新工科背景下水文測驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系研究與實(shí)踐

王萬杰 李國芳 陳元芳 傅巧妮

摘要 水文測驗(yàn)學(xué)是水文與水資源工程專業(yè)的重要主干課程，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。根據(jù)新工科建設(shè)的要求，文章結(jié)合水文與水資源工程專業(yè)的特點(diǎn)，構(gòu)建了“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外開放、校外實(shí)習(xí)”的多元化實(shí)踐教學(xué)體系，經(jīng)過實(shí)踐取得了較好的效果，提高了學(xué)生的動手能力、工程實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力，對相關(guān)高校實(shí)踐教學(xué)有參考借鑒價值。

關(guān)鍵詞 新工科；水文測驗(yàn)；實(shí)踐；教學(xué)體系

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.019

自2016年提出“新工科”概念以來，教育部組織高校進(jìn)行深入研討，形成了“復(fù)旦共識”和“天大行動”。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才[1]。在新工科建設(shè)背景下，水文測驗(yàn)學(xué)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)將進(jìn)一步向培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、科研創(chuàng)新能力方向發(fā)展，服務(wù)于國家水安全的戰(zhàn)略需求。

近些年各高校對水文測驗(yàn)學(xué)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)都十分重視，但新工科背景下的實(shí)踐教學(xué)體系仍不夠完善。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)目前眾多高校的水文測驗(yàn)實(shí)驗(yàn)存在一定的局限性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際的水文測驗(yàn)有一定的差距，不能全面考查學(xué)生的水文測驗(yàn)技能，更無法提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力以及創(chuàng)新實(shí)踐能力。水文測驗(yàn)學(xué)是水文與水資源工程專業(yè)重要的主干課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。該課程的學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生熟悉水文測驗(yàn)各種水文要素（如水位、水深、流速、流量和含沙量等）的測量方法，掌握水文資料整編的技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、工程實(shí)踐能力及科研創(chuàng)新能力。經(jīng)過多年探索，并結(jié)合新工科建設(shè)的要求，河海大學(xué)（以下簡稱“我校”）構(gòu)建了“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外開放、校外實(shí)習(xí)”的實(shí)踐教學(xué)體系，通過實(shí)踐取得了較好的教學(xué)效果。本文以河海大學(xué)水文與水資源工程專業(yè)的建設(shè)為例，對水文測驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系進(jìn)行了總結(jié)，以期為全國高校相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)改革提供參考和借鑒。

1水文測驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系的產(chǎn)生過程

河海大學(xué)水文與水資源工程專業(yè)的前身是1954年設(shè)立的陸地水文本科專業(yè)，2003年被批準(zhǔn)為江蘇省品牌專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，2007年被遴選為國家特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，同年通過教育部組織的工程教育專業(yè)認(rèn)證，2020年入選首批國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。水文測驗(yàn)學(xué)是水文與水資源工程專業(yè)的重要主干課程，專業(yè)自設(shè)置以來一直重視水文測驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)工作，培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的水文方面的專業(yè)人才。早在1956年就建成了水文測驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室。在1956年的陸地水文專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中，水文測驗(yàn)課程學(xué)時數(shù)共有220個，其中實(shí)驗(yàn)課占92個；1963年對專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行了調(diào)整，水文測驗(yàn)課程學(xué)時數(shù)減少為100個，其中室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)占14個，另外增加了三周的校外教學(xué)實(shí)習(xí)；之后，教學(xué)計(jì)劃經(jīng)過多次調(diào)整，水文測驗(yàn)課的實(shí)踐環(huán)節(jié)基本保持在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)8個課時、校外實(shí)習(xí)時間約3周。

在“新工科”教育背景下，學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)對實(shí)踐教學(xué)提出了更高的要求[2-4]。隨著我國高等教育的不斷發(fā)展以及社會對人才需求質(zhì)量的不斷提高，一般的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和校外實(shí)習(xí)已無法滿足學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此我校研制了能開展常規(guī)水文測驗(yàn)實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)河道模型，使學(xué)生能在課內(nèi)掌握水文測驗(yàn)基本的技能操作；課外利用研制的河道模型，開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；通過校企協(xié)同共建校外實(shí)踐基地，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，構(gòu)建了三位一體的“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外開放、校外實(shí)習(xí)”實(shí)踐教學(xué)體系。

2實(shí)踐教學(xué)體系內(nèi)涵和實(shí)施

2.1課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1.1水文測驗(yàn)室河道模型簡介

為使學(xué)生能在校內(nèi)開展?jié)M足工程實(shí)際需要的水文測驗(yàn)，我校研發(fā)了水文測驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)河道模型。該河道模型主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，由水庫、水泵、進(jìn)水管、模擬河道及回水系統(tǒng)等組成。模擬河道總長約50m，寬度為3m，最大水深1.4m；模擬河道上游段為彎道、中下游段為直道，末端安裝格柵式閘門，最大流量為0.75m3/s。河道模型用水循環(huán)使用：由水泵將水庫中的水抽至模擬河道，模擬河道出水通過回水系統(tǒng)，再進(jìn)入容積約為600m3的水庫中。

在模擬河道中布置的水文測驗(yàn)設(shè)施有量水堰，安裝的測量儀器有水位計(jì)和流速儀。①量水堰：模擬河道中布置有實(shí)用堰和三角堰等，在量水堰的上方安裝有可升降的擋板，通過調(diào)節(jié)擋板的高度開展孔流實(shí)驗(yàn)和堰流實(shí)驗(yàn)。②水位和流速儀器：模擬河道上安裝有在線實(shí)時監(jiān)測的浮子水位計(jì)和雷達(dá)流速儀等儀器。另外，模擬河道上布置有鋼制小橋，供學(xué)生在橋上進(jìn)行水位、流速、流量等測量實(shí)驗(yàn)。

該河道模型的建成，可以使學(xué)生在室內(nèi)開展多方法、多技術(shù)的水文要素測量實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更貼近工程實(shí)際，也可以開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

2.1.2課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

結(jié)合水文測驗(yàn)學(xué)課程教學(xué)大綱，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共6個，包括水位與水深觀測、流速測量、流量測量、水文自動測報、泥沙顆粒分析和懸移質(zhì)含沙量測定。各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主要內(nèi)容如下。

水位與水深觀測實(shí)驗(yàn)：利用水尺、水位測針、浮子水位計(jì)、測深桿和測深儀進(jìn)行水位及水深的測量。該實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解各種水位、測深儀器的工作原理，掌握其使用范圍和使用方法。

流速測量實(shí)驗(yàn)：利用浮標(biāo)和電波流速儀進(jìn)行水流表面流速的測量；利用流速儀（包括旋漿和旋杯流速儀）進(jìn)行垂線流速測量，熟悉1點(diǎn)法、2點(diǎn)法、3點(diǎn)法和5點(diǎn)法的垂線流速測量方法，分析流速沿斷面、沿垂線的分布規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生完成旋漿流速儀和旋杯流速儀的拆卸、清洗與安裝，熟悉多種流速測量方法。

流量測量：①流速儀法：學(xué)生在模型上進(jìn)行斷面選取和垂線布置，通過對水深、流速和過水面積的測量，計(jì)算出斷面流量；②ADCP法：用ADCP進(jìn)行流量測量，包括ADCP的安裝（含硬件和軟件）、測量和結(jié)果的分析等。該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解各種流量測量儀器的使用范圍，掌握流量測量方法。

水文自動測報實(shí)驗(yàn)：應(yīng)用現(xiàn)代遙測、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)[5]，完成水位、流速等水文數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理。實(shí)驗(yàn)中用到的主要傳感儀器包括壓力水位計(jì)和雷達(dá)流速儀等。該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解水文自動測報系統(tǒng)的組成、通信方式、工作原理和安裝方法，了解水文自動測報軟件的主要功能。

泥沙顆粒分析實(shí)驗(yàn)：學(xué)生到室外采集泥樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行泥樣的前處理，然后分別利用篩分法、沉降管法進(jìn)行粒徑的分析，繪制泥沙顆粒級配曲線；了解激光粒度儀的工作原理，掌握其操作方法，并利用激光粒度儀進(jìn)行泥沙粒徑測試。

懸移質(zhì)含沙量測定實(shí)驗(yàn)：利用稱重法進(jìn)行含沙量測定實(shí)驗(yàn)。學(xué)生至校外河流用采樣器采取水樣，量取其容積，并經(jīng)過沉淀、過濾、烘干、稱重等工序，求得懸移質(zhì)含沙量。了解測定懸移質(zhì)含沙量常用的儀器，如光電測沙儀、超聲波測沙儀、振動式測沙儀和同位素測沙儀的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉水樣采集方法，掌握懸移質(zhì)含沙量測定技術(shù)，了解主要含沙量測定儀器。

2.2課外開放

2.2.1電波流速儀（與河流非接觸式）流量測驗(yàn)

當(dāng)洪水到來時水位驟漲，與水流接觸式的水文測驗(yàn)方法難以滿足時效性和代表性要求；同時水流攜帶有大量的漂浮物，含沙量較大，無法采用接觸式的流速儀法、聲學(xué)多普勒流速儀法或水面浮標(biāo)法進(jìn)行流量測量；另一方面，洪水期間水流快，流速經(jīng)常超出流速儀器的實(shí)測范圍，無法用接觸式流速儀進(jìn)行測量[6]。因此，課程團(tuán)隊(duì)結(jié)合教師的科研成果，凝練出了用非接觸式的電波流速儀進(jìn)行流量測驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)是由學(xué)生在模擬河道的鋼橋上，沿河道斷面測出多個水面流速，再結(jié)合過水?dāng)嗝婷娣e及由學(xué)生自行建立的模型計(jì)算出斷面流量[7]。該實(shí)驗(yàn)有較高的研究價值，可以培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

2.2.2彎道測流實(shí)驗(yàn)

彎道是自然界中常見的河道形態(tài)，受橫向環(huán)流和邊壁的影響，彎道段水流復(fù)雜，流速分布與順直河道有一定的差別[8]。實(shí)驗(yàn)時由學(xué)生在模擬河道的彎道段進(jìn)行流速測量，研究縱向及橫向流速分布規(guī)律，探討提高彎道流量測驗(yàn)精度的方法，分析彎道段河道沖刷的成因，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

2.3校外實(shí)習(xí)

校外實(shí)習(xí)是學(xué)生接觸生產(chǎn)第一線的重要環(huán)節(jié)。利用校外企事業(yè)的設(shè)施開展實(shí)習(xí)，學(xué)生可以對水文測驗(yàn)的全過程有更深入的了解，規(guī)范操作方法，掌握水文測驗(yàn)的各項(xiàng)技能，提高工程實(shí)踐能力，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和吃苦耐勞精神。而實(shí)習(xí)基地的建設(shè)好壞直接關(guān)系到學(xué)生校外實(shí)踐的效果。經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐，我校建成了共建、共享的水文測驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)實(shí)習(xí)基地，并建設(shè)了一支結(jié)構(gòu)合理、實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、創(chuàng)新意識強(qiáng)的水文測驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)隊(duì)伍。

2.3.1共建共享實(shí)習(xí)基地

遵循校企雙贏原則，深化校企合作，利用企事業(yè)單位的先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)儀器設(shè)備以及場地和資金，共建滿足實(shí)踐教學(xué)需要的實(shí)習(xí)基地。

2.3.2建設(shè)一支強(qiáng)有力的實(shí)踐教學(xué)隊(duì)伍

通過“請進(jìn)來、走出去”的雙向流動模式，制訂兼職教師聘任辦法，明確遴選標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)要求、考核辦法、兼職待遇等內(nèi)容，吸引具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的企事業(yè)單位專家參與到學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)活動中。建設(shè)了一支結(jié)構(gòu)合理、實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、創(chuàng)新意識強(qiáng)的水文測驗(yàn)本科實(shí)踐教學(xué)隊(duì)伍。

通過共建的方式，我校在校外設(shè)立了5個水文測驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐基地，包括安徽蕪湖大礱坊水文站、宣城水文站、黃山水文站、長江大通水文站和長江南京水文實(shí)驗(yàn)站。其中蕪湖大礱坊水文站、宣城水文站、黃山水文站分別有1―2個班入駐，依照國家水文測驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行日常的水位、流速、水深、流量、含沙量等測驗(yàn)，并對資料進(jìn)行整理，編寫實(shí)習(xí)報告；在長江大通水文站和長江南京水文實(shí)驗(yàn)站，主要讓學(xué)生了解大江大河水文測驗(yàn)技術(shù)和先進(jìn)的儀器設(shè)備，觀摩船舶的ADCP流量測量、雙頻測深儀的水深測量，對生產(chǎn)一線的工作有更深入的認(rèn)識。

3成效

新工科背景下構(gòu)建的“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外開放、校外實(shí)習(xí)”水文測驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力及科研創(chuàng)新能力，通過近6年的實(shí)踐取得了較好的教學(xué)效果，調(diào)動了學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，對全面提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力有積極的作用。課程團(tuán)隊(duì)研制的水文測驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)河道模型，支撐了多項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，獲得了中國高等教育學(xué)會組織的自制儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽三等獎，且已被遴選為教育部水文專業(yè)虛擬教研室共享教學(xué)資源，供全國同行學(xué)習(xí)并在教學(xué)中應(yīng)用。我校構(gòu)建的水文測驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，在國內(nèi)水文專業(yè)中起到了很好的示范作用。近五年，已有包括浙江大學(xué)和吉林大學(xué)等近20所兄弟院校來我校調(diào)研，給予了充分肯定并得到借鑒，在全國起到了很好的示范輻射作用。

基金項(xiàng)目：江蘇省2020年度高?！扒嗨{(lán)工程”資助項(xiàng)目。

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