环境同位素水文地质课程教学研究

孔慧敏 张 莹 张莉丽 张耀文

（1.防灾科技学院地震科学系，河北 廊坊 065201；2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080）

○、前言

环境同位素水文地质属于地下水科学与工程专业人才培养方案中的开放选修课程模块，课程性质为专业选修课，其理论性、科学性和实践性很强。同位素水文地质是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科，为研究地下水提供了一种新的有效手段，有助于从宏观和微观上阐明水文地质过程的机理［1］。随着测试技术的不断发展，同位素方法在地下水循环、水岩相互作用、地下水污染来源示踪等方面都得到了广泛的应用。环境同位素作为天然示踪剂参与到水循环的每一个阶段，在大气循环、水汽凝结、蒸发、渗透、散发等过程中会产生同位素分馏作用，显示出不同的演化规律和组成特征。因此，借助于环境同位素在水循环过程中的标记特点，尤其是氢氧稳定同位素，在揭示包气带水分运移、地下水循环等方面都得到了广泛的应用。

近年来，由于人类活动的影响，地下水开采量逐渐增大，许多地区出现了不同程度的地下水超采，区域性水位下降、包气带厚度增大、地下水咸化及地下水污染等一系列问题，严重制约了地下水资源的可持续开发利用。尤其是西北干旱—半干旱地区，社会经济发展的最大制约因素是水资源以及因缺水造成的十分脆弱的生态环境［2］。新的形势对地下水科学与工程专业的教师和学生提出了新的要求，要善于利用新技术新方法解决与地下水资源开发和利用相关的问题。因此要全面意识到新技术方法在人才培养中的作用，根据社会需求、学科发展要求、岗位需求、学生能力制定科学合理的教学目标，积极地进行课程教学改革，不断适应新变化和新要求，符合我国高校对创新型人才培养的要求。应积极采取各种形式的教学改革、教学手段、实践活动、产学研相结合等方式，以便保障创新型人才的全面培养，满足当代社会对创新型人才的不断需求［3］。

本文以防灾科技学院地下水科学与工程专业环境同位素水文地质课程的实际课堂教学改革为例，结合人才培养方案的调整，明确课程在人才培养过程中的作用和教学目标，从理论内容的优化，课内实验及开放实验的开发，专业实践能力的提升，学生科研能力的培养等方面探索课程教学的改革。通过理论的优化及实践能力的提升，能充分提高学生的学习主动性及本门课程在专业领域的实用性，以科研促教学，培养地下水科学与工程专业学生的实践能力与创新精神，真正提高教学质量，增强学生的就业竞争力。

一、环境同位素水文地质课程在人才培养过程中的作用

环境同位素水文地质课程是地下水科学与工程专业的专业选修课。它以环境同位素技术为手段，包括地下水和其溶质组分以及环境介质中环境同位素分布、时空演化规律的基本理论，以及运用这些基本理论在水文地质学中的具体应用技术。其主要内容包括同位素的基本概念，稳定同位素的分馏原理，放射性同位素的衰变原理，氢、氧、碳和硫等稳定同位素的水文地球化学特点，同位素技术在地下水示踪和水循环、地下水的定年和可更新能力的判断，同位素样品的采集技术与测试技术等。

同位素水文地质学是水文地质学的一个重要组成部分，同位素技术已成为解决许多水循环难题的精确手段，有助于深化水文地质科学工作者对天然水的认识层次。通过该课程的教学使学生掌握利用同位素技术研究地下水地表水的运动速率和混合作用、地下水年龄的测定、地下水地表水之间的补排关系、地下水污染、在地震预报中的应用等方面的基本理论和方法，为解决地下水资源及其环境问题以及地震地下流体研究相关的监测、评价奠定理论基础。

二、环境同位素水文地质课程的教学目标

近年来，本科院校人才培养方案不断调整的整体方向是压缩理论课时、增加实践课时，去除老旧理论、增加新技术新方法，舍弃“一言堂”教学、进一步增加开放及讨论式教学，降低学生的畏难情绪、提高学生自主学习能力。因此需要高校教师及时做好课程更新和教学反思，从教学理念、教学方法和教学过程多方面进行反思，和学生保持较高频率的课堂和课后互动，也需要及时对人才培养方案调整后的教学目标进行重新梳理，调整教学方法并进行教学改革，使学生不仅实现知识目标和能力目标，更实现较高的素质目标。

（一）知识目标

通过课程学习，使学生能够学习和理解环境同位素的基本概念、物质组成的表示方法、常用稳定同位素和放射性同位素的水文地球化学基本理论等基本知识。

（二）能力目标

在掌握环境同位素水文地球化学的基本概念、基本理论的基础上，能结合水文地质条件，应用所学知识解决实际工作中的水文地质问题；理论与实践相结合，掌握初步的地下水同位素样品的采集和布点，能够科学合理地解释同位素数据，掌握同位素水文地质工作的流程和方法。

（三）素质目标

通过理论与实验教学，使学生了解环境同位素水文地质学的基本原理、知识体系和现代研究领域的前沿与成就，培养学生独立分析问题、解决问题的逻辑思维能力，训练学生掌握环境同位素水文地质学的基本研究方法和研究技能，引导学生学好专业知识奠定良好的科学素质与知识基础，具备一定的科研素养和兴趣，能够主动提出问题，并具备解决相关科学问题的初步能力。

三、环境同位素水文地质课程的教学改革

（一）优化理论内容

环境同位素水文地质课程的总课时为32课时，均为理论课时，根据2016级人才培养方案的调整原则，在总课时不变的前提下增加实践课时的比重，现将理论课时调整为28课时，增加4课时的实践课程。因此对理论部分进行了相应压缩和精简。例如，压缩氚法和碳14法测定地下水年龄的内容，精简天然水中氢氧同位素的组成与分布规律，增加氢氧稳定同位素的取样及测试内容。

（二）加强与先导课程的衔接

本课程的相关先导课程包括：水文地质学基础课程，研究地下水在岩石圈、地幔、水圈、大气圈、生物圈和人类活动相互作用下，其水量与水质在时间和空间上的变化，以及对各个圈层产生的影响；水文地球化学课程，其研究对象不仅是地下水本身，而且包括地下水活动过程中各种水文地球化学作用对各种地质现象的影响和关系，为本课程教学提供扎实的理论基础；环境水化学课程或水分析化学课程，主要讲授实验室水化学分析方法，提高学生的实际操作能力，为开展环境同位素水文地质的综合实验奠定了良好的实验操作及理论基础。因此，在课堂教学中应将地下水中同位素的组分及特点、同位素效应、地下水污染示踪等内容与以上课程进行有效结合和衔接，避免出现重复。

（三）增设课内实验

为提高学生的实践能力，增设课内必做实验“氢氧稳定同位素的取样及测试”，介绍同位素样品的采集技术，野外现场样品采集的流程及注意事项，LGR液态稳定水同位素分析仪测试原理、操作及维护方法。但由于课时及实验场地有限，将其设置为分组演示性实验。

（四）开发课外实验

为弥补课时及场地的不足，给学习成绩较好且对实验操作感兴趣的学生提供机会，应充分利用开放实验及实践课程，任课教师在相应学期开设36至48课时的综合性实验。经过两年实践，已成功开设两期“氢氧稳定同位素在蒸发过程中的分馏特征”开放实验，实验内容为通过控制含水介质中地下水中离子的种类、含量、pH值、温度等条件，模拟地下水水质演化对饱和孔隙介质地下水中氢氧稳定同位素分馏的影响机制，确定影响饱和孔隙介质中氢氧同位素分馏的因素。

开放实验均采用小班教学，从实验方案的设计、样品的采集及前处理、样品测试、数据分析、异常处理、仪器操作及维护，均由学生全程参与，最后小组提交开放实验报告，学生反馈较好，获得良好的教学效果。

（五）加强课程内容在生产实习中的应用

我国地学教育教学模式表明，实践教学是人才培养的关键环节，充分的实验室教学实习和野外实践都是培养地学人才的重要途径［4-6］。地下水科学与工程专业人才的培养需经历地学思维至专业思维再至专业综合能力过程的转变，因此，由认识实习、地质教学实习、专业生产实习、毕业实习所组成的专业实践教学体系具有举足轻重的作用。专业实习的教学质量直接影响本专业高素质人才的培养质量，因此，将实习实践课程中的内容与环境同位素水文地质的课堂教学相结合，能够提高课堂教学的水平，也能够促进实践教学水平的提升。

在地下水科学与工程专业的生产实习中加强对环境同位素水文地质理论及实践知识的应用，在柳江盆地的水文地质调查中得到具体的体现：（1）利用水化学及同位素的数据分析研究地下水和地表水的转换关系。（2）判断地下水尤其是泉水的补给来源等。（3）根据当地的大气降水线，判断蒸发作用的影响程度。（4）氢氧稳定同位素样品的现场采集。以上内容在生产实习“东部落泉群成因分析报告”和“黑山嘴温泉成因分析”等专题中均有体现。

在多年实践教学的基础上，结合大量的实地调研、采样、实验室数据分析，累积了多年的柳江盆地地区地下水动态、水化学及同位素数据，对秦皇岛柳江盆地的地下水化学及同位素特征、地下水循环特征、地下水污染现状、典型泉群成因进行了系统的研究，具有很高的科研价值，也提升了实践教学的水平。

（六）增强学生科研能力，实现科研促教学

通过扎实理论基础的奠定和部分实践课的开设，提高学生的动手能力，加强学生的科研思维和能力，发挥本课程的理论实践技能在本科毕业论文中的作用。例如，“基于水化学及同位素的柳江盆地东部落泉成因研究”［7］，“基于同位素技术的潮白河地表水及地下水转化关系研究”［8］，“柳江盆地浅层地下水水化学演化规律浅析”［9］等多篇本科毕业论文。

结合教学内容，本专业教师在柳江盆地开展了以提高实践教学质量为目的的多项科研工作，例如中国地震局教师科研基金项目“基于水化学及同位素的柳江盆地东部落泉成因研究”，以及大学生创新创业训练计划项目“秦皇岛柳江盆地东部落泉群成因模式研究”，并荣获二等奖。结合课程及实验室基础条件，本专业师生已有多篇学术论文产出，例如《瓶装饮用水的水化学、同位素特征及其指示意义》［10］、《基于水化学及D、～（18）O的柳江盆地东宫河流域地下水循环特征解析》［11］等。通过实践技能培养，增强学生的科研水平，为学生的深造搭建一个宽阔的平台。

通过对科研成果的梳理和积累，科研成果均转化到实践教学中，为学生综合创新提供平台基础，实现教学科研相互促进，学生实践能力、创新能力得到提高。

四、结论

环境同位素水文地质课程作为地下水科学与工程专业课程体系的重要组成部分，在专业人才目标培养上起到至关重要的作用。通过理论教学与实践教学，使学生了解环境同位素水文地质学的基本原理、知识体系和现代研究领域的前沿与成就，掌握环境同位素水文地质工作的基本流程和基本方法，既实现了知识目标，又实现了能力目标和素质目标。

经过对理论及实践内容的改革，课堂教学质量不断提升，实现了理论教学与实践教学的有机融合，充分调动了学生学习的积极性，提高了学生学习的兴趣，增强了本门课程的实用性，训练学生掌握环境同位素水文地质学的基本研究方法和研究技能，为学生学好专业知识奠定了良好的科学素质与知识基础，培养了学生独立分析、解决问题的逻辑思维能力；提高了地下水科学与工程专业的人才质量，增强了学生的就业竞争力；并在不断的科研和教学的融合过程中，逐渐形成了基于教科研融合的地下水科学与工程专业学生综合实践能力培养模式，教学科研互相促进，有利于培养地下水科学与工程专业学生的实践能力与创新精神。