土木工程專業(yè)工程水文學課程教學方法探討

劉先珊+許明

摘要：工程水文學的理論性及實踐性均較強，學習難度較大。針對土木工程專業(yè)學生在學習過程中存在學習興趣不高、學習效果差的問題，闡述了課程教學中教師與學生兩方存在的問題，并通過實踐教學提出了教學模式、教學方法、教學方案等改進建議和措施。其結果表明，將理論知識與專業(yè)背景緊密結合，采用靈活多樣的教學方式，有利于提高土木工程專業(yè)學生學習該課程的積極性，使得教學與專業(yè)培養(yǎng)目標更一致。

關鍵詞：工程水文學；教學模式；教學方法

中圖分類號：G642；TU11 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）03-0041-06

工程水文學是水利類和土木工程類專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎課程，是將水文學的基本理論與方法應用于工程建設與管理的一門技術學科。課程涉及水文學原理、水力學、水文地質(zhì)學等基礎知識，概念抽象且應用性較強，土木工程專業(yè)學生前期基礎知識的了解寬泛籠統(tǒng)，課時安排少，學習難度較大。學生普通反映教學內(nèi)容枯燥，學習積極性不高，效果差。

因此，對于大土木專業(yè)的學生而言，需要教師在教學過程中結合學生的專業(yè)情況，從水文知識的需要角度出發(fā)，將水文學知識、理論和方法與土木專業(yè)知識相結合，旁征博引，通過實際工程案例來說明課程與專業(yè)的相關性以及在專業(yè)領域的應用前景。課堂教學中既要注重對基本原理、基本概念的描述，又要注重原理、方法在生產(chǎn)實踐中的應用，同時，還需要運用現(xiàn)代信息技術手段設計出更具新意的課件以吸引學生，從而提升學生對該課程的認識以及實際應用能力。

一、課程教學中存在的問題

在授課過程中發(fā)現(xiàn)，學生對水文學課程的學習普遍感覺難度很大，特別是對于大土木工程專業(yè)的學生，由于前期未接觸水文學、水文地質(zhì)學及水力學等基礎課程，學生對很多基本概念模糊。只有少數(shù)學生能掌握課程的主要內(nèi)容，一部分學生能聽懂課堂內(nèi)容，但不能靈活運用所學的理論知識解決實際問題，知識遷移能力差，創(chuàng)新性及實際操作能力較弱。面對不同專業(yè)的學生，由于基礎不同，教學難度較大。因此，教與學的效果存在一定的差異，就當前的教學過程而言，主要存在如下問題。

（一）課程自身的抽象性

該課程涉及面較廣、內(nèi)容多，不僅包含理論推導及試驗研究，而且計算復雜、實踐性強，與規(guī)范和工程實際聯(lián)系密切，系統(tǒng)性和邏輯性欠佳，對于沒有水文學相關前期知識的學生而言，這無疑加大了學習的難度。另一方面，該課程的基本假定多、公式多，設計過程中既要考慮實際數(shù)據(jù)的可靠性，又要考慮理論方法對這些實際數(shù)據(jù)處理的可行性，最終還需要結合多種指標來判定結果的實用性。由此可見，水文學的資料統(tǒng)計和預報結果并不唯一，計算分析中需要融入工程經(jīng)驗。如在講解洪水位的確定涉及的“頻率（P）”時可以引入“重現(xiàn)期（T） ”，舉例“某水庫的設計洪水位千年一遇，設計頻率則為P=0.1%；若某城市發(fā)生的是五十年一遇洪水，洪水的設計頻率則為P=2%”；講解“各類庫容與洪水位的對應關系”時，可結合三峽工程圖片來講解“總庫容、興利庫容、防洪庫容”與各級水位之間的關系。

（二）教材的同一性

工程水文學作為水利水電工程專業(yè)及橋涵專業(yè)的必修課，涉及的內(nèi)容多且繁雜。目前，為了實現(xiàn)大土木專業(yè)的寬泛性和拓展性，土木工程專業(yè)的課程培養(yǎng)方案中增加了工程水文學課程，但未及時出版針對土木工程專業(yè)特點的《工程水文學》相關教材，培養(yǎng)方案、教學大綱也與水利工程專業(yè)及橋涵專業(yè)大同小異，教學的內(nèi)容、難點及重點也基本一致，同一化趨勢明顯。

（三）教學方案的單一化

目前，各專業(yè)課程的授課學時不斷縮減，在縮減的課時內(nèi)講解與以往相同的知識點，教學難度增大，學生處于被動接受狀態(tài)，依賴性較強，缺乏思考，也沒有足夠的時間去思考。 工程水文學是一門實踐性很強的課程，水利專業(yè)的實驗課學時約為理論課學時的1/3，11次作業(yè)，多次課堂討論。而對于土木工程專業(yè)的學生，教學大綱中未考慮實驗課，即使教師在課堂上有實驗案例的講解，也只是紙上談兵，無法培養(yǎng)學生的動手能力。

（四）學習方法不當

按照慣例，學生一般采用傳統(tǒng)方法根據(jù)既定的、已知的條件來求解相應的水文學問題。根據(jù)水利工程專業(yè)及橋涵專業(yè)的水文學教學情況可知，學習該課程需要學生有很強的工程背景及工程經(jīng)驗，大多數(shù)的公式及方法均是半理論半經(jīng)驗的推導，因此課程的系統(tǒng)性、理論性、邏輯性及嚴密性相對于一般的專業(yè)基礎課程要差。土木工程專業(yè)的學生前期一般未接觸水利、水力等專業(yè)課程，且由于當前培養(yǎng)方案設計中缺少相關的實踐環(huán)節(jié)，學生對水文學相關的實際工程了解甚少，很難把握課程的學習節(jié)奏，也難以找到適合自己的學習方法。大多數(shù)學生認為學習難度大、枯燥、無用，課堂教學死氣沉沉，無法形成正常的教學互動，一定程度上影響了教學效果。因此，教師應因材施教，不僅要在課程上講解水文學的理論知識，還應結合相應的工程背景、通俗易懂且形象生動的工程案例來調(diào)動學生學習的積極性，并在教學過程中通過圖表法、流程圖法、程序設計、動畫視頻等方式提高學生的理解力及能動性。

二、課程新教學模式初探

工程水文學課程的主要任務是使學生掌握水文學的基本概念、基本理論和相應的水文學計算方法，具備分析和解決實際工程中相關水文學問題的能力。該課程純理論分析較多，但大多基于經(jīng)驗，如流域產(chǎn)匯流計算中包含了產(chǎn)流和匯流計算，涉及降雨、蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)匯流等基本概念、原理和變化規(guī)律，又十分強調(diào)應用方法的掌握，如產(chǎn)流計算的降雨徑流相關圖法、流域蓄水容量曲線法和初損后損法等，匯流計算的時段單位線法和瞬時單位線法等。

課時的大幅度縮減導致某些教學內(nèi)容一帶而過，課程教學的難點、重點不突出，前后章節(jié)內(nèi)容之間聯(lián)系不緊密，學生很難把握該課程學習的主線和重點。另外，教師教學中為了保證基本知識點的連貫性，人為增加了一些內(nèi)容來加強前后章節(jié)之間的聯(lián)系，最終適得其反，增大了學生對該課程的理解難度及學習負擔。

因此，針對工程水文學課程教學中存在的問題，結合課程的特征及土木工程專業(yè)學生的特點，組織學生查閱涉及水文學問題的相關文獻及工程案例，通過分組課堂討論、視頻演示的方式激勵學生，提高學習的主動性，讓學生真正看到專業(yè)的發(fā)展前景，感受到課程與專業(yè)的相關性以及在實踐中的重要地位。

（一）多媒體與傳統(tǒng)教學方式相結合

工程水文學課程內(nèi)容由于包含了較多的抽象概念、時空概念和動態(tài)演化過程，教學相對其他專業(yè)基礎課程難度大。僅僅依靠傳統(tǒng)的板書教學很難清晰地展示上述概念及動態(tài)演化過程，日益成熟的多媒體為該課程的教學提供了重要的教學手段，可實現(xiàn)抽象概念直觀化、時空概念明確化以及動態(tài)演化過程透明化，課堂教學效果顯著增強。

因此，為了充分展示多媒體教學的優(yōu)越性，教師需不斷提高運用教學軟件制作課件的能力，將傳統(tǒng)教學無法表達的課程內(nèi)容生動形象展現(xiàn)出來，以吸引學生的注意力，提高課堂教學的質(zhì)量。如：講解產(chǎn)匯流計算中的“降雨徑流形成過程”，設計三維動畫來模擬蒸發(fā)、水汽輸送、降雨、下滲、地面徑流及地下徑流形成的整個過程，以幫助學生形成直觀感受，提高學習興趣，實現(xiàn)課堂教學的良性互動。在此基礎上，教師通過對徑流形成過程進一步講解，并請學生就視頻演示及理論進行討論，強化學生對該問題的理解和熟知程度。相對于傳統(tǒng)教學模式，該方法能更為生動地展示水文學中的抽象概念及各類時空動態(tài)演化過程，學生學習效率提高，課堂教學效果明顯增強，達到了事半功倍的效果。

對于一些復雜的需要演算、推導的基本理論和計算公式，仍然需要考慮傳統(tǒng)教學模式。如：新安江模型的講解，由于涉及公式多，推導過程繁瑣且長，若一味地用多媒體演示，會出現(xiàn)整篇公式的情況，學生看得眼花繚亂，難以搞清推導過程。因此，可采用板書的形式帶著學生一步步推導，這樣教學節(jié)奏相對較慢、條理性更強，學生有足夠的理解和消化時間，對知識點的掌握也更扎實。

（二）教學方案多樣化

教師使用多媒體軟件進行教學時，在課件準備中需要查閱大量的文獻資料，并整理糅合相關信息，然后根據(jù)學生的特點進行內(nèi)容整合，使得理論、試驗及工程案例有機組合，形成適用于土木工程專業(yè)的、不局限于現(xiàn)有教材的、針對性強的多源信息重組教案。

由于工程水文學涉及大量計算，手算時間長且易出錯，可引入數(shù)學處理軟件如Excel、Matlab等處理計算過程并形成相應的過程圖形。新的數(shù)據(jù)處理方法不僅鞏固了課堂教學內(nèi)容，帶動了學生自主學習，拓展了學生的知識面，讓學生認識到各類方法的后續(xù)有利效應及開放性，增強了學生有效掌握該課程內(nèi)容的信心。如“適線法”：主要用于推求指定頻率的設計年徑流量或指定頻率的設計時段徑流量，適線時需要考慮全部的經(jīng)驗點數(shù)據(jù)，計算過程中要求學生能將理論與實踐有機結合，其操作性非常強。講解過程中，首先讓學生了解“適線法”的基本原理、適線時的數(shù)據(jù)選擇要點：當曲線與數(shù)據(jù)點擬合不佳，應側重考慮中下部的數(shù)據(jù)點，且適當考慮上部的數(shù)據(jù)點、CsCV的合理取值以及計算結果的合理性驗證方法等；然后，應基于Excel、Matlab軟件對“適線法”進行詳細講解，讓學生盡快認識和熟悉頻率格紙、適線法的制作及運用，為后續(xù)設計洪水的推求過程打下基礎?？赏ㄟ^以下幾種方案來增強教學過程的適用性。

（1）Excel表法。通過Excel表格統(tǒng)計各類水文要素的變化：三個統(tǒng)計參數(shù)，相關分析，頻率，單位線法來推求設計洪水過程線，分析法求時段單位線等，以上均可采用Excel表格來計算。

如下為“設計凈雨推求設計洪水”的過程，引入Excel列表，如圖1所示。某流域已知地面凈雨深（B列）、單位線流量（C列）及地下徑流（H列），根據(jù)計算公式得到不同時刻的地面徑流為單位線流量*地面凈雨深*0.1，運用Excel 單元格功能將各段凈雨的地面徑流過程求解，即可得到地面凈雨4 mm、10 mm及30 mm產(chǎn)生的地面徑流，分別列于圖1中的D列、E列及F列。匯總各時段凈雨的地面徑流過程即可求出總地面徑流過程，運用Excel函數(shù)SUM求出各時刻的地面徑流G列，得到總地面徑流過程?？偟孛鎻搅骷由系叵聫搅鞯贸龈鲿r刻的設計洪水H列，即可求出設計洪水過程。

（2）圖解法。如“適線法”采用手動配線時，首先將理論頻率線與經(jīng)驗頻率線均標示于頻率格紙上，若理論曲線與點據(jù)擬合不好，則根據(jù)配線原則調(diào)整理論曲線的參數(shù)，兩者的相關性達到最大即可；采用圖解法分析“超滲產(chǎn)流”時，首先要獲得累積雨量過程線及下滲能力曲線，在此基礎上作圖求解；超滲產(chǎn)流的初損后損法包含初損和后損兩個階段，初損值的確定可以根據(jù)流域的大小由實測資料分析，建立初損值與流域起始蓄水量、初損期的平均雨強間的關系圖；后損是初損的延續(xù)，由于與初損量關系密切，需建立后損率與初損量及初期平均降雨強度之間的關系圖，然后求得后損率。降雨過程的徑流過程流程如圖2所示，由暴雨資料推求設計洪水的計算過程如圖3所示。

（3）工程實例法?！坝杀┯曩Y料推求設計洪水”的工程背景很強，對土木工程專業(yè)的學生而言，學習難度較大，為了提高教學效果，采用由簡入繁的教學方法，特別是選用合適的實際工程案例，有針對性地講解由暴雨資料推求洪水位的過程。推求方法及演示完畢后，可安排學生推求某已知實際工程暴雨資料的設計洪水，按照暴雨資料分析→產(chǎn)流計算→設計凈雨→流域的產(chǎn)匯流計算→設計洪水分析的步驟逐步完成設計洪水的演化計算。

（三）寓教于學的互動教學

工程水文學是一門理論與實踐相結合的課程，對前修課程未涉及水力學的土木工程專業(yè)的學生而言，學習過程中容易厭學，積極性不高。因此，教學中應充分考慮教學內(nèi)容、培養(yǎng)目標與學生自主學習之間的關系，使得學生在教師教授的方法、軟件的運用中獲取自主學習的能力，充分發(fā)揮每個學生舉一反三的能力和創(chuàng)造性。另外，教學中還可以根據(jù)教學要求對學生進行分組，制定相應的任務書，并要求分組學生在課后通過多媒體事先熟悉教學內(nèi)容和教學要求，下次課堂教學中分組互動探討任務書的指定內(nèi)容，各組學生的集思廣益將使得課程氣氛越發(fā)活躍，實現(xiàn)了教師“教”與學生“學”的雙向互動，教學效果顯著，學生學習興趣濃厚。

目前，網(wǎng)絡教學已成為當前高校教學的一項重要手段，可實現(xiàn)教師與學生實時互動交流答疑，教師可隨時掌握學生的學習動向及疑難問題，可在后續(xù)教學中針對性地解答或調(diào)整課程的教學安排，使得學生對知識的掌握更為全面。

因此，在保證完成教學大綱要求的前提下，適當增加體現(xiàn)水文學研究現(xiàn)狀、最新研究成果及工程應用概況的內(nèi)容，以反映該學科的前沿動態(tài)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。由于該課程教學實踐環(huán)節(jié)的缺乏，可要求學生課后針對性地閱讀或調(diào)研，自行查閱與工程水文學相關的最新研究進展（理論、試驗及工程應用等）。與此同時，鼓勵學生對調(diào)研獲得的資料信息進行交流討論，更進一步了解該課程的理論、技術及最新成果。一般而言，工程類教師大多有相應的工程研究項目，可邀請部分學生參與到科研項目中來，按照甲方的要求完成項目研究任務。該方法可稱為科研型教學法，是非常適合不同層次學生的教學方法。鼓勵學生創(chuàng)新，將已有的新理論、新思想引入到學生熟悉的領域中，鼓勵學生自主創(chuàng)新，而不被教科書或別人的觀點所束縛，是課程學習的關鍵。

（四）啟發(fā)式與反饋式教學

課程教學均是基于教學大綱，教師教授新課前要明確下次課的教學內(nèi)容、教學重點及教學難點，鼓勵學生根據(jù)教師的提綱形成自己的看法和見解，根據(jù)教學需要適時設置提問，啟發(fā)學生積極思考，引導學生建立詳細的思維導圖，讓學生明確每項內(nèi)容需要講解的內(nèi)容、需要解決的問題以及解決問題的方法，使學生對新課的教授內(nèi)容更有條理性。

顯而易見，在啟發(fā)式教學中教師只起到引導作用。如產(chǎn)流機制的學習，課堂上可以通過問題的設置來展開，如“降雨為何有時能使河水位上漲，有時河水位卻保持不變”。對此，需要從降雨入滲過程開始講解，引入雨水損失、截留、填洼及蒸發(fā)概念，特別是采用圖形的方式分析降雨入滲機理，強調(diào)入滲到地面的雨水會由于基質(zhì)（包氣帶）對水分進行分配；基質(zhì)（包氣帶）的飽和程度對水分分配產(chǎn)生較大的影響，需著重了解基質(zhì)的物理特征即結構、含水率（飽和狀態(tài)或水分動態(tài)）對雨水的再分配原理；重分配過程中由于包氣帶的賦存狀態(tài)導致不同類型徑流的產(chǎn)生，哪些情況會產(chǎn)生不同形式的徑流呢？最終徑流的分流使得河水位變化不同表現(xiàn)為不同的形式。接下來講解產(chǎn)流的基本條件，這就是典型的啟發(fā)式教學，通過思維導圖的方式逐漸剖析知識點要點，提高學生學習的興趣和自主性。

另外，每次授課都需要基于已有的基礎知識，引導學生積極思考，加深對課程內(nèi)容的理解，以此引出本次教學的重點及難點。通過學生自主思考，充分活躍學生的思維，在新問題的不斷提出與解決過程中啟發(fā)學生接受新的知識點，增強學生的求知欲，讓學生覺得學習該課程是有用的。

每次課結束前，需要對當堂教學內(nèi)容進行精煉總結，讓學生對零散信息進行融會貫通，形成整體性知識點，這也是對主要內(nèi)容的再一次提煉；也可基于圖表、框圖的思維導圖方式引導學生對課堂內(nèi)容進行總結。思維導圖是一種簡單卻又極其有效的思維工具，即以某關鍵詞為中心以輻射線的形式連接課堂講解的關鍵內(nèi)容，層層相套，呈現(xiàn)一種放射性的立體結構，形成學生個人記憶的數(shù)據(jù)庫，這是知識點從平面到立體的形成過程，也是一種精煉且形象直觀的課程教學總結方式，使得零散知識點更有層次感及邏輯性，學生印象更深刻。

三、結語

根據(jù)工程水文學的課程特點，傳統(tǒng)教學方式與多媒體、網(wǎng)絡課程等方式的有機結合是當前最主要的教學模式。由于土木工程專業(yè)前期相關理論基礎知識不足，需針對性地進行教學，在教學模式、教學方法、教學方案等不斷改進的過程中降低課程的難度系數(shù)，增強學生學習的信心及興趣，通過自主學習和啟發(fā)式學習來提高學習效率，使得土木工程專業(yè)的學生能更深層次地掌握和運用工程水文學相關理論及方法。因此，在工程水文學的教學中，還需結合土木工程專業(yè)的實際需求進一步完善。

（一）教學方法的優(yōu)化

對計算較多的部分可采用算例演示的方式加深印象，并鼓勵學生提出問題，達到啟發(fā)學生思維和培養(yǎng)學生解決問題的能力。課堂中可增加實踐環(huán)節(jié)，計算部分可設計1～2個小課題，鼓勵學生運用講授的理論方法及數(shù)學軟件來實現(xiàn)。因此，優(yōu)化的教學方法可引導學生自主學習，激發(fā)學習動機，形成良好的學習習慣。

（二）教學手段的多樣化

不局限于課堂的多媒體教學，可通過教學視頻、國內(nèi)精品課程、網(wǎng)絡課程、國外大學的課程網(wǎng)站、英文網(wǎng)站中的資料介紹等多項輔助教學材料?？梢?，結合課堂理論教學、科研式教學與輔助教學為主的教學模式，教學內(nèi)容更為生動，教學手段更加靈活多變，學生也能通過多渠道認識和了解該課程的應用及發(fā)展前景，加深課程內(nèi)容的理解。以上方式充分調(diào)動了學生的視聽、聯(lián)想思維能力及創(chuàng)新能力，并將該課程中學習的軟件、方法拓展至其他課程的學習，進一步增強了學生學習該課程的興趣，也讓學生認識到知識的學習過程是可以多形式和多渠道的，最終形成挖掘式的學習模式，讓課程學習變得更有意義。

參考文獻：

[1]彭遠新.研究型教學在大學教學中的應用探析——以水文學為例[J]. 科技信息：學術研究， 2007 （7）：17-18.

[2]林亦平. 對研究型教學模式在工科院校創(chuàng)新意識培養(yǎng)中的理論與實驗的認識[J].當代教育論壇， 2007（1）：109-110.

[3]克尤木·別克.工程水文學教學過程的探討[J]. 教改探索，2007 （1）：32-33.

[4]向友珍.工程水文與水利計算課程教學方法改革探索[J]. 高等教育研究， 2005 （3）：37-38.

[5]仇錦先，陳平.“ 框圖”教學模式在“工程水文學”教學中的應用[J]. 中國電力教育， 2009（4）：54-55.

[6]徐冬梅. 工程水文學課程教學改革探討[J]. 教改探索， 2010（1）： 114-116.