基于大数据和虚拟仿真技术的水文地质实践教学新体系改革探索
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[摘 要] 为了提高水文地质实践教学的时效性和前瞻性，通过融合大数据和虚拟仿真技术，构建了基于室内实验室、室外实验场、校外实践基地和多种专业软件仿真模拟的“四维度”水文地质教学实践平台。采取“虚实互补、以虚促实”的教学实践原则，扩充丰富了教学实践内容，增强了学生教学实践过程的操作性和锻炼性，完善了实践成绩评定体系，解决了教学实践场地、师生比低、资金不足的问题。实践证明，这一平台能满足水文地质学相关课程的室内和野外实践教学要求，达到了强化学生专业知识实践，增强学生的野外独立工作能力和创新能力的预期目标，同时为地下水科学与工程专业进行工程教育专业认证服务。
[关 键 词] 大数据;虚拟仿真;水文地质实践教学;新体系
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2022）34-0046-04
随着社会经济发展对工科应用创新型人才的迫切需求，高等教育对大学生的创新实践能力也提出了越来越高的要求。特e是在新形势下，国家对人才的需求发生了变化，学科的战略发展方向改变以及地质行业转型的时期，对于高素质、具有创新实践能力的卓越工程师人才的培养提出越来越高的要求。地下水科学与工程专业（前身为水文地质专业）是河北地质大学国家级特色专业、河北省一流本科专业建设点、河北省高等学校品牌特色优势专业，在学生培养方面已经具有完善的培养体系，但是传统的实践教学环节已不能完全满足“卓越工程师”培养的需要。如何在大数据、虚拟仿真等新兴技术快速发展的新形势下，按照社会需求和新工科的要求进行课程体系整合，探索虚拟现实、数据挖掘等新兴技术促进水文地质实践教学改革，进而培养卓越的地下水科学与工程专业技术人才，已成为刻不容缓的工作。
目前，在新工科和工程教育专业认证背景下，大数据和虚拟仿真技术广泛应用于地质、水文地质实践教学中。代俊鸽等通过对地质专业实验室建设概况分析后，探索了“四步骤”实验教学模式，将虚拟仿真技术融入实践教学中，建立了“以学生为本”的教育理念[1]。丁明涛等开发了一套基于虚拟仿真技术的地质灾害减灾选线实验教学系统，让学生在虚拟环境中进行身临其境的交互学习，以弥补课堂教学过程中的不足[2]。陈健等探索建立了“虚拟场景―模拟设备―实景教学”三结合的实践教学新模式，提高了防震减灾实践教学水平[3]。强伟帆等探讨了虚拟仿真技术在地质学中的应用，介绍了面向地学的综合型、国际化的沉浸式虚拟仿真实验室实例[4]。梁莉莉等阐述了建设“地下水与环境”虚拟仿真实验室的优缺点，并列举了部分已建成的虚拟仿真实验室项目，阐述了地下水相关专业的培养目标为“厚基袖、强能力、重创新”的新型人才，阐明了“虚实结合，优势互补，多元协同工作”的实验室建设方向[5]。何虎军等探讨了汉中梁山野外地质实习虚拟仿真教学平台建设的思路和解决的关键问题[6]。贾蓬等针对隧道工程课程的特点和实践教学难点，“以学生为中心”，开展了“慕课+翻转课堂”和“线上虚拟仿真+线下研讨”的混合式教学实践[7]。
通过对以上现有虚拟仿真技术的应用，其在地质和水文地质教学过程中发挥了至关重要的作用，但是目前没有关于大数据和虚拟仿真技术融合的教学尝试，这将是本文主要研究的内容和方向。
一、水文地质实践教学现状
我校是在20世纪50年代设置水文地质专业，现有水资源与环境领域的本科专业均由原水文地质工程地质专业发展而来。学校依托水资源学科群优势，面向京津冀战略需求，以优势学科为平台，以重大科研项目为引导，以一流师资队伍为保障，以培养适应京津冀水资源开发利用与保护所需的应用人才为培养目标，不断进行人才培养模式改革、创新与实践，充分发挥“水文学及水资源”重点学科、“水资源可持续利用与开发”重点实验室、“水资源可持续利用与产业结构优化”协同创新中心等学科平台的优势，形成了以“水资源环境开发利用与保护”为特色方向的创新人才培养体系。近年来，也尝试引入虚拟仿真技术和数据挖掘等新兴技术用于水文地质实践教学环节，在实践教学硬件和软件基础、实践教学师资培训和虚拟仿真实践教学应用方面均有一定的加强，具体如下。
（一）实践教学硬件基础
目前，水文地质实践教学平台包括实习基地、野外试验场、实验教学示范中心和专业实验室。在2016―2018年期间，购置了并行计算机越海扬波海啸（T9200）1套、高性能计算机（XPS13D-9343-5708）80台、多功能电法工作站1套以及高密度电法测量系统及多功能直流电法仪1套，具有完备的大数据分析和虚拟仿真技术应用硬件条件。
（二）实践教学软件基础
目前，水文地质实践教学平台具有涵盖绘图制图、数理统计、地下水数值模拟、水文地球化学模拟、遥感卫星数据解译和数据库开发等一系列软件，包括绘图软件Surfer10、CAD2010、ARCGIS10.0、MAPGIS6.7、CorelDRAW等;统计软件SPSS16.0、Origin;专业软件MATLAB、GMS、AquaChem、PHREEQC、Aquifer Test;遥感解译软件ENVI、ERDAS及数据库开发软件Visual Studio、SQL Server等，为本项目大数据分析和虚拟仿真技术运用提供了软件基础。
（三）实践教学师资基础
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本项目具备高素质的师资力量，项目组成员近年来开展了相关研究工作，在水文地质教学案例建设、教学技能训练、实习模式方面进行探索与实践，积累了一些实践教学经验，并且学院组织相关专家进行了水文地质大数据分析和地下水数值仿真模拟等培训工作。近年来，项目成员主持的教学改革项目10余项，包括“水资源学科群应用型人才培养改革与实践（2015GJJ G119）”“地下水污染场地修复技术多层次引导式教学案例（KCJSZ2017095）”“《水力学》实验课教学改革的研究（2012J29）”“《水文地质学基础》实验教学改革实践研究（2013J28）”“水资源实验示范中心建设提升（2016J30）”“《地下水动力学》教学案例资源库建设（2018J11）”和“《专门水文地质学》教学案例资源库建设（2019J05）”，形成主干课程教学案例资源库4个，编著本科生实践教材5部，发表教改论文10余篇，并获得“河北省教学成果一等奖”。
（四）数据分析、虚拟仿真教学实践基础
早在20世纪70年代，我校成功研制了全国第一台模拟水资源开发的R-C电网络模拟机，虚拟仿真技术就已经应用并获得“全国科技大会奖”和“地矿部科技进步一等奖”。基于具有的数据分析计算平台和虚拟仿真软硬件设施，初步形成了数据分析和虚拟仿真实践教学的基础，并在本科生专业必修课程地下水流数值模拟和三年级生产实习中得到初步应用。地下水流数值模拟课程中包含地质结构三维仿真模拟、地下水流流动状态虚拟仿真模拟和地下水溶质或污染物质运移仿真模拟3个虚拟仿真模拟环节。通过虚拟仿真课程，学生的学习积极性得到很大提升，同时对于实验室不易操作或者现象不易刻画的环节有了更加直观的认识和理解，加强了学生对于知识的理解和掌握。此外，在三年级实习中，要求学生对于调查区范围内取得的大量地下水位数据和地下水水质数据进行数据归纳分析，利用数理统计理论SPSS软件，通过主成分分析、回归分析、聚类分析和时间序列分析等，挖掘水位、水质数据特征和规律，从而推求水文地质信息。
二、基于大数据和虚拟仿真技术的水文地质实践教学改革思路
（一）教学新体系改革主要思路
通过融合大数据和虚拟仿真技术，整合目前所开设的水文地质实践课程和资源，构建基于室内实验室、室外实验场、校外实践基地和多种专业软件仿真模拟的“四维度”水文地质教学实践平台;通过大数据整理为水文地质实践教学平台提供各种网络资源、专业书籍、公开课资料、野外水文地质现象照片、视频、实验动态监测数据等教学实践案例;构建的虚拟仿真实践平台涵盖信息管理、实验室管理系统、实验实践系统、自主科研、教学案例资源库、信息管理、教辅功能、系统管理、数据反馈等模块，即平台拥有数据分析和丰富的案例资源库、完备的学生信息管理和教辅功能、强大的实践案例虚拟仿真呈现功能和信息反馈功能。通过实践平台实践教学数据反馈耦合大数据分析，综合评价实践教学效果，达到强化学生专业知识，提高学生野外独立工作能力和创新能力的目的。教学实践平台具体的设计思路详见文末图1所示。
（二）具体改革措施
1.“情境模拟”数据库、实例库建设
收集与本课题相关的各种网络资源、专业书籍、公开课资料，结合目前已开设水文地质实践相关实验课程和已有教学案例资源库，整合目前所开设的水文地质实践课程（水文地质学基础实验课、地下水动力学实验课、水文地球化学实验课和本科生野外实践实习等），将课程相关数据，如实验数据、各种参考数据整理成Excel表格或者文本文档保存并建立数据库;同时将野外水文地质现象照片、视频、实验动态监测数据等教学案例整理汇编，建立案例库，为虚拟仿真实践平台提供情景案例。
2.“四维”虚拟仿真实践平台建设
基于目前已有的并行计算机、高性能计算机、各类专业模拟软件等虚拟仿真软、硬件设施，构建基于室内实验室（包括水文地质学实验室、渗流力学实验室、水文地球化学实验室）、室外实验场（抽水实验场地和渗水实验场地）、校外实践基地和多种专业软件仿真模拟的“四维度”水文地质教学实践平台，该平台能够实现信息管理、实验室管理系统、实验实践系统、自主科研、教学案例资源库、信息管理、教辅功能、系统管理、数据反馈等功能。
其中，实验实践系统涵盖地下水渗流仿真模拟、地下水数值仿真模拟和水文地球化学仿真模拟3个虚拟仿真子平台。地下水渗流仿真模拟子平台包括“稳定流达西仿真实验”“水电比拟仿真实验”“潜水运动特征仿真实验”“承压水运动特征仿真实验”“渗流槽仿真模拟实验”“井流仿真模拟实验”6个相关仿真实验;地下水数值仿真模拟子平台包括“三维地质结构仿真概化”“群井干扰抽水仿真模拟”和“非稳定流有限差分求解仿真模拟”3个相关仿真实验;水文地球化学仿真模拟子平台包括“污染物溶质运移仿真模拟”“水-岩溶滤反应仿真模拟”和“水中碳酸平衡与pH关系仿真模拟”3个相关仿真实验。通过构建的实验实践系统能够满足水文地质学基础、地下水动力学、专门水文地质学、本科生三年级生产实习等教学实验实践内容的需要。
除上述实验实践系统核心系统外，建设的虚拟仿真实践平台拥有强大的信息反馈功能，能够将学生实践环节中各种信息进行反馈用于大数据分析。大数据分析功能设计了相关的数理统计方法，包含聚类分析、回归分析、主因子分析等功能，能够对学生的成绩进行分类、归纳，并能够总结影响学生实践能力培养的主要因素，从而使教师对学生实验实践环节有全局的掌握，做到有的放矢。
3.虚拟仿真实践操作手册编制
根上述建立的“四维”虚拟仿真实践平台，编制《虚拟仿真实践操作流程指导书》1册，要求指导书中实验全流程涵盖实验安排与选课、实验准备、预习、测试、仿真模拟、提交实验报告、复习等环节。实验过程中设计了智能答疑模块，教师指导、师生互动、实验成果材料的管理、实验教学效果评估与分析等内容均可在线上完成;对学生在实验过程中的各类行为数据进行系统采集并分析，从而提供针对性的辅导，并进行个性化学习评估。以“污染物溶质运移仿真模拟”为例说明虚拟仿真实践平台操作的具体流程。
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（1）登录网站，进入虚拟教学;登录虚拟仿真平台（输入学生账号和密码）。
（2）阅读实验目的，了解本实验的目标与要求。
（3）学习软件中实验预习部分关于污染物溶质运移的背景知识，掌握溶质运移的基本原理与知识点。
（4）观看污染物溶质运移模拟的相关视频，掌握相关理论知识和模拟建模所需的基础数据和建模步骤。
（5）进入沉浸式教学阶段。学生若对相关操作步骤不熟练，可以选择练习模式，根据提示进行操作练习，熟悉整个操作流程，然后再进入考核模式。考核模式下提示较少，且关键步骤有知识点考核题目，学生需回答正确才能进行下一步骤，利于学生对知识的掌握。
（6）进入建模操作阶段。学生调用案例资源库中“污染物溶质运移仿真模拟”数据，调用模拟软件GMS进行建模;此阶段，学生的每一操作步骤都会有记录，且会自动记录步骤的得分。
（7）提交成果。学生将自己建立的模拟模型进行提交，实践平台数据库将对学生的成果进行储存，并将整个过程中获取的学生数据反馈给大数据分析平台，进行学习效果评估。
4.水文地质实验、实践环节教学内容改革
目前开设的水文地质类课程包括水文地质学基础、地下水动力学和专门水文地质学等必修课程，均未开设专门的野外实践教学环节，导致学生对抽象的理论知识难以理解和掌握;本研究拟在目前水文地质野外实践的基础上，借助虚拟仿真实践平台，将课程中涉及的野外现象进行仿真呈现。此外，对于目前三年级实习中某些野外现象和抽象水文地质实验，借助虚拟仿真实践平台进行呈现，例如河流近岸地下水的渗流、干扰井群抽水影响范围内地下水的流动等问题;通过上述改革扩充野外实践教学内容，在不增加学时、学分的情况下，丰富水文地质学相关课程的野外实验、实践教学内容。
5.融合大数据的虚拟仿真实践教学新体系
基于构建的“四维度”虚拟仿真实践教学平台和上述改革措施，以完整的实验实践教学内容为基础，将其与线下实体实践教学资源相结合，扩展实验实践教学内容广度和深度、延伸实验实践教学时间和空间。实践教学秉承“虚实互补、以虚促实”的教学原则，实现“虚实结合”的教学组织模式，基本概念、原理的讲解利用黑板和多媒体相结合来完成;控制过程、设计方法等知识内容采用多媒体和虚拟仿真实践平台相结合的方式进行讲解和演示;验证操作、巩固训练、总结与评价等内容在虚拟仿真实践平台上完成。实现“教、学、做、评”的有效融合，充分发挥学生在学习过程中的主体作用，构建融合大数据和虚拟仿真技术实践教学新体系。
三、建设应用成效及推广
本文探求新兴技术在水文地质实践教学中的应用，并构建融合大数据和虚拟仿真技术的水文地质实践教学新体系，该体系的构建将扩充实践教学内容，解决目前实际教学中受场地、时间、师资不足限制等问题，增强学生学习积极性和热情，强化学生专业知识，提高学生的野外独立工作能力和创新能力。根据相关调查与研究发现，大数据和虚拟仿真的教学融合，对学生解决实际工程问题能力提升十分有帮助。在参与调查的500名学生中，有90%的学生认为自己的动手能力和实践能力得到了有效提升（详见表1）。该水文地质实践教学培养体系的推广将为相关类似高校在实践教学方面提供理论借鉴和参考，对于推动新工科背景下高校大学生实践教学改革和能力培养具有重要的理论和实际意义。
四、结语
基于大数据和虚拟仿真技术的水文地质实践教学新体系建设激发了学生的学习兴趣及主动性，有效提高了教学效率，同时顺应了信息技术与教育融合的历史潮流，符合教育内容更新、教育方法改革以及受教育者特点变化的客观事实，体现了新工科教育理念。从教学资源建设途径、教学方法与教学模式改革等方面获得了一些经验，既可以让信息技术成为教学质量提升的关键，又对教师顺利完成教学任务有所帮助，但是资源利用的效能评价仍需进一步探索。
参考文献：
[1]代俊鸽，杨锋，梁德贤，等.工程教育认证下地质工程专业实验室建设初探[J].科技视界，2022（5）：91-93.
[2]丁明涛，郑豪，张露，等.基于虚拟仿真技术的“灾害地质学”课程教学模式改革研究[J].中国地质教育，2022（1）：35-39.
[3]陈健，姜纪沂，于晓辉，等.基于虚拟仿真技术的防震减灾基础实践教学资源建设的探索[J].实验室研究与探索，2018，37（9）：224-226.
[4]强伟帆，郭艳军，周哲，等.虚拟仿真技术在地质学中的应用[J].高校地质学报，2020，26（4）：464-471.
[5]梁莉莉，潘欢迎，马腾.虚拟仿真实验室在“地下水与环境”教学中的优势与应用[J].实验科学与技术，2020，18（1）：141-144.
[6]何虎军，杨兴科，焦建刚，等.野外地质实习虚拟仿真实验教学平台建设与思考[J].教育教学论坛，2022（2）：146-149.
[7]贾蓬，赵文，王述红，等.以慕课和虚拟仿真实验为驱动的隧道工程混合式教学实践[J].中国现代教育b备，2022（381）：72-74.
基金项目：河北省教育厅第二批新工科研究与实践项目“新兴技术范式下融合大数据和虚拟仿真技术的水文地质实践教学新体系改革研究”（2020GJXGK032）;河北省专业学位研究生教学案例建设项目“地下水流动数值模型案例库建设”（KCJSZ2022088）。
作者简介：闫佰忠（1988―），男，汉族，河南新乡人，博士，副教授，研究方向：水文地质与地热地质。
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