“河流動力學(xué)”課程實習(xí)的實踐探索與新模式

李志威，周美蓉，鄧珊珊，夏軍強

（武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072）

課程實習(xí)的實踐環(huán)節(jié)對于港口航道與海岸工程的河流動力學(xué)專業(yè)方向的本科生，全面掌握和深入融會課程知識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和提高科研能力具有至關(guān)重要的作用［1-5］。專業(yè)實習(xí)與野外考察是工科類專業(yè)教學(xué)過程中重要的綜合性實踐環(huán)節(jié)，不僅是培養(yǎng)學(xué)生掌握專業(yè)技能、鍛煉動手能力及適應(yīng)職業(yè)發(fā)展的有效途徑，而且是培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作精神、科研興趣和創(chuàng)新意識的重要平臺［6-9］。本科生在學(xué)習(xí)“工程流體力學(xué)”“河流動力學(xué)”“河床演變學(xué)”等主干專業(yè)課之后，通過野外考察河流、河床泥沙取樣、水深流速測量、無人機航測等觀測項目的訓(xùn)練，將專業(yè)基礎(chǔ)課上學(xué)習(xí)的河流演變理論與實際觀測相結(jié)合，更加深入理解了書本內(nèi)容，初步培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力［10］。

通過引入當(dāng)前長江和黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量的新發(fā)展理念，并結(jié)合指導(dǎo)教師的科研項目需求，在實習(xí)地點設(shè)置若干科研小任務(wù)，引導(dǎo)本科生主動參與長江、黃河的河流原型觀測和采樣工作，提升專業(yè)實習(xí)的積極性和獲得感。同時，可增長本科生對自然河流的感性認識，促使學(xué)生了解河流水環(huán)境和水生態(tài)現(xiàn)狀，以更好適應(yīng)未來研究生學(xué)習(xí)和就業(yè)崗位要求［11］。因此，本論文基于最新的河流保護與治理理念，旨在提高本科生的學(xué)習(xí)興趣，結(jié)合當(dāng)前教師開展的科研任務(wù)，吸引本科生投入其中，體驗與認識河流的重要性，增強保護河流的責(zé)任感，了解觀測河流的最新技術(shù)。最終目標(biāo)是通過參與河流水文觀測的科研實踐實習(xí)活動，增加本科生的科研素養(yǎng)和學(xué)術(shù)興趣，此模式值得其他工科專業(yè)的專業(yè)實習(xí)嘗試和推廣。

一、野外考察實習(xí)存在的問題

（一）對“河流動力學(xué)”野外實習(xí)教學(xué)不夠重視

“河流動力學(xué)”課程實習(xí)教學(xué)一直被認為是理論教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)，在一些高校水利水電類專業(yè)的人才培養(yǎng)計劃中，往往只設(shè)置一學(xué)期的“河流動力學(xué)”理論課程，沒有設(shè)置獨立的“河流動力學(xué)”野外實習(xí)教學(xué)課程。在“河流動力學(xué)”野外實習(xí)教學(xué)的設(shè)置上，也面臨經(jīng)費短缺導(dǎo)致的實習(xí)時間短和內(nèi)容設(shè)置少等問題。部分教師對“河流動力學(xué)”野外實習(xí)認識不足，一些新入職的青年教師，缺乏野外考察和教學(xué)實習(xí)經(jīng)驗。而一些野外實習(xí)教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師面臨教學(xué)和科研雙重壓力，很難抽出較多的時間投入到野外教學(xué)實踐。學(xué)生則按照既定時間和路線參觀，聆聽教師和實習(xí)點工作人員的講解，在實習(xí)過程中處于被動地位，缺乏積極性和主動性，實習(xí)教學(xué)的效果欠佳。

（二）缺乏探索性的野外實習(xí)教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)有“河流動力學(xué)”野外實習(xí)教學(xué)的內(nèi)容大部分處于“認知”層次，實習(xí)的內(nèi)容單調(diào)、淺顯和零散，沒有結(jié)合專業(yè)知識綜合考慮野外實習(xí)教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)模式比較單一，主要以學(xué)生聽、教師講解為主，缺乏對學(xué)生獨立設(shè)計和動手實踐能力的有效訓(xùn)練，而且對學(xué)生缺少科研興趣引導(dǎo)，不利于學(xué)生積極思考自然河流現(xiàn)象及當(dāng)前存在生態(tài)環(huán)境問題。同時，缺少對國外一流大學(xué)“河流動力學(xué)”實習(xí)教學(xué)案例的借鑒，教師對“河流動力學(xué)”野外實習(xí)仍停留在講授知識階段，沒有以學(xué)生為中心，尚未形成較為綜合的、具有探索性的野外實習(xí)教學(xué)內(nèi)容。而且，對于即將進入研究生階段學(xué)習(xí)的大四本科生來說，其科研實踐能力未能得到充分鍛煉，缺乏對水文觀測數(shù)據(jù)獲取的觀測方法及技術(shù)的了解。

（三）缺少良好的河流綜合野外實習(xí)基地

由于以往河流野外實踐教學(xué)主要以大江大河和水庫大壩為對象，每年實習(xí)之前都需要與當(dāng)?shù)睾拥拦芾聿块T聯(lián)系和協(xié)調(diào)時間。若是在汛期，由于防汛任務(wù)緊張，則學(xué)生的實習(xí)時間和計劃難以得到保證與實施。而且大江大河在河長制的嚴格管理之下，較難以進行實習(xí)教學(xué)基地的建設(shè)和維護，學(xué)校也缺少充足經(jīng)費進行支持管理。因此，選擇距離學(xué)校較近的山區(qū)的中小河流和沖積河段，盡量減少人工干擾和水利工程影響，有利于建立一個長期相對固定、可針對不同實踐內(nèi)容的“河流動力學(xué)”實習(xí)基地。一般要求實習(xí)河段既有卵石河段，也有沙質(zhì)河段，水質(zhì)清澈，生態(tài)良好，而且實習(xí)時間內(nèi)河道水深不超過1 m，平均流速小于0.5 m/s，有利于安全地開展水下測量與取樣作業(yè)。

二、野外考察實習(xí)教學(xué)模式改革與探索

（一）實習(xí)準(zhǔn)備工作

第一，根據(jù)學(xué)校課程實習(xí)要求和目標(biāo)，撰寫實習(xí)大綱和實習(xí)手冊，確定實習(xí)內(nèi)容、觀測儀器和實驗耗材等。第二，根據(jù)實習(xí)班級人數(shù)，劃分成若干小組，每組6～8人為宜，每個小組安排一名課題組的研究生作為技術(shù)指導(dǎo)和一名成員作為組長，協(xié)調(diào)和負責(zé)小組內(nèi)分工與協(xié)作任務(wù)。第三，聯(lián)系實習(xí)地點的食宿和車輛，注意實習(xí)期間的天氣和交通情況，做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。第四，確定實習(xí)出發(fā)時間和考察實習(xí)的時間段，一般野外工作時間2～3天為宜，后續(xù)數(shù)據(jù)整理與分析1周左右。為了使河流實習(xí)與觀測數(shù)據(jù)可作為科研用途，最好結(jié)合實習(xí)帶隊教師的科研課題任務(wù)，開展相應(yīng)的實驗內(nèi)容設(shè)置與實習(xí)任務(wù)分配，做到實習(xí)教學(xué)與科研觀測相結(jié)合，有利于本科生在實際科研中得到鍛煉并提升興趣。

（二）實習(xí)內(nèi)容與野外測量

根據(jù)實習(xí)目標(biāo)與觀測內(nèi)容，對各實習(xí)小組及路線進行優(yōu)化組合，形成相對穩(wěn)定的實習(xí)任務(wù)，合理設(shè)置任務(wù)的時間安排。在實習(xí)觀測過程中，教會本科生掌握儀器使用與操作、測量與取樣、數(shù)據(jù)記錄等必備環(huán)節(jié)。

1.河流基本特性與河床測量。在實習(xí)觀測之前，由帶隊教師講解實習(xí)地點的河流地貌歷史與現(xiàn)狀、河流類型與形態(tài)、水文特性與輸沙特征、濱河植被和水生態(tài)狀況等。觀測內(nèi)容包括床沙粒徑及級配、河床結(jié)構(gòu)、河床坡降、水深、流速、河段形態(tài)等；觀測儀器包括皮尺、鋼尺、全站儀或RTK、無人機、筆記本電腦等。

2.河流水流泥沙測量。觀測內(nèi)容包括水深、流速、懸移質(zhì)含沙量、推移質(zhì)輸沙率等；觀測儀器包括流速儀（直流式、旋槳式、聲學(xué)多普勒ADV或走航式聲學(xué)多普勒剖面儀ADCP），根據(jù)河道水流特性與水深，可選擇和攜帶不同流速儀。懸移質(zhì)含沙量采用取水樣，帶回實驗室過濾、烘干和稱重測量。推移質(zhì)輸沙率可采用坑測法或推移質(zhì)采樣器（如Helly-Smith sampler）。

3.河道形態(tài)與地形測量。傳統(tǒng)野外測量方法主要通過全站儀、經(jīng)緯儀、RTK 等測繪儀器對研究河段進行人工測繪，但是河流形態(tài)多變，地形復(fù)雜，測量精度及測量區(qū)域受人為因素和自然條件約束較大，耗費時間長。近年來，無人機航測技術(shù)因其成本低、可操作性強、獲取影像分辨率高等優(yōu)點，成為獲取高分辨率低空影像數(shù)據(jù)的野外測量地形常用方法。因此，野外河流實習(xí)可以采用大疆DJI無人機低空航測，獲取河流景觀、表面流場和河谷地形。

4.河流水環(huán)境與水生態(tài)調(diào)查。當(dāng)前河流生態(tài)保護與修復(fù)的理念正是河流動力學(xué)專業(yè)本科生需要了解的交叉學(xué)科知識。單純從書本上閱讀相關(guān)知識，難以真正理解水環(huán)境改善的緊迫性和水生態(tài)修復(fù)的重要性。野外測量內(nèi)容包括常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)（水溫、電導(dǎo)率、渾濁度、pH值、溶解性固體、懸浮性固體、總氮、總磷、總有機碳、生物需氧量、化學(xué)需氧量、葉綠素a等）、水生植物和濱河植被調(diào)查（植物種類、植株高度、植被覆蓋度、覆蓋面積和植被物種多樣性等），并做好標(biāo)本取樣，觀測濱河植被群落與分布。若有科研需求，可以安排水生態(tài)調(diào)查，包括浮游生物、底棲動物和魚類，具體內(nèi)容包括種類組成分布、主要類群及優(yōu)勢種、總生物量及密度。水生態(tài)調(diào)查、取樣和室內(nèi)檢測需要研究生指導(dǎo)和后續(xù)鑒定分析。

每個小組約10人，負責(zé)一項實習(xí)觀測任務(wù)，做好數(shù)據(jù)記錄和整理，形成小組實習(xí)日志，要求圖文并茂，具有可讀性和科學(xué)性。

（三）實習(xí)后工作任務(wù)

在考察實習(xí)結(jié)束后，限定時間，要求每個小組提交一份考察成果報告及實習(xí)感受，并開展小組成果匯報與交流活動。成果報告一般包括實習(xí)日程安排及任務(wù)、小組成員及分工、測量方法及儀器、原始數(shù)據(jù)及分析方法、主要結(jié)果及結(jié)論和參考文獻。成果報告要緊密結(jié)合授課所學(xué)“河流動力學(xué)”相關(guān)專業(yè)內(nèi)容，并進行適當(dāng)擴展，如水環(huán)境和水生態(tài)。實習(xí)感受主要是參加實習(xí)的見聞、收獲與體會等。每位組員側(cè)重于不同的專題進行撰寫，各組組長負責(zé)分工，最終合成一份高質(zhì)量的實習(xí)報告。

（四）考察實習(xí)的教學(xué)經(jīng)驗

根據(jù)近年筆者帶考察實習(xí)的實踐教學(xué)經(jīng)歷，總結(jié)如下4點教學(xué)經(jīng)驗：（1）本科生實習(xí)兼顧科研任務(wù)能夠吸引學(xué)生興趣，調(diào)動學(xué)生積極性，增強學(xué)生的責(zé)任心；（2）對于部分即將進入研究生階段的學(xué)生，考察實習(xí)和野外測量所掌握儀器與觀測方法，有助于提高實際動手能力；（3）考察實習(xí)附帶的科研任務(wù)，形成獲取觀測數(shù)據(jù)，安排即將讀研的學(xué)生撰寫中文論文，有利于提前鍛煉他們分析數(shù)據(jù)、制作圖表和文字表達能力；（4）考察實習(xí)有助于增進學(xué)生對河流的認識和對科研的熱愛，為后續(xù)研究生科研階段和將來職業(yè)發(fā)展打下一定基礎(chǔ)。

結(jié)語

通過對野外考察實踐教學(xué)的總結(jié)和探索思考，逐漸形成了“河流動力學(xué)”課程實習(xí)的新模式：教師將科研課題任務(wù)融入實習(xí)教學(xué)中，做到具體指導(dǎo)、全程參與、嚴格要求和注重成效，確保實習(xí)有內(nèi)涵、有深度和有意義，高質(zhì)量地完成了實習(xí)目標(biāo)，并兼顧了科研任務(wù)，進一步增強課程實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)在河流動力學(xué)專業(yè)方向的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和科研素養(yǎng)培育中的重要作用。

“河流動力學(xué)”課程實習(xí)新模式的特色在于，引入當(dāng)前大江大河生態(tài)保護的新理念，在實習(xí)地點設(shè)置科研任務(wù)，引導(dǎo)本科生主動參與河流原型觀測和生態(tài)采樣等實踐工作活動，提升野外實習(xí)的積極性、趣味性和獲得感，增強本科生對河流的認識，使本科生了解河流地貌與水生態(tài)現(xiàn)狀，更好適應(yīng)未來研究生的學(xué)習(xí)和就業(yè)崗位。同時，結(jié)合當(dāng)前教師正開展的科研任務(wù)，吸引眾多學(xué)生投入其中，體驗觀測河流的最新技術(shù)，增強保護河流生態(tài)的責(zé)任感。而且，讓大四本科生通過野外專業(yè)實習(xí)，提前接觸河流水文觀測方法與技術(shù)，有利于提高畢業(yè)生的學(xué)術(shù)興趣和科研能力，值得其他工科專業(yè)實習(xí)推廣與借鑒。