基于創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)化的工程水文與水利計(jì)算課程教學(xué)模式探索

劉丙軍 胡茂川 蔡錫填 譚學(xué)志

［摘 要］工程水文與水利計(jì)算課程是水利工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要核心課程。文章針對(duì)工程水文與水利計(jì)算課程中存在的課程知識(shí)創(chuàng)新性不足、教學(xué)手段單一、重理論輕實(shí)踐等問(wèn)題，圍繞新工科和“卓越工程師”教育體系對(duì)工程專(zhuān)業(yè)人才的需求，以培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才為目標(biāo)，提出工程水文與水利計(jì)算課程建設(shè)需開(kāi)展線上線下相結(jié)合的多元化教學(xué)模式、重視前沿學(xué)科知識(shí)、強(qiáng)化課程實(shí)踐教學(xué)等措施，不斷提升學(xué)生的實(shí)踐能力、科研創(chuàng)新能力。

［關(guān)鍵詞］工程水文與水利計(jì)算；創(chuàng)新實(shí)踐能力；課程改革；教學(xué)模式

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）20-0062-04

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，高等學(xué)校工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)理念與目標(biāo)正不斷發(fā)生變化。2018年，《教育部 工業(yè)和信息化部 中國(guó)工程院關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見(jiàn)》明確指出，“為適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的新趨勢(shì)，緊緊圍繞國(guó)家戰(zhàn)略和區(qū)域發(fā)展需要，加快建設(shè)發(fā)展新工科，探索形成中國(guó)特色、世界水平的工程教育體系，促進(jìn)我國(guó)從工程教育大國(guó)走向工程教育強(qiáng)國(guó)”“深入開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐”“建設(shè)一批新型高水平理工科大學(xué)、多主體共建的產(chǎn)業(yè)學(xué)院和未來(lái)技術(shù)學(xué)院、產(chǎn)業(yè)急需的新興工科專(zhuān)業(yè)、體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)最新發(fā)展的新課程等” [1]的要求。基于新工科對(duì)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的要求，水利工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)為依托，以培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才為目標(biāo)，服務(wù)水利事業(yè)發(fā)展，由以水災(zāi)害防御為主轉(zhuǎn)化為解決水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全綜合問(wèn)題，不斷優(yōu)化水利工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程體系。

工程水文與水利計(jì)算課程是水利工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要核心課程，其主要教學(xué)任務(wù)是分析河川、湖泊、水庫(kù)、河口等水體的水文現(xiàn)象，研究并提出經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠的水利工程設(shè)計(jì)方案以及規(guī)劃設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行調(diào)度管理優(yōu)化方案等[2]。工程水文與水利計(jì)算課程是一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程，要求理論與實(shí)踐并重，教師在課程講授過(guò)程中可通過(guò)工程專(zhuān)題討論和實(shí)踐教學(xué)研討，不斷培養(yǎng)并提升學(xué)生工程水文分析和水利計(jì)算的動(dòng)手能力與實(shí)際工作能力。

一、工程水文與水利計(jì)算課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

工程水文與水利計(jì)算課程涉及水文學(xué)基礎(chǔ)理論、水文統(tǒng)計(jì)分析、水利計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域，課程知識(shí)點(diǎn)豐富、研究性與實(shí)踐性強(qiáng)，要求學(xué)生具備十分扎實(shí)的實(shí)踐動(dòng)手能力。對(duì)照新工科與“卓越工程師”教育體系對(duì)工程專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)要求，現(xiàn)階段該課程在實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新方面仍存在諸多需要改進(jìn)之處。

（一）課程教學(xué)以傳授專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)為主，缺乏創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的意識(shí)

新工科與“卓越工程師”教育體系下，高等學(xué)校要落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生具備國(guó)際學(xué)術(shù)視野以及創(chuàng)新實(shí)踐等多項(xiàng)能力。有的工程水文與水利計(jì)算課程教學(xué)目標(biāo)，往往強(qiáng)調(diào)工程水文分析、水利計(jì)算基本知識(shí)、原理與方法的教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)以考試分?jǐn)?shù)為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。該課程在教學(xué)的過(guò)程中存在對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力、科研實(shí)訓(xùn)能力、思維能力等綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)重視不夠等不足，與新工科與“卓越工程師”人才培養(yǎng)要求不匹配。

（二）教學(xué)內(nèi)容以基本理論知識(shí)與計(jì)算方法為主，對(duì)前沿創(chuàng)新性知識(shí)、實(shí)踐案例介紹不足

目前的工程水文與水利計(jì)算課程教材主要編撰于20世紀(jì)七八十年代，以滿(mǎn)足完成大量水利工程建設(shè)與運(yùn)行水文分析、水利計(jì)算任務(wù)所需為主。教材沿用至今，缺乏對(duì)當(dāng)今相關(guān)科學(xué)技術(shù)中新問(wèn)題、新方法、新技術(shù)的介紹，尤其是缺乏對(duì)當(dāng)代水利工程建設(shè)中重大工程關(guān)鍵前沿技術(shù)、理論方法的總結(jié)分析。同時(shí)，工程水文與水利計(jì)算課程教學(xué)大都依賴(lài)教材對(duì)傳統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、原理和方法進(jìn)行講授，對(duì)前沿創(chuàng)新性知識(shí)與實(shí)踐案例講授不足。

（三）實(shí)踐教學(xué)手段單一，學(xué)生探索性學(xué)習(xí)動(dòng)力不足

工程水文與水利計(jì)算課程教學(xué)往往以教師講授和多媒體課件展示、學(xué)生課堂訓(xùn)練與課后作業(yè)為主，教學(xué)手段比較單一、教學(xué)內(nèi)容枯燥乏味，不夠重視充分運(yùn)用線上線下結(jié)合、科研實(shí)訓(xùn)、前沿進(jìn)展討論等多形式多樣化的授課手段，對(duì)典型工程實(shí)踐案例剖析深度不足，容易影響學(xué)生實(shí)踐能力與學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)[3]。

二、基于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)化的課程教學(xué)探討

（一）實(shí)施線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式，突出多元化實(shí)踐教學(xué)

工程水文與水利計(jì)算課程涉及大量分析計(jì)算和相關(guān)實(shí)訓(xùn)[4]，傳統(tǒng)以教室課堂教學(xué)為主的教學(xué)模式已經(jīng)不適應(yīng)新工科人才與“卓越工程師”的培養(yǎng)要求。比如工程水文與水利計(jì)算課程的極端暴雨、洪水的觀測(cè)、分析與計(jì)算等知識(shí)內(nèi)容，其教學(xué)往往受制于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與設(shè)備，加之野外測(cè)量工況異常復(fù)雜，洪澇、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害發(fā)生過(guò)程容易危及學(xué)生人身安全，因而沒(méi)有得到有效開(kāi)展。學(xué)生在學(xué)習(xí)上述知識(shí)內(nèi)容時(shí)一般不具備水文要素監(jiān)測(cè)、模擬的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，導(dǎo)致其難以理解所學(xué)內(nèi)容，學(xué)習(xí)效果不佳?；谏鲜銮闆r，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)采取了線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式，在課程相關(guān)理論知識(shí)與方法授課前，依托課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“河口水循環(huán)過(guò)程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)”虛擬仿真平臺(tái)，提前布置預(yù)習(xí)作業(yè)，讓學(xué)生熟悉了解有關(guān)水文氣象要素觀測(cè)、陸地徑流過(guò)程模擬、河口徑流過(guò)程模擬的工程案例與實(shí)踐內(nèi)容；在課堂教學(xué)過(guò)程中，授課教師依托虛擬仿真平臺(tái)幫助學(xué)生掌握水文循環(huán)要素監(jiān)測(cè)技術(shù)、理解水文現(xiàn)象的物理機(jī)制和相互轉(zhuǎn)化關(guān)系原理、學(xué)會(huì)運(yùn)用相關(guān)水文水動(dòng)力模型構(gòu)建與演算等，實(shí)現(xiàn)了線上教學(xué)與線下教學(xué)的有機(jī)融合。

（二）不斷更新教學(xué)理念，突出學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)

工程水文與水利計(jì)算課程教學(xué)需要重視學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。授課過(guò)程中需要按照學(xué)習(xí)認(rèn)知理論與規(guī)律，將理論知識(shí)與具體工程實(shí)踐相結(jié)合，構(gòu)建從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單項(xiàng)到綜合的課程建設(shè)體系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的互相協(xié)調(diào)，不斷提高學(xué)生的理解能力和學(xué)習(xí)興趣[5]。

為了提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，在教學(xué)任務(wù)與內(nèi)容設(shè)置方面，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)將以單一知識(shí)點(diǎn)授課的形式調(diào)整為以模塊化知識(shí)點(diǎn)授課的形式，將工程水文與水利計(jì)算課程內(nèi)容設(shè)計(jì)為四大知識(shí)模塊，即水文頻率分析知識(shí)模塊（圍繞水文要素“三性”審查→水文頻率分析計(jì)算→計(jì)算結(jié)果合理性檢驗(yàn)的任務(wù)主線）、防洪調(diào)節(jié)計(jì)算知識(shí)模塊（圍繞水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理→由流量推求設(shè)計(jì)洪水→水庫(kù)防洪實(shí)時(shí)調(diào)度的任務(wù)主線）、水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算知識(shí)模塊（圍繞水庫(kù)來(lái)進(jìn)行需水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理→設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算→水庫(kù)損失水量計(jì)算→年調(diào)節(jié)水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算的任務(wù)主線）、水庫(kù)水能分析計(jì)算知識(shí)模塊（圍繞水文水能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理→設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算→保證出力計(jì)算→年調(diào)節(jié)水能計(jì)算的任務(wù)主線）。通過(guò)這四個(gè)知識(shí)模塊的設(shè)置，能有效將零散知識(shí)內(nèi)容形成串并聯(lián)的反饋模式，使學(xué)生易于掌握。要求學(xué)生在課后學(xué)習(xí)中，通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)的形式完成知識(shí)模塊的課程作業(yè)，提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和實(shí)踐實(shí)訓(xùn)能力。

在授課內(nèi)容方面，緊密結(jié)合課程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，加強(qiáng)典型工程實(shí)踐案例的分析講解，提升學(xué)生對(duì)工程的認(rèn)知與實(shí)踐能力。在講授工程水文與水利計(jì)算的服務(wù)對(duì)象時(shí)，引入三峽工程建設(shè)的專(zhuān)題討論，分析工程水文與水利計(jì)算在服務(wù)重大水利工程建設(shè)、運(yùn)行與管理中的作用；在講授設(shè)計(jì)洪水過(guò)程推求原理時(shí)，結(jié)合三峽大壩設(shè)計(jì)洪水位的推求，講解如何利用黃陵廟水文站歷史洪水痕跡推求歷史特大洪水計(jì)算過(guò)程，以及如何利用宜昌站長(zhǎng)系列洪水資料推求設(shè)計(jì)洪水值及其洪水過(guò)程；在講授水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，引入珠江三角洲水資源配置工程供水規(guī)模論證案例，講解經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)區(qū)域需水的影響以及供水工程規(guī)模優(yōu)選方法；在講授水能分析計(jì)算時(shí)，引入我國(guó)西南梯級(jí)電站的建設(shè)歷程，分析電網(wǎng)調(diào)度、生態(tài)環(huán)境、移民征遷等要素對(duì)梯級(jí)電站規(guī)模的影響；等等。通過(guò)引入經(jīng)典工程案例，解決傳統(tǒng)教學(xué)重理論輕實(shí)踐的問(wèn)題，不斷提升學(xué)生對(duì)水利工程的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，做到教、學(xué)、做、練一體化融合，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上完成實(shí)踐，在實(shí)踐過(guò)程中總結(jié)學(xué)習(xí)理論。

在授課方法方面，強(qiáng)調(diào)研究型教學(xué)，實(shí)現(xiàn)由教師授課為主轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒?dòng)教育為主，加強(qiáng)師生互動(dòng)，注重引導(dǎo)學(xué)生積極參與課程教學(xué)過(guò)程，注重引導(dǎo)和啟發(fā)，做到 “教好”和“學(xué)好”的有機(jī)統(tǒng)一。按照“課程導(dǎo)入—目標(biāo)—前測(cè)—參與式學(xué)習(xí)—后測(cè)—總結(jié)（BOPPPS）”的有序教學(xué)模式[6]，廣泛發(fā)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考和創(chuàng)新的積極性。教師在該課程授課過(guò)程中，可靈活運(yùn)用課堂教室、多媒體技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)資源等豐富授課與考核的內(nèi)容與形式。為提升學(xué)生思考、分析和解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新思維水平，教師可結(jié)合課程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，融入計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、系統(tǒng)分析技術(shù)、 復(fù)雜理論，在教學(xué)環(huán)節(jié)增加高強(qiáng)度環(huán)境變化下水文過(guò)程非一致性非平穩(wěn)性變化問(wèn)題、水庫(kù)實(shí)時(shí)洪澇精準(zhǔn)預(yù)報(bào)調(diào)度、水資源目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度、流域梯級(jí)群生態(tài)優(yōu)化調(diào)度等前沿課題進(jìn)行專(zhuān)題討論。為增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用Matlab、Python等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，編輯水文頻率分析、水文統(tǒng)計(jì)等分析軟件，掌握大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)算法在水文分析、預(yù)報(bào)等領(lǐng)域的運(yùn)用。為培養(yǎng)學(xué)生的國(guó)際學(xué)術(shù)視野，教師在授課過(guò)程中可增加相關(guān)國(guó)際最新前沿文獻(xiàn)解讀，講解科技論文寫(xiě)作要求。

（三）強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力

為強(qiáng)化學(xué)生對(duì)工程水文與水利計(jì)算基礎(chǔ)理論知識(shí)的運(yùn)用、提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力，本課程在理論知識(shí)講解后安排了相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)任務(wù)[7]。工程水文與水利計(jì)算課程設(shè)計(jì)一般是以實(shí)際工程資料為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)基礎(chǔ)理論方法，按照水文分析、水利計(jì)算兩大部分內(nèi)容開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生存在對(duì)課程設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不夠、對(duì)基本原理方法理解不透、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)不足等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，需要對(duì)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容、形式、考核方式等方面進(jìn)行優(yōu)化。在布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)前，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行水庫(kù)、梯級(jí)電站的實(shí)踐認(rèn)知學(xué)習(xí)，讓學(xué)生初步具備水利工程的總體布局、主體建筑物及其運(yùn)行調(diào)度等的基本認(rèn)知，增進(jìn)學(xué)生對(duì)工程水文與水利計(jì)算課程的服務(wù)對(duì)象、目標(biāo)與要求等的了解；在課程設(shè)計(jì)內(nèi)容方面，可設(shè)置水文頻率分析、防洪調(diào)節(jié)計(jì)算、水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算、水庫(kù)水能分析計(jì)算等多個(gè)模塊，擴(kuò)大課程設(shè)計(jì)選題范圍，提高學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)的興趣，降低學(xué)生相互抄襲的可能性；在課程設(shè)計(jì)形式方面，按照分組分類(lèi)的形式，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛(ài)好，每五六個(gè)人組建一個(gè)課程設(shè)計(jì)小組，組內(nèi)學(xué)生分工協(xié)作完成某一知識(shí)模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容，提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；在考核方式方面，強(qiáng)調(diào)在完成課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生積極閱讀學(xué)科前沿領(lǐng)域論文，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法，如在水文頻率分析中考慮水文非一致頻率分析內(nèi)容、在防洪調(diào)節(jié)計(jì)算方面考慮動(dòng)態(tài)汛限水位的影響、在水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算中考慮多目標(biāo)優(yōu)化算法的運(yùn)用、在水電能源設(shè)計(jì)中考慮生態(tài)需水的需求等。通過(guò)不斷完善工程水文與水利計(jì)算課程設(shè)計(jì)的形式與要求，有效培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力，強(qiáng)化學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力與創(chuàng)新思維。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展， 新工科與“卓越工程師”教育體系下的水利工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式發(fā)生了顯著變化。以培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才為目標(biāo)，工程水文與水利計(jì)算課程體系建設(shè)需要通過(guò)線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量；實(shí)時(shí)更新學(xué)科前沿知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)；不斷強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，改善重理論輕實(shí)踐的狀況，提升學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用與專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 教育部，工業(yè)和信息化部，中國(guó)工程院.教育部 工業(yè)和信息化部 中國(guó)工程院關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見(jiàn)[EB/OL].（2018-12-31）[2023-04-13].https：//

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