基于科研成果的高校地貌水文學(xué)開放實驗設(shè)計分析

包光　劉娜

摘 要：以科研促教學(xué)提升本科教學(xué)質(zhì)量，在一流學(xué)科和一流專業(yè)的“雙一流”建設(shè)中發(fā)揮重要作用。本文依托獲批的國家級和省級科研項目，利用初步研究成果，結(jié)合地貌學(xué)、水文學(xué)的內(nèi)容，設(shè)計了面向地理科學(xué)大類專業(yè)學(xué)生的開放實驗。通過實驗操作，激發(fā)興趣，培養(yǎng)學(xué)生對特定地貌水文現(xiàn)象的分析理解能力，樹立科研意識，以期實現(xiàn)教科協(xié)同育人的培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：科研成果;地貌水文學(xué);開放實驗設(shè)計

中圖分類號：G64文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作為部門自然地理學(xué)的重要組成部分，《地貌學(xué)與水文學(xué)》是地理科學(xué)專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，共分為《地貌學(xué)》和《水文學(xué)》兩部分。其中，《地貌學(xué)》重點講述地球表面各種地貌的形態(tài)、演變過程、成因及空間分布規(guī)律;《水文學(xué)》重點講述地球上各種水體的水文、水循環(huán)過程以及人類活動對水循環(huán)的影響。因此，《地貌學(xué)與水文學(xué)》的是后續(xù)《綜合自然地理學(xué)》等核心課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之一，在地理科學(xué)本科生的專業(yè)知識培養(yǎng)、地學(xué)思維的建立、以及野外調(diào)研和室內(nèi)試驗技能提升發(fā)揮重要的作用。

1 開放實驗教學(xué)的現(xiàn)實意義

實踐教學(xué)是創(chuàng)造條件使學(xué)生理論聯(lián)系實際，通過動手動腦過心，不論是室內(nèi)實驗室活動，還是野外實習(xí)，都是在教學(xué)過程中培養(yǎng)并實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的目標(biāo)。課堂上教師的教學(xué)內(nèi)容通常以學(xué)科發(fā)展歷程，重要基礎(chǔ)理論和一般規(guī)律的講授為主，其主要特點是對復(fù)雜地貌學(xué)和水文學(xué)的現(xiàn)象和變化特征做抽象化、符號化的表達(dá)。但是與其他自然科學(xué)一樣，地球系統(tǒng)科學(xué)具有組成物質(zhì)的復(fù)雜性、演變特征的空間差異性、變化規(guī)律的周期性和穿時性、不同控制因子的非線性和協(xié)同性等變化屬性。因此，將系統(tǒng)化和條例化的理論知識內(nèi)化為指導(dǎo)現(xiàn)實自然地理現(xiàn)象的認(rèn)知與理解，迫切需要開展在實踐過程中的觀察、分析與驗證的實驗教學(xué)活動。目前高等本科學(xué)校傳統(tǒng)的《地貌學(xué)與水文學(xué)》實踐教學(xué)活動包括課程的實驗科目和短途的野外地貌、水文現(xiàn)象的考察和識別兩部分。其中，課程的實驗科目在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)學(xué)時有嚴(yán)格的要求，由于學(xué)校相關(guān)教學(xué)資源和條件的限制，實驗科目大多以演示性與簡單驗證性為主，涉及綜合性實驗的科目相對較少。另外，有限的實習(xí)經(jīng)費和不斷高漲的差旅費、門票費用極大地制約了短途野外地貌水文教學(xué)活動的開展。

為此，以教師主持的科研項目或課題為切入點，結(jié)合地貌水文課程的教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)面向地理科學(xué)相關(guān)專業(yè)的開放實驗課程，能夠兼顧特定科研活動的開展和學(xué)生動手能力的協(xié)同培養(yǎng)，不失為一種成本較低，且具有較高可行性的有效途徑。當(dāng)前以科研促進(jìn)教學(xué)，以高水平的科研成果提升本科教學(xué)質(zhì)量，在一流學(xué)科和一流專業(yè)的“雙一流”建設(shè)中發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。筆者以獲批的國家自然科學(xué)基金（41301101）和省級科技廳的科研專項課題（2016KJXX-41）為依托，使用立項的研究課題獲得的初步實驗成果，結(jié)合《地貌學(xué)與水文學(xué)》的研究對象與內(nèi)容，設(shè)計了面向地理科學(xué)大類專業(yè)的本科生開放實驗，旨在通過實驗室完整的科學(xué)研究范式，培養(yǎng)學(xué)生對特定地貌水文現(xiàn)象及作用過程的分析理解能力，激發(fā)學(xué)生研究興趣，初步建立開展科學(xué)研究的能力與意識。以期實現(xiàn)科研與教學(xué)相長的人才培養(yǎng)目的。

2 科研項目成果促進(jìn)實踐教學(xué)的案例分析

水文條件是地表流水地貌形成的主要驅(qū)動因子，同時水分的賦存狀態(tài)決定了土壤層中的潛水與地表水之間密切的聯(lián)系特征。植被特別是森林在水循環(huán)過程中發(fā)揮著重要的作用。本文列舉的開放實驗課程案例的探究目標(biāo)為，分析樹木徑向生長的氣候響應(yīng)特征差異與河流地貌的河岸調(diào)節(jié)作用的關(guān)系。具體流程包括以下部分：

（1）實驗數(shù)據(jù)：利用國家自然基金和省級基金課題采集到的內(nèi)蒙古呼倫貝爾沙地的天然樟子松三組樹木年輪樣芯，分別記為HLBE、NGNE和BRT02，其中HLBE組樹木生長在距離呼倫貝爾沙地內(nèi)主要河流-伊敏河下游沿岸1.5km的范圍，而NGNE和BRT02組樹木距伊敏河上游河岸30km之外的立地。選取流域內(nèi)海拉爾氣象站和阿爾山氣象站1953-2008年時段的多年逐月平均溫度和月降水量氣象數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)為伊敏河下游海拉爾水文站1956-2006年逐年徑流總量。

（2）實驗條件：Lintab6樹輪寬度測量儀、SPSS和EXCEL統(tǒng)計軟件。

（3）實驗過程：使用Lintab6測量三組樣本HLBE、NGNE和BRT02分別為40樣芯、67樣芯和35樣芯。利用專業(yè)軟件進(jìn)行年代確定和樹輪年表研制。使用相關(guān)系數(shù)方法查明樹木年輪變化與主要月份平均溫度和降水量的響應(yīng)模式。分析溫度和降水量的多年逐月的分布特征，年徑流量的多年變化趨勢與年降水量和夏季降水量的異同。

（4）實驗結(jié)果與分析：溫度和降水量的多年逐月的分布特征主要為夏季6-8月高溫與高降水量同步，表明研究區(qū)域具有典型的東亞季風(fēng)的雨熱同期的氣候。年徑流總量與同期年降水總量、夏季6-8月降水總量有一致的逐年變化趨勢，表明研究區(qū)域河流水量變化以降水補(bǔ)給為主。樹木生長響應(yīng)出現(xiàn)兩種特征，其中HLBE組與上年冬季和當(dāng)年春季降水顯著正相關(guān)、與春季4月和初夏6月溫度顯著負(fù)相關(guān);而NGNE和BRT02組與夏季降水正相關(guān)、與春季4月、夏季6-8月溫度顯著負(fù)相關(guān)。三組樹木生長響應(yīng)發(fā)生不同特征歸因于地表徑流的河岸調(diào)節(jié)，即在靠近江河等地表水體的地區(qū)，地下潛水常以潛水流的形式向這些水體匯集，成為地表徑流的重要補(bǔ)給水源。特別在枯水季節(jié)，降水稀少，許多河流依賴地下潛水的補(bǔ)給，以至河川徑流過程，成為地下潛水的出流過程。但在夏天雨季來臨，洪水期多發(fā)，河流水位高于地下潛水位，潛水流的水力坡度形成倒比降，于是河水向兩岸松散沉積物中滲透，補(bǔ)給地下潛水。汛期過后，河流水位回落，貯存在河床兩岸的地下水，重又回歸河流。這種調(diào)節(jié)過程通常經(jīng)歷整個汛期，并具有周期性規(guī)律，通常距離河流愈近，潛水位的變幅愈大，河岸調(diào)節(jié)作用愈明顯。在平原地區(qū)，這種調(diào)節(jié)作用影響的范圍可向兩岸延伸1-2公里。因此本實驗三組樣本的響應(yīng)差異得以闡述清楚。

（5）實驗結(jié)論：夏季洪汛期徑流河岸調(diào)節(jié)作用僅對距河較近的HLBE組有顯著影響，而對距河較遠(yuǎn)的NGNE和BRT02組樹木無明顯影響?；诤恿鬟h(yuǎn)近不同立地位置的樹木徑向生長響應(yīng)關(guān)系，能夠揭示豐枯水期河岸潛水與徑流的水力作用關(guān)系。

3 開放實驗的后續(xù)效果

開放實驗的分析結(jié)果建立了河流地貌的水情、河流地表徑流與沿岸潛水的交互作用關(guān)系及其對樹木生長與氣候因子響應(yīng)關(guān)系的限制作用。本次開放實驗案例能夠通過科研活動的數(shù)據(jù)成果，結(jié)合地貌學(xué)和水文學(xué)的相關(guān)聯(lián)系，訓(xùn)練學(xué)生的實驗室數(shù)據(jù)獲取，培養(yǎng)啟發(fā)實驗現(xiàn)象差異成因的分析邏輯，樹立了學(xué)生能夠基于數(shù)據(jù)結(jié)果實證檢驗項目研究區(qū)域的徑流河岸調(diào)節(jié)作用規(guī)律，為后續(xù)的相關(guān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動提供了良好的基礎(chǔ)。參加過本次開放實驗的15名本科生，利用掌握的樹木年代學(xué)與水文氣候要素的交互關(guān)系等理論知識和基本實踐技能，獲批省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題1項，校級和院級本科生科研課題2項。來實驗室了解、咨詢并參與在研項目的本科生逐漸增多，表明教師的科研活動取得的數(shù)據(jù)成果，在促進(jìn)本科生專業(yè)課程實踐教學(xué)活動中能夠發(fā)揮積極的促進(jìn)作用。參與開放實驗課程的學(xué)生能夠了解書本的理論知識與實驗室科研活動的關(guān)系，在研究興趣的提升和初步研究技能的積累方面均有收益的獲得感。因此，鼓勵激發(fā)從業(yè)教師積極提煉自己的研究課題成果，設(shè)計融合本科生所學(xué)相關(guān)課程基本理論的開放實驗課程，實現(xiàn)教研相長在今后的實踐教學(xué)方面有很大的提升空間和潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃錫荃.水文學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2017.