結(jié)合編程計(jì)算的《工程水文學(xué)》教學(xué)改革

周凱

摘要：工程水文學(xué)中很多手工計(jì)算方法繁復(fù)費(fèi)時(shí)，學(xué)生普遍感覺(jué)深?yuàn)W難懂。為解決這個(gè)問(wèn)題，提出與編程計(jì)算相結(jié)合的教學(xué)方法，并論證該教學(xué)方法的必要性和實(shí)施辦法，討論實(shí)施中會(huì)遇到的問(wèn)題和解決方法，使學(xué)生能掌握該門(mén)課程的知識(shí)點(diǎn)，并提高學(xué)生動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：工程水文學(xué) 編程 教學(xué)方法

工程水文學(xué)是水利工程學(xué)科港口航道與海岸工程專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它是水文學(xué)的一個(gè)分支，研究地球上各種水體（江、河、湖、海）的存在、循環(huán)和分布，化學(xué)和物理性質(zhì)以及它們對(duì)環(huán)境的影響的一門(mén)科學(xué)。為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)及運(yùn)行管理各個(gè)環(huán)節(jié)提供水文依據(jù)，包括有關(guān)控制或利用河川和海洋資源所建造的工程。工程水文學(xué)在河流的開(kāi)發(fā)、利用與治理以及港口與航道工程建設(shè)中起著重要的作用[1]。同樣，對(duì)給排水工程、水務(wù)工程等專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力也具有重要作用[2]，有些高校也把其作為這些專業(yè)的必修課。這門(mén)課程不論是對(duì)促進(jìn)高校的學(xué)科交叉，還是擴(kuò)大學(xué)生今后的就業(yè)面都具有重要的意義。

工程水文學(xué)主要包括河川水文學(xué)和海洋水文學(xué)兩大部分，包括緒論、河川水文基礎(chǔ)知識(shí)、河川水文測(cè)驗(yàn)、水文統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)、河道工程設(shè)計(jì)水位及流量推求、海浪、潮汐、近岸海流。主要任務(wù)是水文分析計(jì)算和水文預(yù)報(bào)兩方面，研究方法有成因方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[1]。水文現(xiàn)象是多種因素綜合作用下不斷變化的過(guò)程，帶有隨機(jī)性，水文參數(shù)可看作隨機(jī)變量，因而研究中大量地應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。

一、結(jié)合編程教學(xué)的必要性

工程水文學(xué)在港口、航道與海岸工程專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用，既對(duì)高等數(shù)學(xué)、水力學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等課程進(jìn)行應(yīng)用，又為港口工程、航道工程等專業(yè)課打下基礎(chǔ)。但在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生普遍對(duì)有實(shí)際應(yīng)用背景的內(nèi)容感興趣，一部分學(xué)生只對(duì)專業(yè)主干課程感興趣，而對(duì)工程水文學(xué)看不到的實(shí)際用處，缺乏重視和學(xué)習(xí)積極性低。

課程中有很多計(jì)算方法（比如求矩適線

法、風(fēng)浪要素的推求、波浪折射圖的繪制等），需要查圖查表然后手工計(jì)算。一則手工計(jì)算方法存在主觀判斷的因素，每個(gè)人得出的結(jié)果不完全相同，容易導(dǎo)致人為誤差。再則手工計(jì)算方法往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，即使熟練掌握，一個(gè)案例做下來(lái)要個(gè)把小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間。學(xué)生做案例習(xí)題的時(shí)候，做過(guò)一次永遠(yuǎn)不想再做第二次。三則在考試環(huán)節(jié)，考試時(shí)間通常只有兩個(gè)小時(shí)，很難有充足的時(shí)間對(duì)這些手工計(jì)算方法的掌握進(jìn)行完整考察。

工程水文學(xué)的特點(diǎn)是以大量水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，處理數(shù)據(jù)本身比較枯燥。而由數(shù)據(jù)形成的圖、表和經(jīng)驗(yàn)公式，既繁瑣又抽象。學(xué)生普遍感覺(jué)就是“難”，對(duì)其學(xué)習(xí)容易失去信心，教學(xué)效果差。導(dǎo)致在后續(xù)學(xué)習(xí)主干課程時(shí)，基礎(chǔ)知識(shí)不牢固，還要“返工”，回頭解釋之前基礎(chǔ)課里面的內(nèi)容，這些問(wèn)題都亟待解決。而解決這一問(wèn)題的方法就是在工程水文學(xué)教學(xué)中結(jié)合計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。在現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)如此普及的時(shí)代，這些繁瑣的手工計(jì)算過(guò)程更加顯得效率低下。高效、直觀的計(jì)算機(jī)技術(shù)，不僅快速算出結(jié)果，還消除手工計(jì)算中的主觀性。此外，能讓學(xué)生之前所學(xué)的編程知識(shí)學(xué)以致用，提高其學(xué)習(xí)興趣。因此，對(duì)工程水文學(xué)中復(fù)雜抽象的計(jì)算過(guò)程，編程電算化是良好解決方案，也十分必要。

二、實(shí)施步驟與可行性

（一）具體步驟

首先調(diào)研行業(yè)內(nèi)計(jì)算軟件現(xiàn)狀，了解編程這些軟件所用語(yǔ)言和功能;然后根據(jù)實(shí)際情況確定開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和目標(biāo);其次，在學(xué)生中組建小組，通過(guò)講解、討論、實(shí)踐的過(guò)程編寫(xiě)程序;再次，把軟件用回課堂教學(xué)觀察其效果，并改進(jìn);最后，完成教學(xué)改革并總結(jié)成果。

（二）可行性

計(jì)算機(jī)編程和計(jì)算平臺(tái)[3-4]。有EXCEL、

MAPLE、MATLAB等強(qiáng)大并且功能豐富的可視化數(shù)據(jù)處理工具，并且學(xué)校在低年級(jí)普遍開(kāi)設(shè)了VB、C、VC++等編程類課程，學(xué)生具備編程基礎(chǔ)。

學(xué)生感興趣。編程類課程中的練習(xí)題，一般是數(shù)組求和、排序等與專業(yè)背景聯(lián)系不密切的案例，學(xué)生上完課對(duì)這些所學(xué)知識(shí)應(yīng)用的機(jī)會(huì)也很少。剛剛走入編程世界的大門(mén)，有強(qiáng)烈使用這些使用這些工具的愿望。如同剛學(xué)會(huì)開(kāi)車，特別有想開(kāi)車的愿望，讓其對(duì)工程計(jì)算編程剛好滿足其心理。

學(xué)生課余時(shí)間較多。港口、航道與海岸工程專業(yè)高年級(jí)課程負(fù)擔(dān)較少，有充足的課余時(shí)間對(duì)編程進(jìn)行研究討論。

教學(xué)條件良好。學(xué)院有自己的機(jī)房，投影、教學(xué)軟件、計(jì)算軟件等教學(xué)設(shè)備都比較齊備，方便安排上機(jī)實(shí)習(xí)。

學(xué)校的支持，學(xué)校多年大力支持教學(xué)改革和創(chuàng)新。

三、遇到的困難與解決方法

1.增加編程內(nèi)容，提高了課程難度，并不是所有學(xué)生都有興趣、有能力完成。學(xué)生剛剛學(xué)過(guò)編程類課程，讓其在這門(mén)課中應(yīng)用，這本身可以提高其學(xué)習(xí)興趣。課堂上以完整的程序進(jìn)行演示講解的教學(xué)為主，理解吸收難度較低;課后興趣小組以討論和編寫(xiě)程序?yàn)橹?，提高其?dòng)手和實(shí)踐能力。

2.工程水文學(xué)學(xué)時(shí)較少，本身只有24課時(shí)，很難在這么少的課堂教學(xué)時(shí)間中，完成大量?jī)?nèi)容的講授。為解決這一問(wèn)題：首先，課堂教學(xué)中要對(duì)內(nèi)容進(jìn)行取舍。重新梳理課程中的內(nèi)容，分清主要知識(shí)點(diǎn)與次要知識(shí)點(diǎn)，突出重點(diǎn)[5]。對(duì)一個(gè)問(wèn)題的行業(yè)規(guī)范推薦方法、常用方法重點(diǎn)講授，對(duì)不常用的理論和方法，一語(yǔ)帶過(guò)或者改為課下自學(xué);其次，更多地利用課外時(shí)間。以編程愛(ài)好活動(dòng)小組形式組織，每個(gè)小組獨(dú)立討論，可對(duì)同一案例采取多種不同解決路線。對(duì)積極參與和完成效果較好的學(xué)生給予成績(jī)上的獎(jiǎng)勵(lì);再次，調(diào)整今后專業(yè)培養(yǎng)方案。合理增加課程課時(shí)，增設(shè)課程設(shè)計(jì)、實(shí)踐環(huán)節(jié)，使工程水文學(xué)這門(mén)課程更加完善和豐滿。

3.缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)?？梢蚤_(kāi)設(shè)專門(mén)的上機(jī)實(shí)習(xí)課時(shí)，對(duì)EXCEL、MAPLE、MATLAB等工具進(jìn)行講解。增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，對(duì)課堂所學(xué)的計(jì)算方法有更深層次的理解，不僅鞏固了知識(shí)點(diǎn)，而且增強(qiáng)了動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

工程水文學(xué)其研究方法是以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，存在許多經(jīng)驗(yàn)公式和表格、曲線，需要大量的手工計(jì)算，其特點(diǎn)非常適合結(jié)合編程來(lái)學(xué)習(xí)，用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算有其必要性。并且，從學(xué)校和學(xué)生的角度分析，也都具備把編程融入教學(xué)的條件和可行性。

通過(guò)把編程計(jì)算融入工程水文學(xué)的教學(xué)，將繁瑣的手工計(jì)算方法電算化，不僅節(jié)省大量時(shí)間，而且激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在這個(gè)過(guò)程中還能讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，有更深層的理解。對(duì)于解決問(wèn)題的方法不能因循守舊，應(yīng)善于使用新的技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題，這對(duì)工科學(xué)生尤其重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱大洪.工程水文學(xué)（第四版）[M].北京： 人民交通出版社，2011：5.

[2]李國(guó)芳.抓住課程特點(diǎn)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量——以“工程水文學(xué)”為例[J].科教導(dǎo)刊：中旬刊，2011（12）：86-88.

[3]徐冬梅.“工程水文學(xué)”課程教學(xué)改革探討[J].科教文匯：下旬刊，2010（1）：114-134.

[4]楊海清，周小平.“工程水文學(xué)”選修課程教學(xué)方法探討[J].中國(guó)電力教育，2013（7）：123-124.

[5]賴克龍.水利中專工程水文學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)[J].長(zhǎng)江水利教育，1997（3）：23-24.

（責(zé)編 張宇）