动画展示在水文学教学中的应用
鞠磊
（河南大学 环境与规划学院，河南 开封）
摘 要： 水文循环过程复杂、抽象，传统的教学手段已经很难满足水文学的教学需求，将新的教学方法引入水文学教学中尤为重要。基于此，本文提出将动画展示应用到水文学教学中，以刻画水文循环的关键过程，将抽象的水文过程直观地展示给学生，这有助于激发学生的学习热情，提升教学效果。
关键词： 水文学；水文循环；动画展示；教学改革
一 引言
水文学是自然地理及水文水资源相关学科的专业基础课程，其主要向学生讲授各种水文现象和过程的发生机制[1]。该课程是水文预报、水资源评价和流域水文模拟等课程的前置课程，水文学课程的教学效果直接影响到学生对这些后续课程的学习。由于传统的教学手段不能对复杂抽象的水文循环过程进行准确刻画，这在很大程度上限制了水文学的课堂讲授效果。因此，如何提升水文学课程的授课效果是高校水文学教师面临的重要课题[2]。
他还组织开展了多项专题调查，摸清分局监管家底，有针对性地开展工作。他注重食品化妆品安全的宣传报道，常与白城市电视台、白城日报社联系，发挥媒体的优势，广泛宣传食品安全知识，提升食品药品监管局知名度，连续4年食品安全信息报道稿件超过200余篇。他连续4年被白城市委评为优秀信息先进个人，单位先进个人、优秀共产党员。
二 水文学课程教学存在的问题
水文学的课程内容主要包括两部分：（1）水文循环的概念及主要环节，如蒸散发、水分入渗、土壤水运动及地下水运动等；（2）产汇流理论，主要包含单点产汇流及流域产汇流[3]。整体上，水文学的课程内容宽泛、抽象，概念和理论众多，借助单一的传统教学方法进行讲授容易出现一些问题，主要表现在以下几方面[4-6]。
（一） 概念和理论繁多，不易直观理解
由于水文学涉及水文循环的各要素，很多知识点是后续相关课程的基础，造成理论内容在总体课程中的占比过大，概念繁多，且部分概念过于抽象，不易理解。如壤中流是水分在土壤中的运动，为水文循环的关键环节，学生因不能直接观察该过程，导致理解困难。再加上水文学一般开设于大学第三、四学期，学生要同时学习大量其他专业课程，学习任务重，没有更多的精力和时间来探究这些抽象的水文过程。
（二） 教学方法单一化，不能激发学生的学习兴趣
目前，水文学的教法仍以教师的讲授为主导，学生被动地接受，缺乏自主学习的动机。另外，多媒体与板书相结合的教学手段很难对水文循环过程进行详细展示，这在很大程度上限制了课堂讲授效果，影响学生的学习热情。因此，急需将现代化的教学方法引入到水文学的课堂教学中，来激发学生的学习热情，提升课程讲授效果。
（三） 实验教学环节薄弱或缺失
案例设置：某地发生降雨，雨强为24×10-3md-1，降雨历时1d，假设雨水能够完全下渗进入土壤。水分在土壤中的运动可以借助Richards方程进行表述，其具有下述形式：
三 动画展示应用于水文学教学中的意义与具体措施
案例设置：某一含水层的上、下边界不透水，左右边界为定水头边界，在水力梯度的驱动下，地下水由左向右流动，水力参数场为异质性的。在本研究中，我们假设地下水流不可压缩且处于稳定状态。在2-D区域中，当渗透系数张量的主方向和坐标轴的主方向一致时，地下水流过程可以用下列式子表示：
θ[m3m-3]为体积含水量；h[m]为压力水头；t[d]为时间，xi[m]为空间坐标，K(h)[md-1]为非饱和水力传导度。
一部优秀的作品每个细节里面都包含作者内心的思想感情，如果不专心阅读，学生很容易错过作者想要表达的东西，进而难以把握文章主旨。因此，我们在语文教学过程中要注意帮助学生养成专心阅读的良好习惯，让学生的内心投入到文章之中把握住文章要表达的感情，从而得到阅读的乐趣。
2. 动画具有形象生动的特点，可以吸引学生的课堂注意力，助力其加深记忆。在以静态文字和图片为信息载体的传统课堂上，容易出现学生读取信息疲劳的现象，动画的运用可以有效地缓解该情况，从而激发学生的学习热情，提升课程的学习效果。动画展示还能够引导学生从现象中抽象出内在规律，帮助学生突破思维上的难点[11,12]。
3. 动画呈现速度快，能够提高课堂效率。水文循环过程包含的多个环节不易直接观测，语言又难以准确描述，而动画展示技术可以对这些过程进行再现，降低教师对抽象过程的讲解难度。将复杂的水文过程制作成动画以后，教师可以根据教学需求随意控制播放进程，对课程的重点和难点进行重复播放，从而减轻授课压力[13]。另外，动画文件一般只有几兆字节大小，非常便于网络上的传输与播放，课后学生可以根据自身需要自由观看，随时查漏补缺。
水文循环过程的动画可以借助三维动画制作软件Corel Motion Studio 3D直接制作，如可以将降水、蒸散发、水分入渗和地表径流等过程整合成一幅动画图，以帮助学生更直观地认识这些过程。另外，可以借助水文模型对水文过程进行模拟，并将模拟结果以动画形式保存下来。水文循环过程的模拟软件众多，常用的有Visual MODFLOW，COMSOL Multiphysics，Hydrus等[14]。例如，可以借助软件Hydrus对土壤水的运动情况进行模拟，再将模拟结果以动画形式展示出来，学生通过观看动画能够对水分在土壤中的运动过程有一个较为清晰的认识。地下水模拟软件Visual MODFLOW可以对含水层中的地下水运动过程进行模拟，再进一步将模拟结果保存为可以直接向学生展示的动画。除了可以借助动画制作软件和数值模拟软件制作水文循环过程的动画之外，还可以从专业网站上直接下载相关过程的动画。例如，密歇根州立大学提供一个专门下载水文循环相关过程动画的网站（IGW，https://www.egr.msu.edu/igw/DL/index.htm），老师可以直接从该网站上下载所需动画用于教学和科研。
特别地，借助水文模型制作水文循环过程的动画实质上是开展数值模拟实验的过程，同学们可以通过对某一水文过程的模拟加深对该过程的理解和认识。比如，学生可以通过对地下水流过程的模拟加深对几类常见流场边界条件的认识。因此，进行水文过程的模拟在一定程度上可以弥补实验教学的不足，提升学生对所学知识的实际应用能力。
贯彻落实三中全会精神 推进水资源管理体制改革和机制创新……………………………………………………… 陈明忠(23.3)
四 应用案例
实例1：动画展示在“水分下渗”一节中的应用
实例2：动画展示在“地下水运动”一节中的应用
图1 降雨过程中土壤水分有效饱和度的变化情况
受实验设备、教学人员等条件的限制，水文学的教学仍然以课堂上的理论讲授为主，实验教学环节相对薄弱甚至缺失，达不到提升学生的实验技能的目标。课后，学生通过背诵概念和知识点来应对课程考核，而不能将课本上的抽象概念和实际水文过程的具体环节对应起来，阻碍了理论知识向实际应用的转化。
1. 动画能够形象直观地演示动态化和抽象化的水文过程。水文过程复杂抽象，很多关键环节无法实际观察，学生对这些复杂过程的想象力有限。模拟现实的动画可以对复杂抽象的水文过程进行演示，并在关键处辅以文字注释，使学生更好地掌握[10]。
借助Hydrus软件模拟自降雨开始的2内土壤1 m深度范围内水分有效饱和度的变化情况，并将模拟结果制作成动画展示给学生。图1展示了土壤水分有效饱和度随时间的变化动画。如图1所示，降水发生前，不同深度处的土壤水分饱和度均一且处于较低水平，随着降雨的进行，水分逐渐下渗，有雨水渗入的土层水分饱和度增大。降雨（第一天）结束后，土壤上层水分蒸发，水分有效饱和度下降。
一大早，我就坐公交车到了表哥家。表哥往上托了下眼镜说：“我带你去市里开开眼界，县城也没什么好玩的，再说，你去年已经来过了。”见我一脸的喜悦，表哥情绪也很高。我们便一起到表哥的车站坐二十五分钟一班的“快运”，表哥就像回家似的熟门熟路。
图2 含水层中示踪剂的迁移路径图
随着计算机技术的飞速发展，动画在我们生活中的应用越来越广泛。动画展示为水文学课程的讲授提供了新的思路，将其应用在水文学教学中的意义主要体现在以下几方面[7-9]。
x,z 分别为水平和竖直方向的距离；h [m ]代表水头;Kx [md-1 ],Kz [md-1 ]分别是固相介质在水平和竖直方向的渗透系数。
赣州恩菲渗沥液处理站是中国恩菲自主设计、自主集成、自主研发并自主调试的渗沥液全回用项目，设计处理规模300 t/d，采用“竖流沉淀+调节池+厌氧+二级硝化反硝化+膜生物反应器MBR+纳滤NF+反渗透RO+浓缩液减量装置”处理工艺，处理后的出水达到工业循环冷却水回用水质标准。
借助地下水模拟软件Visual MODFLOW对该地下水运动情景进行模拟，并将模拟结果保存为动画。初始时刻（t = 0），含水层的左边界处有一示踪溶质团（用于指示地下水的运动），随着时间的推移，示踪剂随水向前迁移，图2分别给出了t=0 ，t=0.2d ，t=0.4d ，t=0.6d 时的示踪剂位置。
2009—2011年勘查工作中，勘查重点依然为破头青断裂，在破头青断裂控制碎裂岩带内发现了1号主矿体，并在离1号矿体400～500m深度发现了第2条碎裂岩带和赋存其内的2号矿体，但追索至-1400m两条主矿体均出现尖灭趋势，最深的2个钻孔均达不到工业品位，因此终止第一次详查，当时认为1号矿体和2号矿体均受破头青断裂控制。
从以上两个案例可以看出，与描述土壤水和地下水运动的偏微分方程相比，动画能够更直观地展示出水的动态运动情况，帮助学生了解水在地下的复杂运动过程，加深他们的记忆，提升课堂学习效果。
五 结语
动画制作和展示技术的快速发展为水文学的课堂教学提供了新的手段，如何利用好这些资源，更好地服务于教学，激发学生的学习兴趣，已成为水文学教师急需探索的课题。本文对动画展示在水文学教学中的应用进行了介绍，为水文学教学方法的改革提供了参考，为丰富课堂内容、激发学生的学习兴趣、提升水文学的教学效果提出了新思路。
参考文献
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本文引用格式： 鞠磊.动画展示在水文学教学中的应用[J]. 教育现代化,2019,6(69):92-94,103.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.69.039
作者简介： 鞠磊，男，汉族，河南沈丘人，河南大学环境与规划学院，讲师。
标签：水文学论文; 水文循环论文; 动画展示论文; 教学改革论文; 河南大学环境与规划学院论文;