强化实践能力的环境水文地质学教学模式探索

摘    要：环境水文地质学是环境工程专业重要的专业基础课，但目前课程教学面临着理论与实践结合程度不足、时效性落后和水文分析软件使用率低等问题。针对上述问题，探索环境水文地质学的新教学模式。首先基于成果导向教育，构建以工程设计规范化工作流程为逻辑内核的授课体系，并制定相应的学生能力目标达成度评价体系。之后依据新时代环境水文地质学的研究重点和最新政策法规，丰富和更新教学内容。最后强化训练学生使用水文分析软件解决工程实践问题的能力。通过教学模式改革，更好地服务于环境工程专业培养高素质应用复合型人才的需求，提高学生的工程实践能力和就业竞争力。

关键词:成果导向教育;工程实践能力;课程时效性;水文分析软件;达成度评价;

Abstract：Environmental Hydrogeology is a fundamental course for environmental engineering undergraduates, but some problems exist in the current teaching mode, including the irrelevance between theory and practice, the lack of timeliness, and the low utilization rate of hydrogeology-related software. In order to solve this problem, a new teaching mode of environmental hydrogeology was explored. Firstly, a new teaching system based on a standard workflow of engineering design and a new scoring system for evaluating the working ability of students were designed according to the principles of outcomes-based education. Secondly, the contents of courses were enriched according to recent development of environmental hydrogeology and the update of regulations and policies. At last, the ability of students to use hydrogeology-related software was practiced.Applied interdisciplinary talents were trained for the environmental engineering major, and the engineering practice ability as well as the employment competitiveness of students were increased through the novel teaching mode of environmental hydrogeology.

Keyword：outcomes-based education; engineering practice ability; course timeliness; hydrological analysis software; achievement evaluation;

环境水文地质学是研究自然环境中水与地质条件及人类活动的相互关系及作用结果，并据此对水资源与水环境进行保护、控制和改造的学科[1]。环境水文地质学为环境工程的规划、设计、施工和管理提供重要的基础数据和分析成果。精确合理的水文地质条件分析和预测，为水资源开发利用和地质生态环境保护提供重要保障。例如，饮用水源地和取水口的选择、洪水防御工事的建设、城市雨污排泄管网的设计和施工、污水厂构筑物的高程布置、污染水体的溯源和治理、水库库容的计算、土壤和地下水污染的修复、固体废弃物处理过程中的地下水污染防控工程，以及大气污染的环境沉降研究等，都需要应用环境水文地质学的理论知识和分析方法。因此，环境水文地质学是一门综合性很强的学科，该门课程知识面广、理论性强、实用性高。

进入21世纪以来，人类的工业生产持续破坏全球地表植被并加剧温室效应，导致全球洪涝灾害及次生地质灾害频繁出现。以我国为例，2020年全国16个省区198条河流发生超警以上洪水；重庆綦江上游干流及四川大渡河支流小金川甚至发生了超历史洪水。防洪排涝规划是保障经济可持续性发展和人民生命财产安全的重要工程技术手段，也是全球环境工程领域的研究热点[2]。而利用环境水文地质学知识进行洪水的合理预测，是防洪排涝规划的基石。因此，环境水文地质学在环境工程中的重要性日益凸显。

环境水文地质学课程是教育部高等学校环境科学与工程类专业教学指导委员会推荐的专业基础课程，也是环境工程专业多门核心课程的重要先修课。目前大多数高校的环境工程专业，直接使用水文地质专业编制的教材，教材的理论性较强，与环境工程专业的工程实践联系不够紧密。学生普遍反映课程难学，而在实际工作中需要应用水文地质学知识解决问题时却找不到切入点。也有少数高校使用专门的环境水文地质学教材，但近年来环保法规日趋严格，气候条件也在不断变化，而教材的更新有一定的滞后性，授课过程中讲授的某些公式和方法，学生就业后发现已经不再适用于最新的工程要求。因此，环境水文地质学课程的教学模式，不仅要兼顾理论深度和工程实践能力，还要与时俱进，依据环保领域的新理念和新形势及时进行调整，从而更好地服务于环境工程专业培养高素质应用复合型人才的需求。

一、现有的环境水文地质学教学模式存在的几点问题

作为一门对学生的综合能力要求很高的课程，目前的环境水文地质学教学模式还有如下几个方面有待改进。

（一）理论与实践结合程度不足

在我国积极推行工程教育专业认证的大趋势下，环境工程专业的学生培养目标更关注学生毕业后能够达到的职业成就及可持续发展潜力。目前环境工程专业的水文地质学课程教学模式以理论知识讲解为主，以习题作为知识点的主要载体，直接给出设计资料让学生进行理论计算。很多学生习题解答得非常顺利，但由于教材中没有具体的工程案例和工作方法，学生在工作中无法将习题直接套用于实际工程。例如，学生可以熟练利用频率分析计算出洪水流量，但却不清楚在防洪排涝规划的哪个具体步骤中使用这一洪水流量。再如，目前全世界防洪排涝规划的目标区域已经从大中型城市逐步转变为中小型城市和乡镇。在针对小城镇进行洪峰流量设计时，通常并不像大中城市一样有多年实测资料，实际工作中通常是查询流域内相关等值曲线，再结合地区公式进行设计计算。课堂讲授的依据20至30年实测资料进行频率计算的设计方法并不适用，导致学生毕业后在实际工作中不能熟练调取资料，也不清楚依据等值曲线估算经验参数时的取值原则，有时也会出现地区公式调用不恰当的现象。因此，应当在教学过程中补充适用于多种水文地质条件的多元化、实用性工程设计工作方法。

（二）教学内容的时效性落后

环境水文地质学的知识体系，应当随着气候条件、经济水平和行业规范的变化而不断更新，但现有的环境水文学教材和教学模式时效性明显不足。例如，随着极端降水事件的频发，许多城市都开展了暴雨强度公式修编工作。对于已经积累了足够长年限雨量资料的城市，新修编的暴雨强度公式中选样方法会采取“年最大值法”，而非教材中推荐的“年多个样法”，雨量资料的年限数目也比现有教材中的规定值更大。再如，随着南水北调工程的实施，北方许多城市的饮用水源从地下水转换为地表水，环境水文地质学的研究重点也从充分开发地下水资源保障生产生活需求，转变为生态水文涵养、地下水污染防控及地面塌陷和海水倒灌治理等方向。又如，海绵城市作为城市应对极端环境条件的有力工具，是近年来城市建设和开发的工作重点。其目的是通过完善水生态基础设施，将城市构建为具有吸水、蓄水、净水和释水功能的海绵体[3]。海绵城市的大部分工作任务是由环境工程专业的毕业生来完成的，规划和建设过程中需要频繁地应用水文地质学知识。然而目前环境工程专业的水文地质学教学内容并未涉及海绵城市，学生不了解所学的水文学知识与海绵城市的结合点，在毕业后无法更好地服务于城市建设和改造的各项工作。

（三）教学过程中水文分析软件使用率很低

水文频率计算是洪水、平水和枯水预报的基础，也是环境水文地质学的核心知识之一。但目前教材编写和课堂讲授过程中，普遍采用传统的坐标纸绘制法完成上述内容。随着分析绘图软件的普及，实际工程实践中，普遍采用Excel+Origin软件相结合的方式，进行水文频率曲线的计算、绘制和拟合。课堂上没有接触过上述软件的学生，在今后的工作中会出现效率低、“上手”慢的问题。另外，随着环保工程关注的时空尺度日趋扩大，在分析解决整个城市甚至整个流域的问题时，需要使用专门的降水和径流模拟软件，针对目标区域内的水文、水力和水质情况进行高精度的模拟，在此基础上提出系统化的方案[4]。而目前各高校的环境水文地质学课堂上很少涉及上述软件。

二、环境水文地质学教学模式新探索

针对环境水文地质学现有教学模式存在的问题，笔者在2017年至2021年期间，以山东大学环境工程专业的大二学生为授课对象，针对环境水文地质学的教学模式进行了以下3个方面的探索和革新，并取得了较好的教学效果。

（一）构建基于成果导向教育的教学体系和评价方式

成果导向教育（Outcomes-based Education,OBE）是工程教育专业认证的核心理念[5]。以学生毕业时和工作中应达到的能力为指标，反馈指导授课内容。因此，在环境水文地质学的教学过程中，依据学生学习本门课程后应当达成的工程实践能力设置教学目标，依据能力目标设置课程考核的评分体系。授课过程中，从环境工程专业学生在工程实践中承担的具体任务出发，首先讲授不同任务的工作流程和步骤，再深入讲授具体工作步骤中涉及的水文学理论和统计方法。最后通过布置工程设计任务加深学生对于水文学理论的理解，并对学生的学习效果进行检验，依据学生的设计方案体现出的工作能力进行评分，据此计算学生每个能力目标的达成度。根据学生能力目标的达成情况，为每个学生提出针对性建议，提高学生的学习效果。

以小流域暴雨洪峰流量计算的讲授为例，具体的授课模式如图1所示。授课过程中强化“资料整理和检索—查阅国家/地方性标准和法规—参照相关行业的设计手册—经验参数查询—水文频率计算—设计结果校核—应用于具体工程措施”的规范化工作流程。授课过程中还要使学生明确通过水文计算获得的理论数值，到底应用于工程设计的哪个具体阶段。教学过程中给学生布置了一个依据山区城镇洪峰流量进行河道拓宽防洪排涝的工程案例，针对学生的设计完成情况，分析学生能力目标的达成度。由图2可知，资料分析能力达成度较低的学生，相应的水文计算能力达成度也较低。这是因为水文资料整理的详尽性直接决定了水文频率计算样本组成的合理性。该班学生资料分析能力、水文计算能力、方案设计能力和软件使用能力达成度的平均值分别为85.7%、87.7%、89.8%和84.3%。总体来讲，学生的软件使用能力达成度最低，提示在后续授课过程中要进一步强化训练学生的软件使用能力。

图1 基于成果导向教育的教学体系举例

图2 学生能力目标达成度分析举例

此外，在授课过程中，还要帮助学生掌握环境水文地质学应用于工程实践时，了解哪些工作原则是不可变、必须遵守的，哪些工作方法是可以灵活调整的。仍以暴雨强度公式修编为例，实测暴雨样本数量必须高于规定值（通常为40），即样本容量不能缩减这是不可变原则。具有暴雨实测值的年份数目达到或超过40时，可以每年只选择1个降雨量最大值，构成样本系列进行水文频率计算；具有暴雨实测值的年份数目小于40时，可以如教材所述，选择具有代表性的n年，每年选择6～8场暴雨的降水量数值，由（6～8）×n>40个数据构成样本系列进行水文频率计算。通过上述教学模式的改革，提升学生因地制宜灵活分析解决实际工程问题的能力。

（二）与时俱进调整授课重心和丰富教学内容

传统水文地质学针对地下水的研究重点是水井周围含水层的开发及应用，其目的在于最大限度保障工农业生产的需求；而新时代水文地质学针对地下水的研究重点转换为地质生态灾害的预防和地质稳定性保护[6]。另外，新时代水文地质学的根本研究目标，已经从最初的局部性问题，逐渐拓展为全局性问题[7]。因此，环境水文地质学的授课侧重点也需要进行相关调整。例如，开展水井抽水试验的主要目的，已经从研究井的出水量转变为测定水文地质参数（如渗透系数等），研究结果可以用于指导地下水污染的修复。再如，在研究地表水和地下水时，要着重分析包括水圈、大气圈、岩石圈和生物圈在内的多圈层之间的相互作用，研究结果用于指导水资源综合规划和环境生态系统保护。再如，环境水文地质学不再局限于关注水量的时空变化，还要关注水质的净化。这些都需要在教学过程中及时调整和丰富授课内容。

随着环保政策法规的修订和新增，水文统计的计算公式、经验参数取值原则等内容也在随时调整。无论是采用传统的水文地质专业教材还是专门的环境水文地质学教材进行授课，依据新政策法规的出台而开展的教材修订和出版工作都需要一定的时间。因此，在水文地质学的教材讲授过程中不可避免会有一些陈旧知识点。例如，最新的GB 50014—2021《室外排水设计标准》已经将雨水管渠流量计算公式进行了修订，修订后的雨水管渠设计流量增大，对城市排水的保障率更高。但目前各高校普遍使用的教材中仍沿用修订前设计流量值偏小的版本。再如，随着国民经济的发展，环境工程的设计和施工过程，已经修正了过往主要关注成本控制的设计理念，转为侧重于保障工程效果。这直接导致在应用环境水文地质学理论指导工程实践时，设计参数的取值原则发生变化。比如，暴雨的设计重现期的取值规定已经普遍提升。因此，需要在授课过程中及时调整和更新陈旧知识点，给学生讲授相关修订的原则和意义，督促学生形成查询设计规范的工作习惯。

最后，针对海绵城市这一与环境水文地质学联系非常紧密的新兴工程热点，在教学过程中设置专题讲座。海绵城市的核心工作是对城市的低影响开发，以期实现城市像海绵一样对环境变化与自然灾害具有“弹性适应”能力。海绵城市的主要工作内容包括：最大限度保护原有河湖水系和生态体系；维持城市开发前的自然水文特征；修复被破坏的水生态系统；通过防洪排涝的规划和雨污排放系统的构建，减轻暴雨径流对城市运行的影响[8]。教学过程中通过专题讲座，帮助学生了解用于评价海绵城市建设效果的水文学指标；掌握城市生态斑块识别与生态廊道构建的基本原则；熟练应用水文地质学知识进行城市水系（包括供水、节水、污水、回用水、雨水和河道）综合规划。

（三）强化训练学生的软件使用能力

为提升学生的软件使用能力，通过课堂训练、课后作业和案例实操，训练学生熟练使用Excel软件进行水文地质资料的整理、排序和计算，和使用Origin软件进行水文频率曲线的绘制和拟合。基于开源的暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model,SWMM），训练学生进行简单流域水文模拟。通过案例讲授，帮助学生掌握利用MATLAB和SPSS软件开展水文学资料相关性分析、水库库容模拟和径流预测的工作方法。通过提升学生对水文地质分析相关软件的理论水平和操作技能，全面提高学生直面工程实践的工作能力，提升学生在就业过程中的核心竞争力。

三、结束语

鉴于目前高校环境水文地质学课程教学过程中普遍存在的共性问题，以提高学生的工程实践能力为主要教学目标，对教学模式开展研究和探索，为高校环境水文地质学的教学提供可借鉴的经验。以工程案例为知识载体，调整教学和评价体系、提高课程的时效性，提升学生对工程软件的使用能力，帮助学生开阔视野，充分调动学生学习积极性，培养学生理论与实践相结合的综合专业能力。针对从事环保工程实践工作的2021级毕业生开展的回访表明，该门课程的新教学模式有助于学生开阔视野，梳理实践工作思路，更好地建立起理论知识与实际环保工程之间的联系，提升了学生的专业素养和工作能力。

参考文献

[1] 尹志刚.环境水文地质学的学习方法探究[J].黑龙江科学，2018,9(15):126-127.

[2] 付健，高小涛，乔明叶.极端天气灾害下城市防洪排涝整体解决方案探讨———以郑州市为例[J].中国水利，2022(5):39-42.

[3] 王秀英，白音包力皋，崔巍，等.基于生态海绵流域的防洪排涝体系研究———以深圳市坪山河流域为例[J].中国水利，2020(22):34-37.

[4] 李璟冉，周毅，李哲，等.基于SWMM的管道淤积对排水能力影响的模拟分析[J].中国给水排水，2022,38(3):118-125.

[5] 李志义，王泽武.成果导向的课程教学设计[J].高教发展与评估，2021,37(3):91-98.

[6] 任法衡.当代水文地质学发展趋势与对策浅析[J].西部资源，2018(1):81-82.

[7] 张人权，梁杏，靳孟贵，等.当代水文地质学发展趋势与对策[J].2005(1):51-56.

[8] 张亮，汤钟，李亚，等.深圳市《海绵城市设计图集》的编制及思考[J]中国给水排水，2021,37(10):16-22.