地下水数值模拟课程在矿业类大学中教学改革实

地下水数值模拟是以电子计算机和数值计算为手段，通过背景资料获取、模型概化、模型识别和应用来分析地下水流和地下水污染等方面的问题。在矿业类高校中，《地下水数值模拟》课程的教学目标是预测矿山开采条件下的地下水动态，为水质和水量的管理与评价以及矿山疏放水提供理论依据。

一、课程特征

1.抽象性。地下水是以地下水动力学为理论基础，此理论基础、研究方法本身就是很抽象的。本课程又是以地下水为研究对象的，地下水数值模拟过程中需把复杂的水文地质问题概化为某一数学模型，模型中水文地质条件、边界条件概化过程均比较抽象。

2.复杂性。地下水流数值模拟在建模初期，特别是几何模型建立过程中，需要对复杂的水文地质资料进行整理归纳，包括钻孔、地层、水文资料等，从而决定了本课程应用到大量地质、水文地质和地理信息系统的方法，需要多学科交叉。

3.实践性。地下水数值模拟不仅可以模拟实际水文地质条件下实际含水层地下水流场、污染物运移等情况，还可以预测未来情况下含水层的响应，特别对于矿山开采条件下的地下水动态，矿井涌水量预测等，地下水数值模拟的内容决定了这门课程也是一门实践性很强的课程。

4.水文现象受到大量随机因素的影响具有不确定性。在进行水文数据分析时，是把十分复杂的水文现象抽象概化为某一个数学模型，其表现形式较为抽象，而设计模型的过程则更加抽象。

二、教学难点

1.地下水运动的基本微分方程、地下水化学组分运移基本方程、NAPL迁移基本方程是解决地下水运动、溶质运移和石油污染物运移的三大基本方程，这些基本方程与地下水动力学的教学内容有重复又有区别，增加了教学的难度。

2.地下水数值模拟是一门实践性非常强的课程。这就决定了课程在掌握理论推导的同时，还要注重专业实践应用，两者课堂平衡难以把握。

3.利用课堂时间进行大量水文地质资料数据的处理工作很困难。本课程在以GMS数值模拟软件为例讲授建模方法时需要应用大量水文地质实测资料来说明方法过程，对钻孔等地质资料前处理等内容仅利用课堂时间让学生亲自动手，在空间和时间上都是不理想的。

三、教学改革策略

1.教学内容改革。（1）减少地下水基本微分方程的推导的介绍，增加基本方程的初始、边界条件和差分求解方法等实用性内容的讲解。首先将本课程与《地下水动力学》课程微分方程的内容区别开，要结合实际的地下水问题，在适当注意数学理论系统性的基础上，强调理论和方法的应用，而不要让学生陷入烦琐的数学推导和证明当中。（2）通过GMS地下水流数值模拟软件实例应用来学习数值模拟建模过程。以主流的地下水数值模拟软件GMS为例，本课程在教学时，通过多种实际地区特别是矿区水文地质资料收集，用实际水文地质资料建立符合实际地区的数值模拟模型并运行。（3）结合生产项目中遇到的实际问题不断更新教学内容。随着地下水科学的不断发展，多学科交叉应用，许多新的方法和技术得以应用，要随时更新相关的教学内容，保持课程内容与当前的科技发展同步。

2.教学方法改革。（1）转变教学方法，创新课堂形式。地下水数值模拟是一门实用性非常强的专业课程，如何调动学生的学习积极性非常关键。这就需要教师做好每次课的课堂设计，大量收集应用地下水数值模拟解决实际地下水问题的实例，并利用自己的生产项目作为课程实例，比如结合矿区生产实例的某个工作面开采的涌水量预测，按照地下水数值模拟步骤让学生在课堂上参与实际数值模拟建模和后期模拟过程，使学生更加直观地了解学习内容，调动学生的学习热情。（2）略去繁杂的地下水方程推导，突出数值模型概化、初始边界条件、数值模拟差分方法在软件中的实现。鉴于学生已经学习了地下水动力学中相关的方程推导，对于比较抽象的概念和理论，繁杂的数学推导和证明可以只给出简单的说明或者略去，而应将重点放在水文地质条件概化、空间时间离散、差分方法部分，例如数值模型的边界范围、边界条件、含水层空间结构、水文地质参数和源汇项等。（3）增加实践动手能力考查，并在成绩评定中有所体现。在每次课程回顾中，提出一个实际的水文地质问题，要求学生进行上次课堂内容实际电脑操作作为课前测验，这样对学生基础知识的掌握以及应用能力的提升都有很大帮助，同时对学生的日常表现、出勤、作业等情况都进行了考核。除此之外，更加要注重的是学生综合分析的能力，这就要求试题的多样化及对实际案例的分析。

文章来源：《中国矿业大学学报》 网址: http://www.zgkydxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0402/531.html