“水文測驗”課程建設(shè)存在的問題及應(yīng)對

魏玲娜　寧瑋　葛慧

摘 要：水文氣象作為水文學(xué)和氣象學(xué)交叉衍生出來的新興學(xué)科，主要研究地球上水圈與大氣圈層面上的水的運(yùn)動與變化規(guī)律。由于臺風(fēng)、洪澇、干旱、山洪泥石流等極端水文氣象事件頻繁發(fā)生，水文氣象學(xué)專業(yè)順應(yīng)當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求及學(xué)科發(fā)展需要產(chǎn)生。大氣科學(xué)（水文氣象方向）專業(yè)是水文氣象學(xué)科發(fā)展的初步探索，是在大氣科學(xué)大類學(xué)科中設(shè)立的一個新的方向性的本科專業(yè)。本文介紹了該專業(yè)“水文測驗”理論與實踐課程建設(shè)情況，總結(jié)了當(dāng)前課程建設(shè)中存在的問題，借鑒了國內(nèi)外高校水文測驗類課程教學(xué)模式和教學(xué)手段，初步探索了“水文測驗”課程教學(xué)改革的方向。通過實踐與探索，以期不斷提高教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的水文氣象復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞：水文測驗；水文氣象；課程建設(shè)

作者簡介：魏玲娜，博士，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與環(huán)境氣象國家級實驗教學(xué)示范中心講師，研究方向為水文氣象、水循環(huán)模擬（江蘇 南京 210044）；寧瑋，撫州市水文局廖家灣水文站（江西 撫州 344000）；葛慧，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與環(huán)境氣象國家級實驗教學(xué)示范中心。（江蘇 南京 210044）

基金項目：本文系南京信息工程大學(xué)2017年度地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)課程建設(shè)項目（編號：XNFZ2017）和淮河流域氣象開放研究基金（編號：HRM201304）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）32-0049-03

一、“水文測驗”課程建設(shè)的背景

水文氣象作為水文學(xué)和氣象學(xué)交叉衍生出來的新興學(xué)科，主要研究地球上水圈與大氣圈層面上的水的運(yùn)動與變化規(guī)律。由于臺風(fēng)、洪澇、干旱、山洪泥石流等極端水文氣象事件頻繁發(fā)生，水文氣象學(xué)專業(yè)順應(yīng)當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求及學(xué)科發(fā)展需要產(chǎn)生。早在20世紀(jì)30年代，美國天氣局成立水文氣象處，為設(shè)計防洪建筑，從氣象資料推算可能最大降水和可能最大洪水，最早的水文和氣象相結(jié)合由此開始。[1]隨著氣象雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等探測技術(shù)的發(fā)展，降水監(jiān)測水平不斷提高，為降水短時預(yù)報與洪水預(yù)報的結(jié)合創(chuàng)造了條件，使水文氣象學(xué)得到了新的發(fā)展。[2]2002年10月，英國水文學(xué)會和皇家氣象學(xué)會聯(lián)合會議上對水文氣象學(xué)發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)，提出了：①集合預(yù)報有助于解決天氣預(yù)報困難的問題，降尺度預(yù)測有助于解決降水預(yù)報中的特定問題；②研究洪水的水文工作者參與降水預(yù)報有利于解決氣象預(yù)報中無洪水預(yù)警的問題，可更好地進(jìn)行事后分析；③洪水模擬的發(fā)展需要不斷完善的空間降水?dāng)?shù)據(jù)，概率模型是未來水文氣象的發(fā)展方向；④研究“陸地—大氣交互作用”的新技術(shù)與遙感水文學(xué)發(fā)展；⑤實時土壤水分識別和地表水文的發(fā)展；⑥提高模型分辨率，實現(xiàn)對降水系統(tǒng)變化速度的預(yù)測是中尺度對流系統(tǒng)數(shù)值天氣預(yù)報中降水預(yù)報的未來方向。[3]由于我國行政管理上氣象與水文分屬兩個部門，兩門學(xué)科的發(fā)展也是各自獨立的狀態(tài)，因此水文氣象這一邊緣學(xué)科發(fā)展緩慢，理論研究和應(yīng)用方面都很落后。為了緊跟國際發(fā)展前沿，順應(yīng)學(xué)科建設(shè)發(fā)展，將水文與氣象進(jìn)行交叉整合以解決當(dāng)前社會需求和學(xué)科發(fā)展，培養(yǎng)水文氣象專業(yè)人才以保障國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展和人民生命財產(chǎn)的安全是社會發(fā)展的需要。大氣科學(xué)（水文氣象方向）專業(yè)作為水文氣象專業(yè)建設(shè)的初步嘗試，2011年9月于南京信息工程大學(xué)率先成立并開始招生，截至目前共培養(yǎng)了340名本科生（包括172名已畢業(yè)的）。

為了讓學(xué)生在氣象學(xué)專業(yè)背景基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解目前與水資源密切相關(guān)的極端水文事件以及氣候等變化環(huán)境下的水文設(shè)計等實際問題，首先要求學(xué)生初步掌握水文、水資源相關(guān)概念和理論，理解水文的主要工作內(nèi)容和所采用的方法。為此，在大氣科學(xué)類課程體系下引入水文學(xué)原理以及涉及水文專業(yè)必備的“測、報、算”（水文測驗、水文預(yù)報和水文分析與水利計算）三項基本技能的相關(guān)課程。其中，水文測驗（水信息技術(shù)）作為水文學(xué)、水資源研究的基礎(chǔ)，提供了一切水文工作不可或缺的水文數(shù)據(jù)。沒有正確、及時的水信息基本數(shù)據(jù)，就不可能有正確的水情預(yù)報、水質(zhì)預(yù)報、水資源評價以及涉水工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)行管理及防汛、抗旱的科學(xué)決策。

二、“水文測驗”課程建設(shè)存在的問題

現(xiàn)有水文氣象專業(yè)“水文測驗”課程沿用了大部分水文與水資源工程專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，同樣將課程分為理論課“水文測驗學(xué)”和實踐課“水文測驗實習(xí)”。前者的目的在于使學(xué)生掌握水信息采集和水文數(shù)據(jù)處理的基本概念、基本理論、基本方法，進(jìn)行基本資料整編技能的訓(xùn)練，了解新儀器的運(yùn)用、測驗新方法等相關(guān)的學(xué)科發(fā)展方向。后者將水文測驗的理論課程付諸實際生產(chǎn)實踐，結(jié)合水文氣象專業(yè)背景，著重讓學(xué)生學(xué)習(xí)水位、流速、流量等測驗原理、方法和數(shù)據(jù)處理，通過實習(xí)讓水文氣象本科生獲得重要的專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練，涵蓋了水信息采集時野外儀器使用培訓(xùn)和實際水文數(shù)據(jù)處理兩個重要的生產(chǎn)實踐環(huán)節(jié)。但具體實施過程中還存在如下問題：

1.師資和教材資源緊缺。雖然水文氣象專門人才的培養(yǎng)在國際上已有較多高等院校和研究機(jī)構(gòu)開展，但目前國內(nèi)僅有南京信息工程大學(xué)涉及。專門開展水文測驗相關(guān)研究的人員多致力于新的測驗技術(shù)和儀器設(shè)備的開發(fā)研制，研究成果轉(zhuǎn)化為本科教學(xué)內(nèi)容需要較長一段時間的積累，而真正從事該領(lǐng)域研究又致力于本課程教學(xué)工作的一線教師儲備較少。另一方面，隨著技術(shù)水平的發(fā)展，測驗手段和方法日益先進(jìn)，水文測驗技術(shù)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)亦在不斷更新，相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容必然要進(jìn)行同步調(diào)整。例如，我國大部分河流的流量測驗大都還是采用流速儀測流等傳統(tǒng)方法，經(jīng)過多年的技術(shù)改進(jìn)和不斷的比測分析，目前已有不少水文站將ADCP作為常規(guī)的測流方法。因此，相應(yīng)的教材內(nèi)容和教學(xué)重點都要做出調(diào)整，現(xiàn)有的教材資源無法滿足實踐需要。

2.實驗教學(xué)手段落后。相比國外大學(xué)采用的多媒體、VR技術(shù)等多種手段演示實驗操作及水文軟件操作的實驗教學(xué)手段，我們的差距還很大，很多實驗還無法采用相關(guān)計算機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來模擬和演示，限于教研投入不足導(dǎo)致實驗設(shè)備方面存在儀器數(shù)量稀缺甚至過時、老化、更新停滯等問題，達(dá)不到讓學(xué)生更好地開展實踐操作的教學(xué)目的。

3.考核評價方式陳舊。理論課考核方式仍以筆試為主，占總成績的70%；平時成績根據(jù)課堂表現(xiàn)和作業(yè)、出勤情況打分，但比例較低，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。這樣的考核方式讓學(xué)生更多滿足于課堂理論學(xué)習(xí)，事實上降低了學(xué)生的綜合專業(yè)能力。實驗實習(xí)考核通常是以撰寫實驗報告的形式來考核學(xué)生的掌握情況，檢查實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。大多數(shù)學(xué)生僅僅按測驗步驟完成實習(xí)報告，不會根據(jù)測得結(jié)果再做進(jìn)一步分析研究。這種實驗考核的方式模式固定、方式單一，達(dá)不到評價學(xué)生分析、解決問題能力的目的。

三、“水文測驗”課程建設(shè)的優(yōu)化路徑

1.多元化教學(xué)模式。由于“水文測驗”具有很強(qiáng)的實踐性，傳統(tǒng)的以教師課堂講授為主的專業(yè)教學(xué)模式效果有限，為了培養(yǎng)理論水平高、動手能力強(qiáng)同時又具有自主創(chuàng)新能力的復(fù)合型水文氣象專業(yè)人才，需要在現(xiàn)有的課程體系下，結(jié)合豐富的IT技術(shù)演示、手機(jī)技術(shù)軟件操作、現(xiàn)場物理模型實驗等方式進(jìn)一步開展多元化的教學(xué)模式探索。為了加強(qiáng)對“水文測驗”相關(guān)理論知識和實驗方法的講解，可以依托互聯(lián)網(wǎng)資源收集更多關(guān)于水文科學(xué)和實驗操作的專業(yè)視頻，添加到課堂教學(xué)中，在課堂上通過概念的可視化和現(xiàn)場或?qū)嶒炇业挠涗浹菔炯由罡行哉J(rèn)識，提高教學(xué)質(zhì)量。除了視頻資源外，還可以借鑒伯明翰大學(xué)地理學(xué)院本科生水文教學(xué)的經(jīng)驗，利用已有的可提供水文氣象方面虛擬現(xiàn)實信息和實時監(jiān)控信息的手機(jī)應(yīng)用程序，[4]如氣象雷達(dá)App、meteoearth等可以實時獲得衛(wèi)星云圖，查看詳細(xì)的天氣狀況，而長江委水文監(jiān)測App可實時獲取水位、流量、降水等要素信息，讓學(xué)生探索天氣、水文數(shù)據(jù)空間和時間上的自然規(guī)律。此外，物理模型演示也是公認(rèn)的水文學(xué)教學(xué)的有效方式。[5-6]例如，在講授土壤持水能力時可以采用家用清潔海綿吸水這一簡單的模型演示，對田間持水量、凋萎系數(shù)等一些基本的概念進(jìn)行解釋說明。更復(fù)雜的模型還有瑞典烏普薩拉大學(xué)在多年的授課過程中開發(fā)出來的一套移動的物理模型，可用于解釋地表、地下水及其對土壤不飽和水含量的影響。[7]通過現(xiàn)場物理模型操作示范可以激發(fā)學(xué)生的探索精神，引導(dǎo)學(xué)生展開討論，從而加深對基礎(chǔ)理論的理解。

2.虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)。從水文測驗理論學(xué)習(xí)的角度，可以借鑒天津農(nóng)學(xué)院開發(fā)的“河道斷面流速及流量監(jiān)測虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)”，學(xué)生可以從空中俯瞰河流的全貌，在測流斷面進(jìn)行流量的測驗（包括斷面測量和流速的測量），系統(tǒng)界面中給出流量測驗的步驟操作過程、流速儀的安裝和使用過程等。斷面和流速的測量結(jié)束后，虛擬仿真系統(tǒng)提示進(jìn)行流量的計算。[8]通過這種互動和漸進(jìn)式實驗教學(xué)方法，結(jié)合工程實踐，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生能更直觀地理解教學(xué)內(nèi)容，克服理論與實踐脫節(jié)的問題，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和相互交流，給學(xué)生提供廣闊的乃至立體的學(xué)習(xí)空間，從而提高了學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)變能力。從測驗實習(xí)的角度，可以借鑒西班牙拉古納大學(xué)在土木、水文、地質(zhì)和火山科學(xué)中創(chuàng)新的教學(xué)方法。[9]考慮到目前采用的單站駐點的實習(xí)方式，針對不同的測站開展的實習(xí)內(nèi)容有所區(qū)別，實習(xí)站點普遍存在設(shè)備陳舊、測驗方法單一的問題，而且由于實習(xí)時間有限、在站培訓(xùn)內(nèi)容少，無法全面掌握綜合應(yīng)對各地或各時期不同水情的測驗技能。為了與水文氣象信息化情勢接軌，現(xiàn)有測驗實習(xí)內(nèi)容亟待更新，需要涵蓋更多新的測驗技術(shù)和方法，開發(fā)相關(guān)的虛擬仿真實驗系統(tǒng)彌補(bǔ)測站設(shè)備的不足，針對實際需求讓學(xué)生完成一些在站實驗無法完成的內(nèi)容。例如，開發(fā)虛擬仿真ADCP測流實驗過程訓(xùn)練，讓學(xué)生熟練掌握ADCP測流的方法，了解實際操作過程中的注意事項、故障排查與處理等，極大地減少了野外測流的高成本、高消耗和涉水危險的狀況。

3.讓學(xué)生動手實驗。由于一般的水文、氣象觀測和分析難以清楚地揭示其物理過程和相互關(guān)系，需要在野外或?qū)嶒炇覂?nèi)用特定的程序、裝置和設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的、有控制的觀測和試驗[9]。為此，可以開發(fā)小的動手項目，讓學(xué)生在課堂外進(jìn)行理論應(yīng)用。比如可以讓學(xué)生做簡單的滲透實驗，要求學(xué)生自己設(shè)計測量方案，動手實驗。還可以結(jié)合教師的科研專題，指導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新類實驗項目，從一開始收集資料到數(shù)據(jù)分析處理、具體的方法選用，再到后面的結(jié)果討論分析等。這一系列過程讓教學(xué)更多地連接到外面的世界，鞏固了學(xué)生的基本知識，拓寬了學(xué)生的知識面，有利于學(xué)生建立完整的知識體系，引導(dǎo)學(xué)生提出解決問題的方案或建議，提高解決問題的能力。

綜上所述，本文針對新興的水文氣象專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)，總結(jié)了“水文測驗”課程建設(shè)的經(jīng)驗，借鑒國內(nèi)外相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗，初步提出了未來教學(xué)改革的方向：綜合媒體視頻演示、手機(jī)軟件操作、現(xiàn)場物理模型演示等教學(xué)手段，采用多元化的教學(xué)模式，讓學(xué)生使用更多的開放教育資源；建設(shè)虛擬仿真實驗平臺，增加虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，讓學(xué)生熟悉測驗技術(shù)，獲得一些無法完成的野外業(yè)務(wù)工作訓(xùn)練，將教學(xué)更多地從教室連接到外面的世界；設(shè)計一些小的實驗項目或是結(jié)合科研課題或創(chuàng)新類項目，讓學(xué)生參與動手實驗，在實踐過程中鞏固所學(xué)，提升自主創(chuàng)新思維能力。要完成以上的改革探索需要更多的教育資金投入和教師團(tuán)隊建設(shè)，這對于提高實踐教學(xué)水平，培養(yǎng)具備工程實踐、團(tuán)隊合作和綜合創(chuàng)新能力的本科學(xué)生，解決氣候變化與人類活動的加劇導(dǎo)致的水資源的短缺帶來的洪澇、干旱等現(xiàn)實問題具有現(xiàn)實意義。

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責(zé)任編輯 秦俊嫄