本科课程（线下）［4］。随着教学技术的快速发展，特别是新冠肺炎疫情暴发以来，对本科课程教学提出了更高的要求，线上线下混合式教学成为主流教学模式［5］。

笔者长期担任南京大学“地下水动力学”课程的教学工作，基于多年来的教学探索与实践，并结合近年来采取的线上线下混合式教学活动的实践经验，拟针对“地下水动力学”线上线下混合式教学改革与实践进行初步探讨。

一、地下水动力学传统线下教学的不足

针对“地下水动力学”课程的特点，以及新形势下的教学要求，传统线下教学存在以下不足。

（一）难以满足多元化的综合测评需求

优化课程测评方式是当前教学改革的重要举措之一，多元化综合测评是目前课程测评的主要方式。常规的综合测评思路是要淡化期末考试成绩，重视学生平时的学习效果，如期中测试、课后作业的完成情况等。课堂教学通常包含若干个知识点，掌握学生对知识点的学习效果能够及时反馈本次教学效果，并且可以随堂做出针对性的调整。基于线上移动平台，采用随堂小测或课间小测能够实现对教学效果的反馈。传统的线下教学方式，难以掌握全体学生的学习效果并进行统计分析，特别是在课堂学生数量较多时，需要占有大量的课堂时间进行统计分析，缺乏可行性。

（二）学生难以理解复杂抽象的动力学过程

“地下水动力学”课程的核心教学内容是通过数学模型描述地下水流和污染物的运移过程。教学过程涉及众多类型的数学模型，如不同类型的含水层、不同类型的抽水井等，且多为高阶的偏微分方程。这些数学模型的解通常具有复杂、非线性的表达形式，学生难以直接观察到这些数学模型及其解的性质与特征，这是教学的难点。因此，在传统教学模式下，学生难以将这些数学模型与实际条件下的地下水运移过程对应起来进行理解。同时，采用多媒体技术可以展示数学模型及其解的部分特点，但这种教学方法具有单向性和片面性，难以互动，并且可展示的信息有限。由于无法互动反馈，只能被动接受，学生难以直观、深刻地理解复杂数学模型背后蕴含的地下水运动机理，不利于学习思维的拓展。

（三）难以充分利用多元化的教学资源

随着笔记本电脑、智能手机等电子产品的迅速普及，以及高速光纤、5G通信等技术的快速发展，慕课、微课、开放网络视频等互联网资源具有了信息多样、获取便捷、操作简单等特点，已经成为传统教学方式的重要补充。同时，随着学科发展的日新月异，教师或教学团队无法全面掌握与课程内容相关的前沿动态。特别是对于“地下水动力学”课程，教学内容涉及的知识点大多为当前研究热点，如非达西流理论、反常溶质运移理论、非饱和地下水运动等。因此，选用国内外学术同行的慕课，或高质量教学、科普视频，或最新的科学研究成果，可以作为本教学团队教学资源的有效补充，并且能够开阔学生的专业视野和学习思路。

（四）难以应对新冠肺炎疫情防控要求下的授课要求

随着新冠肺炎疫情在全球的暴发，疫情防控已成为现阶段社会各级单位的重要任务。高校作为学生的聚集场所，生源通常来自全国各地，对新冠肺炎疫情防控有着更为严格的要求。在新学期的开始阶段（多达数周至数月），通常采用线上教学方式，返校后期采用线下教学方式。采用录播或直播等方式简单地将线下教学模式搬到线上，脱离线下的教学环境，很难持续吸引学生的注意力。同时，在线上环境下，教师难以直接观察到学生的学习状态，互动效果不佳，容易导致教学效果不佳。

二、“地下水动力学”线上线下混合教学模式建设

线上线下混合式教学最早由Cooney等人于2000年提出［6］，至今，已广泛应用于全球范围内不同阶段、不同行业的教育实践中。据调查［7］，71%的美国教师在教学中使用线上线下混合式教学手段。线上线下混合式教学已经成为高等教育重要的教学手段及未来的发展趋势［8］。

针对“地下水动力学”课程内容的特点及授课对象，结合已有的教学资源，本教学团队的“地下水动力学”线上线下混合教学模式建设可分为以下几个部分。

（一）基于在线教学移动平台的互馈式课堂教学

采用在线教学移动平台“教学立方”，掌握学生在课前、课中、课后的学习效果。（1）在课前发布与教学内容相关的学习资料（PPT、视频等），并督促学生进行课前预习，并通过平台监测学生的学习情况，如点击次数、观看时间等。（2）在平台预先设计与教学重点和难点相关的测试题目，在教学过程中择机进行课堂小测并设置测试时间（通常为1～2分钟），随后统计学生的测试成绩，以了解学生对重要知识点的理解和掌握情况。根据测试统计结果进行针对性讲解。（3）课堂教学结束后，在平台发布课后作业并设置提交时间（通常为1～3天），以拓展教学内容并巩固教学成果，并根据作业的完成情况进行针对性讲解。同时，利用微信群、QQ群等即时通信工具，与学生交流讨论学习过程中的各种问题，确保不留疑点。

（二）基于虚拟仿真实验教学平台的主动式探索学习

采用本教学团队研发的2018年度国家虚拟仿真实验教学项目“地下水中污染物运移过程虚拟仿真实验教学”，以及2021年度江苏省高等学校虚拟仿真实验教学项目“地下水污染修复的多目标优化设计虚拟仿真实验”，引导学生主动探索学习。虚拟仿真实验教学平台针对实际复杂条件下的地下水污染物运移过程模拟、关键影响因素识别及修复方案设计等内容，通过交互式操作引导学生进行探索学习。这些教学内容属于“地下水动力学”课程的教学重点和难点，通常需要较多的课时来学习，采用传统的教学方式效率不高。

进入“地下水中污染物运移过程虚拟仿真实验”教学平台后，首先了解研究背景、基本水文地质条件等信息。其次操作建立地下水流模型系统，包括边界条件、参数、源汇项、模拟时间等；操作建立污染物运移模型系统，包括边界条件、泄漏量、污染物浓度、参数、模拟时间等；运行建立的模型系统，观察得到的结果，包括地下水流场、污染物浓度场分布等。最后通过改变模型的设置条件，观察条件（模型参数）变化对模拟结果的影响，从而认知地下水污染物运移过程的关键影响因素。完成习题后，提交实验报告，分析实验结果。

该教学平台的主动式探索学习特点体现在以下几方面：（1）根据课程前期的地下水动力学理论基础，逐步进行地下水流模型和污染物运移模型的构建；（2）根据对水文地质参数和模型边界条件的理解，自行进行模型参数的取值设置；（3）通过设置不同的参数取值，分析模拟结果（地下水位、污染物浓度）的变化，识别污染物运移过程的关键影响因素；（4）通过整理实验操作过程和分析实验结果，撰写实验报告，提升对地下水污染物运移动力学过程的理解。

（三）多元化教学资源的有机结合

中国大学MOOC（慕课）、国家精品课程等在线课程资源丰富多样，获取方式简单快捷。针对一些教学难点，充分利用国内外精品教学资源，不仅能开阔学生的视野，还可以丰富教学方式，激发学生的学习兴趣。

积极拓展线下教学资源，将课堂搬到室外。地下水动力学的研究对象是自然界的现象，传统课程教学缺乏对自然现象的直观观察。基于野外专业实习基地、校内监测台站等，通过实践操作环节提高学生对自然现象的认识，加强专业理解。

针对一些难以直观理解的复杂公式或复杂的参数、变量变化规律，利用专业领域内的先进技术，通过案例模拟的方式进行讲授和演示。例如，承压含水层完整井非稳定地下水运动中，水头下降速度随时间呈先增大后减小的规律，过程中存在一个临界点（拐点）。若根据拐点理论公式，则难以直观理解该过程，存在一定的学习难点问题。通过设计简单案例进行仿真模拟，通过模拟结果直接显示图形。模拟结果直观地显示了拐点的概念，容易被学生理解。

（四）全过程多元化的综合测评方式

通过“教学立方”平台统计课前预习记录、课堂小测完成记录和课后作业完成记录，并结合平时的考勤记录、期中考试成绩及期末考试成绩，分别给这些记录设置一定的权重，实现在课程教学全过程中多方位、多元化的综合测评。综合测评分数（S）由三部分组成，分别为平时测评分数（S1）、期中测评分数（S2）、期末测评分数（S3），S为这三部分的加权和，S、S1、S2、S3均为百分制。

平时测评分数S1由四部分组成，分别为考勤分数（S11）、课前预习综合测评分数（S12）、课堂小测综合测评分数（S13）及课后作业综合测评分数（S14），S1为这四部分的加权和，S11～S14均为百分制。S12表示课前预习所有知识点完成情况的平均值，S13表示课堂小测所有知识点完成情况的平均值，S14表示课后作业所有知识点完成情况的平均值。

需要说明的是，在进行综合测评分数（S）计算过程中所涉及的所有权重，均可根据实际情况进行调整。

结语

随着信息技术的迅速发展，以及在社会的新形势下，线上线下混合式教学成为高等学校教学改革的方向。针对传统教学方式的不足，通过线上教学移动平台实现了互馈式课堂教学，基于虚拟仿真实验教学平台引导学生进行了主动探索学习，同时有机整合多元化的线上线下资源进行针对性的拓展教学，采用全过程多元化的综合测评方式评价了学生的学习效果。基于这些探索举措，克服并接受新形势下的教学困难和挑战，紧抓“地下水动力学”课程的教学重点，化解教学难点，引导学生主动探索，开阔专业视野，实现教学全过程全方位的成效评估、互馈和提升。