張曉博，劉延鋒，成建梅

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〔武漢〕 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074）

“地下水動(dòng)力學(xué)”是針對(duì)地下水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)和水文與水資源工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)以達(dá)西定律為理論基礎(chǔ)，研究地下水在多空介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科［1-2］。由于“地下水動(dòng)力學(xué)”課本中涉及了大量、復(fù)雜的推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式的過(guò)程，使得一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生在感到晦澀難懂［3］，難以掌握課程的核心內(nèi)容，更無(wú)法將課程理論運(yùn)用于工程實(shí)踐，無(wú)法達(dá)到良好的教學(xué)效果。因此，“地下水動(dòng)力學(xué)”課程的實(shí)踐性決定了其在理論教學(xué)過(guò)程中必須輔以物理模型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更加深入地掌握地下水動(dòng)力學(xué)理論。

裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實(shí)驗(yàn)和抽水試驗(yàn)是“地下水動(dòng)力學(xué)”實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容，也是最為接近實(shí)際地下水工程問(wèn)題的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，它能夠幫助學(xué)生更好地理解地下水向井的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及掌握獲取野外含水層水動(dòng)力參數(shù)的方法。隨著數(shù)字化進(jìn)程的加快，三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)為現(xiàn)代化教學(xué)提供了技術(shù)支持，虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面所呈現(xiàn)出的重要作用受到普遍重視［4-5］，其優(yōu)勢(shì)包括高效、開(kāi)放、真實(shí)和經(jīng)濟(jì)。開(kāi)發(fā)野外含水層抽水試驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件的不足，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，保障教學(xué)質(zhì)量，是新工科建設(shè)的重要一環(huán)。因此，本文以“地下水動(dòng)力學(xué)”抽水試驗(yàn)為例，重點(diǎn)探討了室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式對(duì)現(xiàn)代化教學(xué)的重要意義。

一、單一實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

（一）裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實(shí)驗(yàn)

“地下水動(dòng)力學(xué)”所涉及的地下水向井運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)主要包括室內(nèi)裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實(shí)驗(yàn)和野外非穩(wěn)定抽水試驗(yàn)，由于野外試驗(yàn)場(chǎng)地的限制，很多高校在“地下水動(dòng)力學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中僅安排了裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)裝置主體是一個(gè)圓心角為30°的扇形滲流砂槽［6-7］，該裝置所模擬的是一個(gè)圓島潛水含水層，圓島外側(cè)具有定水頭補(bǔ)給邊界，中心設(shè)置有一口恒定流量的抽水井。利用該實(shí)驗(yàn)裝置，可以讓學(xué)生觀察圓形定水頭邊界潛水井流的水動(dòng)力現(xiàn)象，并利用實(shí)驗(yàn)資料求出含水層的滲透系數(shù)。

該實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便制作，占地面積不大，因此，可用作室內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。其后壁的測(cè)壓管可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同深度點(diǎn)位的水頭值，通過(guò)這些點(diǎn)位的測(cè)壓水頭值可以繪制地下水向井運(yùn)動(dòng)的流網(wǎng)和水頭線，從而讓學(xué)生直觀地了解和掌握地下水向井的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)裝置也存在一定的局限性。首先，該模型為有限含水層，其含水介質(zhì)是粒徑均勻的砂粒，補(bǔ)給水頭和補(bǔ)給半徑恒定的條件過(guò)于理想，與實(shí)際情況相差較大。其次，室內(nèi)物理模型只是簡(jiǎn)化后的理想模型，其僅能實(shí)現(xiàn)裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而無(wú)法滿足無(wú)限含水層中單個(gè)定流量的抽水試驗(yàn)，學(xué)生也很難了解實(shí)際水文地質(zhì)工程中所開(kāi)展的抽水試驗(yàn)及野外含水層的求參方法。

（二）野外非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)是指在抽水鉆孔中僅保持水量穩(wěn)定并使水位不斷改變，或僅保持水位穩(wěn)定使水量不斷改變。非穩(wěn)定抽水試驗(yàn)的目的是用人工控制的方法使鉆孔周?chē)畬又邪l(fā)生地下水的非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，在抽水井附近的不同距離處布設(shè)多個(gè)觀測(cè)井，并利用人工或自動(dòng)監(jiān)測(cè)的手段，記錄觀測(cè)井中水位降深隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)相應(yīng)的抽水試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算值的擬合過(guò)程，即可測(cè)求含水層的導(dǎo)水系數(shù)（T）、滲透系數(shù)（K）和釋水系數(shù)（S）［8-9］。

抽水試驗(yàn)是綜合性教學(xué)內(nèi)容，需要學(xué)生相互協(xié)同配合，開(kāi)展野外抽水試驗(yàn)的前提是建設(shè)一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地，包含一口抽水井和至少一口觀測(cè)井，同時(shí)需要配備汽油發(fā)電機(jī)、深井潛水泵、地下水三參數(shù)探頭、流量計(jì)、水位尺和電腦，相比于室內(nèi)裘布依井流實(shí)驗(yàn)，抽水試驗(yàn)更加注重實(shí)際應(yīng)用，能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)力操作能力及分工合作意識(shí)。除此之外，學(xué)生可以通過(guò)抽水試驗(yàn)接觸與實(shí)際水文地質(zhì)工程相關(guān)的工作，了解地下水監(jiān)測(cè)的手段，達(dá)到產(chǎn)—學(xué)—研相結(jié)合的目的。同時(shí)，抽水試驗(yàn)的工程性質(zhì)決定了其不利于在高校教學(xué)中推廣。首先，野外試驗(yàn)場(chǎng)地的建設(shè)需要做好詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查工作，對(duì)抽水井所揭露的含水層類(lèi)型（承壓含水層、越流含水層、潛水含水層等），以及抽水井（完整井，非完整井）是否完整揭露了整個(gè)含水層等因素進(jìn)行充分調(diào)研。其次，野外場(chǎng)地的征用要與相關(guān)部門(mén)做好協(xié)商。工程施工期間是否對(duì)農(nóng)田及林業(yè)有所破壞，鉆井施工完成后，除了用于教學(xué)外，當(dāng)?shù)鼐用竦氖褂眉般@井的日常維護(hù)工作如何落實(shí)，等等，都需要有詳細(xì)的論證報(bào)告。最后，場(chǎng)地建設(shè)的資金投入需要高校自己解決。因此，很多開(kāi)設(shè)“地下水動(dòng)力學(xué)”課程的高校因場(chǎng)地或經(jīng)費(fèi)的限制沒(méi)有安排野外抽水試驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，這對(duì)實(shí)踐性較強(qiáng)的“地下水動(dòng)力學(xué)”課程來(lái)說(shuō)，無(wú)法達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

（三）野外含水層抽水試驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)

抽水試驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)是基于C/S模式下的抽水試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)B/S模式下的相應(yīng)功能，具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口和圖形可視化功能，利用組件式含水層、自計(jì)水位計(jì)等設(shè)備設(shè)計(jì)多種虛擬抽水試驗(yàn)情景來(lái)還原真實(shí)的野外抽水試驗(yàn)場(chǎng)景，使學(xué)生更加深入地理解水文地質(zhì)條件，掌握抽水試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和利用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取水文地質(zhì)參數(shù)的過(guò)程，為后期地質(zhì)工作提供理論及實(shí)踐技能［10］。

虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能夠與其他學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)室之間加強(qiáng)合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。使用者不但能從實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲取實(shí)驗(yàn)信息，而且能根據(jù)實(shí)驗(yàn)信息的變化修正實(shí)驗(yàn)環(huán)境和性能，更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。隨著三維技術(shù)和三維視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境更加接近實(shí)際，實(shí)驗(yàn)者感覺(jué)更真實(shí)，如同身臨其境，從而提高了實(shí)驗(yàn)效率。然而，虛擬仿真系統(tǒng)并不能完全替代傳統(tǒng)的野外抽水試驗(yàn)教學(xué)，虛擬環(huán)境教學(xué)和現(xiàn)實(shí)環(huán)境教學(xué)之間應(yīng)該相互補(bǔ)充與配合，盡管虛擬仿真平臺(tái)能夠完成不同條件下的抽水試驗(yàn)，但是實(shí)際的野外操作會(huì)讓學(xué)生對(duì)抽水試驗(yàn)有更加深刻的認(rèn)識(shí)。

二、室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)探索

抽水試驗(yàn)分別涉及室內(nèi)裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實(shí)驗(yàn)、野外非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)和野外含水層抽水試驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)，這三種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式分別有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如果只采用其中一種模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，無(wú)法得到理想的效果，學(xué)生對(duì)抽水試驗(yàn)的認(rèn)知也會(huì)存在欠缺。因此，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）針對(duì)“地下水動(dòng)力學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，探索抽水試驗(yàn)的室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式。

（一）野外試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)

野外試驗(yàn)場(chǎng)是以教學(xué)為目的的試驗(yàn)場(chǎng)地，旨在加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和動(dòng)手能力等。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）的地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作一直處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院于2019年7—8月搬遷至未來(lái)城校區(qū)，針對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如裘布依型穩(wěn)定流井流實(shí)驗(yàn)儀等進(jìn)行了全面的更新升級(jí)，實(shí)驗(yàn)室面積118 m2，能夠滿足每年10個(gè)班的本科生室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。然而，隨著學(xué)科內(nèi)容的發(fā)展、各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推廣及專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)需求的日益完善，當(dāng)前的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一，已無(wú)法滿足實(shí)際的教學(xué)需求。未來(lái)城校區(qū)目前沒(méi)有地下水鉆井可供實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用，課程實(shí)驗(yàn)大綱也沒(méi)有設(shè)置非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。為了使學(xué)生更好地掌握“地下水動(dòng)力學(xué)”課程，開(kāi)展野外抽水試驗(yàn)必不可少，因此，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）于2021年12月委托鉆井施工單位在未來(lái)城校區(qū)南門(mén)附近鉆探監(jiān)測(cè)井，鉆井位于二疊系灰?guī)r含水層上。鉆井項(xiàng)目于2022年1月完成施工，包含1個(gè)主井（深度75米）和2個(gè)觀測(cè)井（深度50米），水位埋深在30米左右，水量中等。通過(guò)開(kāi)展的多次單孔和多孔抽水試驗(yàn)，認(rèn)為場(chǎng)地滿足開(kāi)展野外各類(lèi)抽水和示蹤試驗(yàn)教學(xué)的需要。野外試驗(yàn)場(chǎng)地的成功建設(shè)能夠增加系列開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，為學(xué)生提供更多的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，促進(jìn)“地下水動(dòng)力學(xué)”國(guó)家一流課程建設(shè)。

（二）抽水試驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)

在水文地質(zhì)領(lǐng)域中，抽水試驗(yàn)被廣泛用于獲取野外含水層的水動(dòng)力參數(shù)、評(píng)估含水層的富水性、基坑或礦坑的涌水量等。由于經(jīng)費(fèi)有限，課程學(xué)時(shí)有限，不論是現(xiàn)有的室內(nèi)抽水試驗(yàn)裝置，還是野外抽水試驗(yàn)裝置，往往比較單一。例如，單層單井承壓含水層只有一套裝置，不利于分組學(xué)習(xí)。

“地下水動(dòng)力學(xué)”抽水試驗(yàn)的類(lèi)型比較多（多層、多孔等），學(xué)習(xí)該課程的人數(shù)也較多。受試驗(yàn)場(chǎng)地的條件限制，復(fù)雜的抽水試驗(yàn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容只能由教師描述性地介紹，難以滿足學(xué)生體驗(yàn)從基本的實(shí)驗(yàn)技能到深入探索實(shí)驗(yàn)，再到研究性實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的需求，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，因此急需將先進(jìn)的抽水試驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)引入教學(xué)。

野外含水層抽水試驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)針對(duì)實(shí)際勘查工作中水文地質(zhì)條件多樣性與試驗(yàn)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件單一的矛盾，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)和虛擬仿真開(kāi)展不同場(chǎng)景的抽水試驗(yàn)，設(shè)置先易后難、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜的試驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)抽水試驗(yàn)原理的理解和運(yùn)用，增強(qiáng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力。教師在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景中設(shè)置地層、水文地質(zhì)參數(shù)和水頭邊界，給學(xué)生設(shè)置試驗(yàn)考試內(nèi)容，學(xué)生自己通過(guò)編寫(xiě)抽水試驗(yàn)方案，觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用所測(cè)數(shù)據(jù)給出計(jì)算方法和水文地質(zhì)參數(shù)，編寫(xiě)出完整的試驗(yàn)報(bào)告。

三、室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

單一的教學(xué)模式往往無(wú)法達(dá)到理想的教學(xué)效果，室內(nèi)抽水試驗(yàn)只能滿足裘布依型潛水穩(wěn)定流井流實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，并且實(shí)驗(yàn)條件固定，無(wú)法進(jìn)行多小組差異化分析。野外非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)由于實(shí)際地質(zhì)條件復(fù)雜，含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不明確，地下水受實(shí)際影響因素很多，抽水試驗(yàn)結(jié)果往往不能統(tǒng)一，因此，野外抽水試驗(yàn)更偏向于實(shí)際應(yīng)用。

虛擬仿真系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，雖然其功能多樣，但不能替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此需要建立針對(duì)“地下水動(dòng)力學(xué)”抽水試驗(yàn)的室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式，該模式有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）完善“地下水動(dòng)力學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。目前，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）已有的實(shí)驗(yàn)課程均在室內(nèi)開(kāi)展，室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式的建立能夠使課程內(nèi)容更加豐富，為課程建設(shè)增加特色教學(xué)形式，保持中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）“地下水動(dòng)力學(xué)”課程在全國(guó)的領(lǐng)先地位。（2）增強(qiáng)課程的實(shí)踐性。在混合教學(xué)模式下，學(xué)生能夠體驗(yàn)不同形式的抽水試驗(yàn)，既能夠?qū)W習(xí)理想條件下的地下水向井運(yùn)動(dòng)規(guī)律，又能了解實(shí)際水文地質(zhì)工程中的抽水試驗(yàn)求參過(guò)程，還能在虛擬仿真平臺(tái)上學(xué)習(xí)多種復(fù)雜情況的抽水試驗(yàn)。（3）實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和現(xiàn)代化教學(xué)的統(tǒng)一。傳統(tǒng)的室內(nèi)抽水試驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論的必要條件，實(shí)踐教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，而現(xiàn)代化教學(xué)則能通過(guò)信息技術(shù)手段使學(xué)生直觀、深入地學(xué)習(xí)抽水試驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

抽水試驗(yàn)是“地下水動(dòng)力學(xué)”課程的重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一，單一的教學(xué)模式無(wú)法滿足日益提高的教學(xué)要求，本文對(duì)野外含水層抽水試驗(yàn)的室內(nèi)—野外—虛擬仿真混合教學(xué)模式的探索具有前瞻性，該教學(xué)模式能夠充分發(fā)揮專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)新時(shí)代、新工科背景下的水文地質(zhì)工作者，為社會(huì)輸送高質(zhì)量的人才，同時(shí)，該模式的建立可供其他高校相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程借鑒。