“水文預(yù)報(bào)”課程互動(dòng)式教學(xué)方法研究

馮仲愷，牛文靜，王金文，孫懷衛(wèi)

1.華中科技大學(xué) 水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.長江水利委員會(huì) 水文局，湖北 武漢 430010

關(guān)鍵字：水文預(yù)報(bào)；教學(xué)方法；課堂互動(dòng)；綜合素質(zhì)

水文預(yù)報(bào)需要綜合運(yùn)用水文學(xué)、水力學(xué)、氣象學(xué)等多學(xué)科交叉理論方法，深入研究目標(biāo)區(qū)域水文情勢的基本特征情況、時(shí)空分布規(guī)律與未來演化特性，著力構(gòu)建適用的水文模型或預(yù)報(bào)方法，根據(jù)歷史或?qū)崟r(shí)信息對水文要素(如水位、流量、洪水過程)的可能變化過程做出定量或定性的預(yù)報(bào)，從而為決策者科學(xué)制訂合理可行的調(diào)度方案提供精確的系統(tǒng)輸入信息[1-2]。經(jīng)過幾十年的持續(xù)滾動(dòng)建設(shè)，我國在不同地區(qū)(如區(qū)域、省市、流域)、不同水體(如河流、湖泊、海洋)和不同斷面基本建成了涵蓋洪水預(yù)報(bào)、冰情預(yù)報(bào)、水量預(yù)報(bào)、水質(zhì)預(yù)報(bào)在內(nèi)的立體化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系，使得水文預(yù)報(bào)在防汛抗旱、水污染治理、水資源配置、水電能源開發(fā)、氣候變化評估等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

作為水文學(xué)及水資源、水利水電工程等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科的核心課程[3]，“水文預(yù)報(bào)”課程具有經(jīng)驗(yàn)性概念較多、理論公式推導(dǎo)復(fù)雜、模型選取與構(gòu)建困難等鮮明特征，使得初學(xué)者很難快速掌握核心知識點(diǎn)、形成相對完備的理論體系。然而，傳統(tǒng)的集中式教學(xué)方法往往過于注重授課內(nèi)容的完整性與系統(tǒng)性，未能充分考慮不同學(xué)生的基礎(chǔ)差異與個(gè)人愛好[4-5]，在一定程度上忽視了專業(yè)知識與工程需求的有機(jī)協(xié)同，既降低了學(xué)生的課堂聽課興趣與主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情，又使得學(xué)生難以充分理解所學(xué)知識的實(shí)際用途，導(dǎo)致學(xué)生存在理論基礎(chǔ)差、實(shí)踐能力弱等問題，影響了我國水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域的人才隊(duì)伍建設(shè)，亟待探索和發(fā)展更為科學(xué)有效的“水文預(yù)報(bào)”課程教學(xué)方法。為此，本文立足金沙江、烏江、紅水河、瀾滄江等特大流域?qū)嶋H需求，結(jié)合一線預(yù)報(bào)人員工程經(jīng)驗(yàn)與資深教師授課心得，詳細(xì)總結(jié)了“水文預(yù)報(bào)”課程特點(diǎn)與授課過程存在的問題，在此基礎(chǔ)上針對性地提出了“水文預(yù)報(bào)”課程互動(dòng)式教學(xué)方法，試圖引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)學(xué)習(xí)，由單純理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向理論—實(shí)踐有機(jī)聯(lián)動(dòng)，以期為我國水文預(yù)報(bào)人才培養(yǎng)提供一種行之有效的實(shí)用方法。

一、 “水文預(yù)報(bào)”課程特點(diǎn)

1. 經(jīng)驗(yàn)性概念與方法較多

流域水文過程受到多種物質(zhì)流、信息流與能量流的綜合影響，屬于一類具有高度非線性、隨機(jī)性與不確定性的強(qiáng)耦合復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)。目前尚無通用的理論模型能夠精確刻畫不同流域水文過程的時(shí)空演化規(guī)律。因此，在長期探索過程中，水文工作者結(jié)合自身對水文預(yù)報(bào)工作內(nèi)容的思考與體會(huì)，先后提出了符合不同流域水文特性的經(jīng)驗(yàn)性概念與方法，如降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法、相應(yīng)水位(流量)法等。這些方法在實(shí)際工作中通?？梢匀〉幂^好的效果，但在表現(xiàn)形式、參數(shù)數(shù)目、應(yīng)用場景等方面往往存在較大差異，需要學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中認(rèn)真聽講并及時(shí)復(fù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，才能對相關(guān)知識點(diǎn)有著較為清晰的認(rèn)識。

2. 理論推導(dǎo)與數(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜

一方面，“水文預(yù)報(bào)”課程在不同章節(jié)均會(huì)涉及諸多復(fù)雜的理論推導(dǎo)，如產(chǎn)流中的水源結(jié)構(gòu)劃分、霍頓下滲曲線，匯流中的地貌瞬時(shí)單位線、等流時(shí)線，以及河道流量演算中的圣維南方程、馬斯京根矩陣解法；另一方面，不同章節(jié)還會(huì)涉及大量的數(shù)據(jù)處理工作，概念性水文預(yù)報(bào)模型參數(shù)優(yōu)選便是其中的典型代表，而且模型參數(shù)的通用性欠佳。例如，由日尺度水文數(shù)據(jù)優(yōu)選的新安江模型參數(shù)不能直接應(yīng)用于場次洪水，需要根據(jù)計(jì)算時(shí)段做一定的轉(zhuǎn)換處理。綜上，“水文預(yù)報(bào)”課程相關(guān)理論推導(dǎo)與數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，要求初學(xué)者具有較強(qiáng)的知識儲(chǔ)備與數(shù)據(jù)敏感性，這在很大程度上加大了學(xué)習(xí)難度。

3. 模型選取與構(gòu)建較為困難

水文預(yù)報(bào)可按照預(yù)見期差異大致分為超長期預(yù)報(bào)(一年以上)、長期預(yù)報(bào)(一年以內(nèi))、中期預(yù)報(bào)(2～5天以上、10～15天以內(nèi))、短期預(yù)報(bào)(數(shù)小時(shí)至數(shù)天)與實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)(分鐘級別)，而不同預(yù)見期下水文預(yù)報(bào)模型所涉及的物理機(jī)制與構(gòu)建過程較為復(fù)雜。例如，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型在中長期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用較為廣泛，此類模型的難點(diǎn)在于因子辨識、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)選等方面。而具有較強(qiáng)物理含義的概念性水文模型在短期與實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中應(yīng)用較多，其中新安江模型適用于濕潤、半濕潤地區(qū)，而陜北模型在干旱、半干旱地區(qū)的性能更為優(yōu)越，此類模型的難點(diǎn)在于參數(shù)優(yōu)選、模型結(jié)構(gòu)、邏輯流程等方面。因此，需要學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)并仔細(xì)體會(huì)課程內(nèi)容，才有可能全面深入掌握各類預(yù)報(bào)模型的要點(diǎn)與難點(diǎn)。

二、 課程教學(xué)過程中存在的問題

前已述及，“水文預(yù)報(bào)”課程本身具有抽象概念較多、理論推導(dǎo)與模型構(gòu)建相對復(fù)雜等特點(diǎn)，再加之客觀存在的實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱與學(xué)習(xí)壓力繁重等局限，導(dǎo)致課程教學(xué)過程中面臨以下問題。

1. 課程內(nèi)容相對枯燥，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

“水文預(yù)報(bào)”課程內(nèi)容相對枯燥，不少章節(jié)都會(huì)涉及數(shù)目眾多、形式復(fù)雜的抽象概念、公式推導(dǎo)與經(jīng)驗(yàn)性圖表，不可避免地增大了課程學(xué)習(xí)難度。在這種情況下，一方面要求學(xué)生具有較好的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、物理學(xué)等多學(xué)科知識儲(chǔ)備；另一方面也需要學(xué)生課前自主預(yù)習(xí)基礎(chǔ)知識、課上緊跟授課思路、課后及時(shí)復(fù)習(xí)重難點(diǎn)內(nèi)容，否則一旦出現(xiàn)信息中斷，就很難跟上課堂后續(xù)進(jìn)度，掌握和理解關(guān)鍵知識點(diǎn)更是困難。

2. 實(shí)踐環(huán)節(jié)稍顯薄弱，阻礙學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)

作為“水文預(yù)報(bào)”課程內(nèi)容的重要環(huán)節(jié)，工程實(shí)踐能夠有效促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)知識的融會(huì)貫通、增強(qiáng)學(xué)生的工程應(yīng)用意識與動(dòng)手實(shí)踐能力。然而，在實(shí)際教學(xué)工作中，由于缺乏先進(jìn)的工程實(shí)踐與生產(chǎn)任務(wù)鍛煉，學(xué)生未能系統(tǒng)性地思考“水文預(yù)報(bào)”課程內(nèi)容整體框架和工程應(yīng)用情景，在很大程度上降低了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，使得學(xué)生難以科學(xué)處理實(shí)際工程問題，進(jìn)而會(huì)對學(xué)生在行業(yè)的順利發(fā)展造成不利影響。

3. 課程學(xué)習(xí)時(shí)間受限，影響了學(xué)生個(gè)性拓展和主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣

除“水文預(yù)報(bào)”課程外，學(xué)生還需在有限時(shí)間內(nèi)同時(shí)學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程(如水電站、水電能源經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、水文學(xué)原理)，學(xué)業(yè)任務(wù)相對繁重，在很大程度上擠占了“水文預(yù)報(bào)”課時(shí)。再加之枯燥的課程內(nèi)容、乏味的授課模式和多樣的外部誘惑，極易導(dǎo)致自制力較差的學(xué)生失去主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，在課堂上開始隨波逐流、不思進(jìn)取，希冀通過考前突擊來完成學(xué)業(yè)。而這種不良風(fēng)氣會(huì)快速在課堂上蔓延開來，嚴(yán)重影響班級的整體學(xué)習(xí)氛圍，需要在授課過程中密切關(guān)注此類問題。

三、 互動(dòng)式教學(xué)方法

針對授課過程中存在的問題，本文緊密圍繞“水文預(yù)報(bào)”課程特點(diǎn)，從教學(xué)手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)、興趣引導(dǎo)等方面出發(fā)，提出了“水文預(yù)報(bào)”課程互動(dòng)式教學(xué)方法，切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力，力求為我國水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域培養(yǎng)更為優(yōu)越的專業(yè)人才。

1. 實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容科學(xué)組織與教學(xué)方式趣味化

首先將課程內(nèi)容總體劃分為產(chǎn)流、匯流、河道演算、流域水文模型與預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)(如枯季徑流預(yù)報(bào)、水庫水文預(yù)報(bào))等幾大環(huán)節(jié)。在授課過程中盡可能采用圖片、動(dòng)畫、視頻等現(xiàn)代教學(xué)方法來形象生動(dòng)地展示核心內(nèi)容，同時(shí)注重與課程內(nèi)外相關(guān)內(nèi)容的互相對照。例如，線性水庫分別在地下徑流匯流、新安江模型地表徑流匯流等多個(gè)章節(jié)出現(xiàn)，馬斯京根法演算公式可視為特殊的加權(quán)平均法(三個(gè)參數(shù)視為非負(fù)的權(quán)重系數(shù))，河道相應(yīng)水位預(yù)報(bào)曲線圖與枯水區(qū)域預(yù)報(bào)曲線有共通之處，水文模型參數(shù)率定方法可類比為最優(yōu)化理論中的迭代算法，實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)偏差修正與統(tǒng)計(jì)學(xué)中的多元線性回歸法密切相關(guān)。此外，還需要與學(xué)生及時(shí)溝通，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況來動(dòng)態(tài)調(diào)整課程內(nèi)容和授課方法。綜上，多元化的課堂內(nèi)容和趣味化的教學(xué)方式可以增強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解程度，提高理論水平。

2. 加強(qiáng)立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐環(huán)節(jié)

水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)可大致分為物理試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)兩大類：安排模型搭建、實(shí)地走訪、視頻學(xué)習(xí)等環(huán)節(jié)，注重啟發(fā)式培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，加強(qiáng)學(xué)生對降雨—徑流物理形成機(jī)制的理解。而后將班級同學(xué)分為若干興趣小組，分別研發(fā)不同水文模型(如新安江模型、水箱模型)，提高學(xué)生的自學(xué)能力。利用物理模型與數(shù)值模型來交叉驗(yàn)證目標(biāo)流域的氣象水文特性，協(xié)助學(xué)生理解水文動(dòng)力過程的復(fù)雜性。此外，鼓勵(lì)學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來增加鍛煉機(jī)會(huì)，努力為學(xué)生提供機(jī)會(huì)到水電站、水文局等單位進(jìn)行實(shí)踐，聆聽一線工程人員對水文預(yù)報(bào)的工作心得，通過生產(chǎn)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)來加深對水文預(yù)報(bào)專業(yè)問題的理解程度。同時(shí)還邀請國內(nèi)外資深專家、知名學(xué)者為學(xué)生介紹最新研究進(jìn)展，提高學(xué)生的學(xué)術(shù)敏感性與探索熱情。綜上，啟發(fā)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與立體化的工程實(shí)踐可以切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、提高解決問題能力。

3. 注重培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣與積極性

一方面，根據(jù)課程進(jìn)度適時(shí)設(shè)置階段性目標(biāo)，將內(nèi)容繁多的課程內(nèi)容分解為若干相對簡單的微課程，并通過網(wǎng)站、討論組等形式在線指導(dǎo)學(xué)生快速完成相關(guān)任務(wù)，通過提高學(xué)生的成就感來增強(qiáng)其學(xué)習(xí)熱情與動(dòng)力。另一方面，在授課過程中注重采用互動(dòng)式教學(xué)手段，在講授相關(guān)模型與原理之前，拋出匹配的實(shí)際問題供學(xué)生思考，并對學(xué)生的答案進(jìn)行客觀公正的點(diǎn)評，通過師生共同探討總結(jié)歸納出相應(yīng)的不足與缺陷，從而科學(xué)引導(dǎo)學(xué)生理解課程難點(diǎn)、消化吸收核心知識點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)學(xué)生總體水平與學(xué)習(xí)能力差異，個(gè)性化地布置難度適宜的研究課題，引導(dǎo)學(xué)生課后自行查閱文獻(xiàn)資料來獲得答案，從而幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)技巧與能力。例如，在研發(fā)新安江模型時(shí)，可首先給定模型參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生分階段地研發(fā)蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、分水源計(jì)算、匯流計(jì)算等四大業(yè)務(wù)模塊來熟悉模型構(gòu)建流程，而后再嘗試編制單純形法、遺傳算法、粒子群算法等方法來優(yōu)選模型參數(shù)。綜上，通過巧妙采用任務(wù)分解與互動(dòng)式教學(xué)方法，能夠有效增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性。

四、 結(jié)論

準(zhǔn)確的徑流預(yù)報(bào)信息對提高水資源與水能資源整體利用效率至關(guān)重要。我國近年來規(guī)劃興建了以南水北調(diào)、引江濟(jì)漢為代表的大型調(diào)水工程和以烏江、金沙江為代表的水電能源基地，因而在未來很長時(shí)間內(nèi)都會(huì)對水文預(yù)報(bào)專業(yè)人才有著巨大的需求。為此，本文結(jié)合筆者在本科教學(xué)與研究生培養(yǎng)過程中的心得體會(huì)，系統(tǒng)總結(jié)了“水文預(yù)報(bào)”課程特點(diǎn)以及授課過程中存在的課程內(nèi)容枯燥、實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱、學(xué)習(xí)興趣較低等客觀問題，提出了趣味化教學(xué)方式、啟發(fā)式實(shí)踐環(huán)節(jié)和培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣等有利措施，著力發(fā)展形成一種提高水文預(yù)報(bào)課程教學(xué)質(zhì)量的互動(dòng)式教學(xué)方法，為我國培養(yǎng)更多具有深厚理論功底與較強(qiáng)動(dòng)手能力的水文預(yù)報(bào)專業(yè)人才。