构建高效高质地下水水质分析实验教学模式

    刘  琦^1,2，陈永贵^1,2，杨  阳^1,2   

（1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系,上海,200092；

      2.岩土及地下工程教育部重点实验室(同济大学),上海,200092）

[摘  要]：针对培养面向未来行业发展及社会需求的地质人才需求，将PBL教学模式应用于地下水水质分析实验教学中，针对原有实验教学中存在的教学内容缺乏系统性，与课时设置不匹配，以及教学方法存在弊端等问题，通过优化实验方案和教学评价方式，并植入思政教育理念，以解决实际问题为导向开展实验，实现2-3人组最佳实验组合，采用小组讨论、口头汇报及探究性问题导向、线上线下联合教学等方式，充分调动了学生做实验的积极性和主动性，激发学生积极思考的创新意识，引导学生树立崇尚自然、尊重自然的理念，切实增强学生投身生态文明建设的责任感、使命感。

[关键词]：PBL；地下水水质分析实验；水文地质学；教学改革

[基金项目]：2020年上海市教育委员会本科重点课程“工程地下水”；2020年同济大学第十五期实验教学改革项目“地下水中离子测定实验教学手段改革的研究与实践”。

[作者简介]：刘琦（1980-），女，内蒙古包头人，博士，同济大学土木工程学院地下建筑与工程系副研究员，主要从事水文地质工程地质方面的教学和研究；陈永贵（1976-），男，安徽安庆，博士，同济大学土木工程学院，教授，主要从事水文地质工程地质的教学与研究工作；杨阳（1988-），女，陕西西安，博士，同济大学土木工程学院，副研究员，主要从事水文地质工程地质方面的教学和研究。

[中图分类号]：G64；P5    [文献标识码]： A   [收稿日期]2022-01-05

地下水水质分析是应用化学或其他检测技术，测定地下水中各组分含量的方法，它对于解决各种水文地质理论和实际问题如工程勘察、建筑材料防腐、地下水资源管理与评价、地下水污染防治等方面都具有重要的地位^[1-2]。地下水水质分析实验是地质工程、地下水科学与工程、水文与水资源工程等专业的主干专业基础实验课程。通过该课程实验的学习，使学生能够按照仪器和设备的使用流程进行规范操作，并对地下水水质指标进行综合分析，运用水文地质专业理论知识解决工程实际问题，培养工程实践能力。

针对现有实验教学中存在的问题，从教学模式和手段、教学设备和内容、教学方法等方面进行优化，采用问题驱动式教学（PBL教学法） ^[3-5]，使学生在有限的学时内通过自己动手并自我规划实验步骤，讨论和汇报完成整个水质分析全过程评价，引导学生树立崇尚自然、尊重自然的理念，切实增强学生投身生态文明建设的责任感、使命感。

一、 教学实验中存在的突出问题

一是教学内容不连贯，缺乏系统性。以往的地下水水质分析实验教学是单纯对地下水中的离子进行测试和记录，侧重单个水质指标分析技术的介绍，实验内容多为验证性实验。实验课程中各项目之间的联系不够紧密，缺乏整体性与系统性，学生对地下水水质和污染的了解仅仅局限于单个部分，没有将现场水文地质条件与水文地球化学系统综合分析和评价，无法系统地理解地下水系统，对地下水水质分析的全过程质量保证体系难以深入认识和全面了解，而且存在部分实验环节与普通化学实验有重叠现象。导致了学生在实验过程中主动参与的积极性不高，实验时同学们依葫芦画瓢，无需动脑思考问题，不利于培养学生的思维能力和对水质分析全过程综合性、整体性内涵的理解和应用。

二是实验内容较多，与课时设置不匹配。根据国家标准《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017），地下水物理性质及其中的pH值、矿化度、总硬度、总溶解固体TDS值、COD、氨氮、总磷、总氮等都是必须评价的重要水质指标，需要学生在有限的2-3个课时内完成多个必测指标并根据测试结果初步对地下水进行水质评价和分类，而单人单项指标的测试都需要40-60分钟不等，每组学生需要完成6-8项测试指标，这对于实验课程设计、教学方案优化、学生分工及设备调配等环节具有较高的挑战性。

三是教学手段与方法弊端。地下水水质分析课程是围绕水质指标的测定而展开的，水样的采集、保存、测定方法、结果分析等全过程都要求学生掌握。地下水水样采集不同于地表水那么直观，需要借助钻井、水泵等大型设备获取，而且水质分析化学讲解内容涉及大量的化学公式、图表及仪器的构造图，使用板书很难直观、快速地为学生演示化学变化过程及介绍不同仪器的机构与操作方法^[6]；此外，传统的教学方法是在实验室教师讲解、演示之后，学生按实验操作步骤进行数据测试，教师对学生实验过程中出现的一些实验现象给予指导，学生课后完成实验报告。实际上整个教学过程学生按步骤机械地重复实验操作，忽略了学生自主能力的培养和潜能的发挥，知其然而不知其所以然，也会导致学生在思想上不重视实验，缺乏独立思考，创新能力得不到有效提升；在以往的实验安排中，限于实验器材台套数不足，实验小组通常为8-10人组，这样的分组安排难免导致部分同学参与度不够^[7]，要提升实验教学效果，必然要通过改进教学手段和方法来提高实验课效率，同时实现最佳实验小组组合模式，让每一位学生都能够动手参与到实验环节中。

二、 高质高效实验教学模式构建措施

1.PBL教学模式与数字化教学方法

PBL教学法强调把学习设置到有意义的问题情境中，通过学习者合作解决真实性问题，学习隐含于问题背后的科学知识，加深对知识的理解和应用，培养解决问题的技能，形成自主学习的能力^[8-9]。本课堂中首先突出真实环境问题，如地下水水质受什么因素影响？在一口井里采集的地下水水质会随采集时间变化吗？并提出解决问题的需求，如什么样的地下水可以作为生活饮用水，或作为工业用水、农业用水？用地下水循环与水文地球化学系统相关的丰富、鲜活事例吸引学生，将地下水相关的前沿知识和国家重大需求引入课堂，激发学生的学习兴趣，把学生的思维引导到更开阔的空间。

其次，采用数字化教学手段，将地下水水样的采集环境（如图1）及采集过程动态演示，多媒体课件展示实验流程，利用视听感官刺激使学生易于理解，大大提高了教学效率和效果^[10]。课后通过微信群进行讨论和答疑，建立师生之间的密切联系，形成线上线下联合教学模式。

图1 同济大学地下水抽水实验室

2.优化实验教学方案

在地下水水质分析实验过程中，水样的配制过程耗时较多，大多测试项目都需要利用消解仪进行消解，一组样品消解约半小时左右，而实验室原有的3套多参数水质检测仪只配备了3个消解仪，远远无法满足每班30人次上课配制水样的需求，导致很多学生在消解过程中处于等待和排队状态，浪费了实验时间且实验效果较差。鉴于此，优化了实验方案：（1）通过增加消解仪等设备附件和化学试剂、移液管、试管等实验材料增加了实验台套数，实现2-3人组的最佳实验组合方式，让所有学生都能够动手参与到整个实验环节；（2）实验分组后让学生联系课堂所学知识，通过组内讨论合作解决优化实验顺序以提高检测效率的问题；（3）提供不同时间的地下水样品分组测试，如10组学生分别测试5种水样，每2组学生做平行样本对比测试，一方面需要每组同学有所担当，认真完成检测任务，另一方面可以2组同学讨论测试精度，同时在实验过程中进行师生互动，同学评议、教师总结的形式，从而培养学生发现、分析、解决问题的能力，提高了学生的兴趣，让紧张而有序的实验安排达到了事半功倍的效果，也让学生们感受到水质测定工作的严谨氛围。

3.教学评价方式改革

在PBL教学理念的基础上，学生根据实验测试结果撰写水质分析报告，各组学生展开数据差异与准确性的讨论，分析原因并对地下水的水质进行分级和评价，结合现场水样采集条件综合分析地下水系统，最后每一种水样测试结果的小组派代表进行口头汇报和答辩，在汇报过程中教师给出关键点提示，引导学生继续钻研的兴趣，可提供与实验内容相关的主题小论文命题供学生进行下一步的创新性研究。成绩评定由学生平时实验表现、提交报告以及结果汇报综合给出。通过这种形式，有利于活跃学生的思维，发挥学生的主动性，使学生在学习过程中保持较高的学习兴趣和饱满的状态，积极主动地完成相关学习思考。

4.课程思政植入实验教学理念

在地下水采集和水质测定方法介绍中，由我国地下水资源紧缺、开采地下水引起地面沉降、海水入侵等地质灾害以及地下水水质污染危害讲起，将绿水青山就是金山银山的重要发展理念和习近平总书记关于生态文明的重要论述植入专业人才培养全过程，引导学生树立崇尚自然、尊重自然的理念，切实增强学生投身生态文明建设的责任感、使命感^[11-12]；通过实验仪器分析对社会重要性的介绍及实际操作，激发学生的学习积极性，对学生进行爱国主义教育及职业道德教育，培养学生在水质分析检测工作中严谨的科学态度和艰苦奋斗的科学精神^[12-13]；要求实验过程中注意保持良好的工作环境，注意地面清洁卫生、桌面整洁，仪器药品摆放有序，用完的试剂也不能随便倒入水槽中，回收后统一由实验教师集中处理，实验完毕后各组同学将所有器皿清洗干净，按课前摆放位置放置好所有仪器^[14]。通过实验教学，不但能巩固和加深学生对理论知识理解，而且能有力地培养学生的观察、分析、归纳总结能力，发展学生思维、训练学生进行科学实验，培养严肃认真的科学态度和工作作风，形成良好的科学素养，同时注重培养学生的严谨的科学态度，相互协作和创新开拓的精神以及爱护国家财产、环境保护意识等实验素质。

三、 总结

以PBL教学模式为基础，以学生为中心，采用数字化教学手段，优化教学方案和评价方式等对地下水水质分析实验教学模式进行构建，在原有实验条件的基础上利用较少的教学经费从8-10人组的实验组合方式优化为2-3人的最佳实验组合方式，通过小组讨论、口头汇报及探究性问题导向、线上线下联合教学等方式充分调动了学生做实验的积极性和主动性，激发学生积极思考，使学生不仅掌握了知识，创新意识和创新能力也得到了提升，培养了学生团结协作和一丝不苟的科学精神，有效提高了水文地质学实验的教学质量。

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Constructing an efficient and high-quality experimental teaching mode of groundwater quality analysis

LIU Qi ^1,2，CHEN Yonggui ^1,2，YANG Yang^1,2

（1. Department of Underground Architecture and Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092, China; 2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering, Ministry of Education (Tongji University), Shanghai, 200092, China)

Abstract: According to the demand of training geological talents for future industry development and social needs, PBL teaching mode is applied to the experimental teaching of groundwater quality analysis. Aiming at the problems existing in the original experimental teaching, such as the lack of systematisms of the teaching content, the mismatch with the class setting, and the disadvantages of the teaching methods, the experimental scheme and teaching evaluation method were optimized, and the idea of Ideological and political education was implanted. The experiment was carried out under the guidance of solving practical problems, and the best experimental combination of 2-3 people was realized. The methods of group discussion, oral report, exploratory problem orientation and online-offline joint teaching were adopted to fully mobilize the students' enthusiasm and initiative in doing experiments, Stimulate students' innovative consciousness of positive thinking, guide students to establish the concept of advocating and respecting nature, and effectively enhance students' sense of responsibility and mission to participate in the construction of ecological civilization.

Keywords: PBL, Groundwater quality analysis experiment, Hydrogeology, Teaching reform