“智慧水利”背景下工程水文學(xué)教學(xué)改革研究與實(shí)踐

摘 要 隨著我國(guó)水利和水電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)壯大，以及大數(shù)據(jù)、人工智能等新興信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速整合，“智慧水利”已逐漸成為水利領(lǐng)域未來發(fā)展的不二選擇?！肮こ趟膶W(xué)”的課程內(nèi)容、教學(xué)方式也應(yīng)順應(yīng)潮流進(jìn)行改革和提升。文章針對(duì)目前課程教學(xué)中存在的問題，從課程培養(yǎng)體系、教師團(tuán)隊(duì)協(xié)同培養(yǎng)模式、創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)三個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新性探索，以學(xué)生和授課教師為雙主體，推進(jìn)智慧化教學(xué)改革，形成多學(xué)科交叉的課程培養(yǎng)體系，推行教師團(tuán)隊(duì)協(xié)同培養(yǎng)模式，構(gòu)建多學(xué)科交叉融合的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。

關(guān)鍵詞 智慧水利；工程水文學(xué)；教學(xué)改革；課程體系；教師團(tuán)隊(duì)

中圖分類號(hào)：G642 " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.6.017

Research and Practice of Teaching Reform in Engineering Hydrology under

the Background of Smart Water Conservancy

LI He， TAO Jie， HU Hu

（School of Water Conservancy and Transportation， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001）

Abstract With the continuous expansion of China's water conservancy and hydropower industry， as well as the rapid integration of emerging information technologies such as big data and artificial intelligence with traditional industries， \"Smart Water Conservancy\" has gradually become the inevitable choice for the future development of the water conservancy sector. The content and teaching methods of the course \"Engineering Hydrology\" should also keep up with the trend， undergoing reform and enhancement. In response to the current problems in course teaching， innovative exploration is conducted from three aspects： curriculum training system， collaborative training model of teacher teams， and innovative practice platform. Students and teaching staff are regarded as dual subjects， promoting the advancement of intelligent teaching reform. This aims to form a multidisciplinary cross-curricular training system， implement collaborative training models for teacher teams， and construct innovative practice platforms integrating multiple disciplines.

Keywords smart water conservancy; engineering hydrology; teaching reform; curriculum system; teaching team

隨著我國(guó)水利水電行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，智慧水利已成為水利行業(yè)未來發(fā)展的必然選擇。傳統(tǒng)水利行業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)，亟須轉(zhuǎn)型升級(jí)[1]。智慧水利運(yùn)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，推動(dòng)水利規(guī)劃、工程建設(shè)、運(yùn)行管理和社會(huì)服務(wù)的智能化，提高水資源利用效率以及水旱災(zāi)害防御能力，改良水環(huán)境和水生態(tài)，確保國(guó)家的水安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。

然而，在現(xiàn)有的課程結(jié)構(gòu)中，仍以傳統(tǒng)水利“測(cè)”“報(bào)”“算”為核心專業(yè)內(nèi)容，缺乏與“智慧化”相關(guān)的知識(shí)銜接與實(shí)踐教學(xué)，導(dǎo)致課程內(nèi)容與工程實(shí)踐之間存在“落差”[4-6]。在將“智慧水利”引入教學(xué)實(shí)踐方面，杜圣東指出在“人工智能+”背景下，以學(xué)習(xí)者為中心，以課程設(shè)置、教學(xué)方式和工程實(shí)踐3個(gè)環(huán)節(jié)為主線，從專業(yè)技術(shù)教育和 AI 賦能教育兩個(gè)方面，提出了新工科教育思路及總體實(shí)踐框架，助力新工科教育跟人工智能技術(shù)的深度融合并高效迭代發(fā)展[7]。黃小娥結(jié)合廣西水電學(xué)院發(fā)展實(shí)踐，提出基于專業(yè)集群的智慧水利人才培養(yǎng)模式，主要體現(xiàn)在聚焦特色專業(yè)集群建設(shè)、助力區(qū)域產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，深化產(chǎn)教融合、探索多元育人體系，開放新格局、提升國(guó)際影響力[8]。徐磊從智慧水利大背景下社會(huì)各界對(duì)人才培養(yǎng)提出的新要求出發(fā)，對(duì)水利水電工程專業(yè)現(xiàn)行的培養(yǎng)方案進(jìn)行分析并指出其不足之處，并以此為基礎(chǔ)，系統(tǒng)論述了智慧水利環(huán)境下水利水電工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案優(yōu)選的可行性思路和實(shí)施路徑[9]。江森匯等指出為滿足新時(shí)代水利人才的培養(yǎng)需求，“工程水文學(xué)”課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)以學(xué)校教師為基礎(chǔ)，同時(shí)聘請(qǐng)工程企業(yè)專家參與教學(xué)，并適度引入虛擬教學(xué)團(tuán)隊(duì)[10]。張宏洋等認(rèn)為在新時(shí)代跨學(xué)科跨專業(yè)背景下，應(yīng)對(duì)水利類專業(yè)智慧水利方向的人才培養(yǎng)體系進(jìn)行重新規(guī)劃，創(chuàng)新“水利”+“信息”兩個(gè)方向的交叉融合，將互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等新型信息技術(shù)熟練應(yīng)用于傳統(tǒng)水利行業(yè)中的防震減災(zāi)、水資源開發(fā)與利用等方面，從而推動(dòng)傳統(tǒng)水利向智慧水利的轉(zhuǎn)型升級(jí)[11]。

本文在原有課程體系的基礎(chǔ)上，對(duì)“工程水文學(xué)”課程結(jié)構(gòu)進(jìn)行重塑，把管理科學(xué)與工程、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的課程納入整體的培養(yǎng)計(jì)劃中。

1 "探索“工程水文學(xué)”教學(xué)改革的意義

1.1 "為“新工科―智慧水利”教育建設(shè)指明方向

當(dāng)前我國(guó)正在全面推進(jìn)智慧水利建設(shè)，在教育教學(xué)中融入智慧水利新思想、新理論、新方法是主動(dòng)服務(wù)“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”“黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展”等國(guó)家戰(zhàn)略，助力“教育強(qiáng)國(guó)”建設(shè)，落實(shí)“新工科”建設(shè)要求的重要舉措[12-14]。

1.2 "為推行全面素質(zhì)教育提供保障

以水利工程學(xué)科為基礎(chǔ)，以“工程水文學(xué)”課程教學(xué)為落腳點(diǎn)，面向國(guó)家戰(zhàn)略需求和水利專業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，重在培養(yǎng)兼具現(xiàn)代信息技術(shù)與水利專業(yè)基礎(chǔ)的跨學(xué)科復(fù)合型人才，為國(guó)家現(xiàn)代化水利、數(shù)字孿生領(lǐng)域建設(shè)等人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新提供重要的教育平臺(tái)。

2 "課程教學(xué)改革的主要措施

2.1 "構(gòu)建多學(xué)科交叉融合的課程培養(yǎng)體系

加強(qiáng)交叉學(xué)科人才培養(yǎng)，將傳統(tǒng)工程水文與其他學(xué)科等不同領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)改革從“工程水利”向“智慧水利”的轉(zhuǎn)變和推進(jìn)。根據(jù)行業(yè)“智慧水利”發(fā)展潮流，水利類專業(yè)經(jīng)典課程“工程水文學(xué)”需要跨學(xué)科教學(xué)才能充分優(yōu)化資源配置。通過學(xué)科和專業(yè)交叉的教學(xué)模式，調(diào)整教學(xué)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，讓學(xué)生完整了解“智慧水利”的理論基礎(chǔ)、功能設(shè)計(jì)、平臺(tái)實(shí)踐的全流程，彌補(bǔ)單一學(xué)科教學(xué)的不足。

詳盡梳理“工程水文學(xué)”課程體系?；诂F(xiàn)有的課程結(jié)構(gòu)，通過拆分、交融和整合多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，對(duì)課程體系進(jìn)行了重塑。改革后的“工程水文學(xué)”重在培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析、研究、解決水利工程規(guī)劃，設(shè)計(jì)、施工、管理等領(lǐng)域中的水文觀測(cè)、水文分析計(jì)算和水文預(yù)報(bào)等問題的能力。

厘清“智慧水利”建設(shè)關(guān)鍵功能。明確功能實(shí)現(xiàn)所需的水利專業(yè)理論、平臺(tái)開發(fā)技術(shù)、系統(tǒng)集成框架。智慧水利的應(yīng)用旨在提高學(xué)生的業(yè)務(wù)能力和管理水平，具體而言，它涵蓋了包括預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、流域水模擬、水利工程的安全性分析和科學(xué)調(diào)度、水行政的智能管理以及水信息的智能服務(wù)應(yīng)用。

構(gòu)建“工程水文學(xué)”與“智慧水利”課程結(jié)構(gòu)映射關(guān)系。其中，“流域水模擬和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)”對(duì)應(yīng)第一章“緒論”、第二章“水循環(huán)及河川徑流的形成過程”、第五章“年徑流分析與計(jì)算”。“水工程安全分析和調(diào)度”對(duì)應(yīng)第六章“由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水”、第七章“流域產(chǎn)匯流分析計(jì)算”、第八章“水文預(yù)報(bào)”、第九章“由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水”。“水行政智能管理應(yīng)用”對(duì)應(yīng)第十章“軟件介紹及專題講座”。“水信息智能服務(wù)應(yīng)用”對(duì)應(yīng)第三章“水文信息采集及處理”、第四章“水文統(tǒng)計(jì)”。

2.2 "推行教師團(tuán)隊(duì)協(xié)同培養(yǎng)模式

根據(jù)行業(yè)“智慧水利”發(fā)展潮流，水利類專業(yè)經(jīng)典課程“工程水文學(xué)”需要跨學(xué)科教學(xué)才能充分優(yōu)化資源的配置。在師資隊(duì)伍建設(shè)方面，主要采取的策略是“一個(gè)重點(diǎn)，三個(gè)結(jié)合”，也就是說，重點(diǎn)是“培養(yǎng)出具有雙師雙能型的教師”，與此同時(shí)“培養(yǎng)和引進(jìn)，專職和兼職，老年中年青年教師相結(jié)合”。

明確水利專業(yè)任課教師綜合素養(yǎng)提升目標(biāo)。具體地，在“工程水文學(xué)”的教學(xué)實(shí)踐中融入交叉學(xué)科理念，在“智慧水利”這一領(lǐng)域，我們致力于培養(yǎng)一批不僅具備水利專業(yè)技術(shù)人才的全面素質(zhì)、知識(shí)體系和專業(yè)技術(shù)能力，還精通物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)科技的復(fù)合型教師團(tuán)隊(duì)。

建立水利―信息交叉學(xué)科合作教學(xué)模式。利用學(xué)校學(xué)科齊全的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)水利類專業(yè)師資與計(jì)算機(jī)信息類專業(yè)師資的交流融合，把優(yōu)秀的師資力量投入教學(xué)第一線。要求教師注重教學(xué)設(shè)計(jì)的多樣性，以適應(yīng)不同學(xué)科之間的融合。

創(chuàng)建交叉學(xué)科研究小組、師資共享等多種教研組織，為支持教師團(tuán)隊(duì)協(xié)同培養(yǎng)提供有效途徑。通過定期開展主題教研探討會(huì)、主題教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，促進(jìn)不同學(xué)科間教師教學(xué)思路的交融互通，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科協(xié)同育人的目標(biāo)。

2.3 "構(gòu)建多學(xué)科交叉融合的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)

通過學(xué)校與企業(yè)合作的模式，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與科學(xué)研究和企業(yè)實(shí)習(xí)，從而更好地應(yīng)用交叉學(xué)科的理論知識(shí)解決實(shí)際工程中的復(fù)雜問題，并增強(qiáng)他們的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

在課程教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行編程和開發(fā)，搭建“工程水文學(xué)”教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，構(gòu)建水利信息大數(shù)據(jù)庫(kù)。水利數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)的四大特點(diǎn)完全吻合，它無疑是大數(shù)據(jù)領(lǐng)域中一個(gè)非常有代表性的應(yīng)用實(shí)例。目前，水利大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，包括HDFS分布式文件存儲(chǔ)、MPP分布式數(shù)據(jù)庫(kù)硬件架構(gòu)、NoSQL非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)Spark內(nèi)存計(jì)算框架以及數(shù)據(jù)挖掘等。

匯集多學(xué)科教師隊(duì)伍力量共建“工程水文學(xué)”智慧教研平臺(tái)。以構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新思維為目標(biāo)，以“政用產(chǎn)學(xué)研”為路徑，水利、計(jì)算機(jī)、人工智能等多學(xué)科教師隊(duì)伍聯(lián)合構(gòu)建多學(xué)科交叉融合的智慧教研平臺(tái)，作為課程教學(xué)的有力教具。

3 "課程改革實(shí)踐探索與成效

3.1 "提出“工程水文學(xué)”課程“智慧化”的教學(xué)模式

將“智慧水利”理念融入“工程水文學(xué)”的課堂教學(xué)中，可以提升課堂教學(xué)質(zhì)量， 提高教師教學(xué)水平。通過對(duì)教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容的改變，將“智慧水利”通過不同的教學(xué)實(shí)踐融入“工程水文學(xué)”教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)潛移默化的教育作用；通過課程改革，還能夠使教師積極改變教學(xué)態(tài)度，提升教學(xué)水平，在教學(xué)過程中體現(xiàn)愛崗敬業(yè)、無私奉獻(xiàn)、踏實(shí)攻堅(jiān)的工匠精神，提高教師素養(yǎng)。

3.2 "搭建“智慧水利”課程教學(xué)及創(chuàng)新實(shí)踐研究平臺(tái)

在專業(yè)特征和社會(huì)需要的基礎(chǔ)上，實(shí)踐教學(xué)的目的主要包括三個(gè)方面：基本技能、專業(yè)技能和人格素質(zhì)，三者之間相互聯(lián)系，形成一個(gè)有機(jī)的、相互作用的整體。通過市場(chǎng)調(diào)查和企業(yè)參與，建立符合社會(huì)需要的職業(yè)培訓(xùn)計(jì)劃；為學(xué)生提供公共課學(xué)習(xí)平臺(tái)，為他們的專業(yè)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 "結(jié)語

本文結(jié)合“智慧水利”行業(yè)大背景，通過闡述當(dāng)前“工程水文學(xué)”課程普遍存在的偏重理論知識(shí)教學(xué)而缺乏實(shí)踐內(nèi)容、傳統(tǒng)的教學(xué)模式無法適應(yīng)社會(huì)對(duì)新型水利人才的需求等問題，以課程體系、教師團(tuán)隊(duì)、教學(xué)平臺(tái)為出發(fā)點(diǎn)，提出了“工程水文學(xué)”教學(xué)改革的具體方式，形成傳統(tǒng)“工程水利”與“智慧水利”交叉融合的全新課程培養(yǎng)體系，使課堂教學(xué)內(nèi)容“智能化”“自動(dòng)化”“信息化”，促進(jìn)學(xué)生在“智慧水利”“數(shù)字孿生”行業(yè)背景下的學(xué)習(xí)，更加符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

*通訊作者：李赫

基金項(xiàng)目：鄭州大學(xué)2023年度教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“新工科―智慧水利背景下《工程水文學(xué)》教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（2023ZZUJGXM076）；鄭州大學(xué)2022年度教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“大思政新工科背景下水利工程類專業(yè)課的課堂教學(xué)改革與實(shí)踐”（2022ZZUJG218）；鄭州大學(xué)2022年度混合式一流課程立項(xiàng)（重點(diǎn)）（2022ZZUYLKC029）。

參考文獻(xiàn)

[1] 左其亭.中國(guó)水利發(fā)展階段及未來“水利4.0”戰(zhàn)略構(gòu)想[J].水電能源科學(xué)，2015，33（4）：1-5.

[2] 張建云，劉九夫，金君良.關(guān)于智慧水利的認(rèn)識(shí)與思考[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2019（6）：1-7.

[3] 冶運(yùn)濤，蔣云鐘，曹引，等.以數(shù)字孿生水利為核心的智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，44（4）：1-16.

[4] 武瑋，桑國(guó)慶，潘維艷，等.工程教育認(rèn)證背景下工程水文學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科技視界，2021（35）：1-4.

[5] 曹玉濤，肖娟，郭向紅，等.工程教育認(rèn)證背景下《工程水文學(xué)》教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2020（19）：156-157.

[6] 龍奮杰，邵芳.新工科人才的新能力及其培養(yǎng)實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2018，172（5）：41-46.

[7] 杜圣東，楊燕.“人工智能+”背景下的新工科教育探索與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2020（7）：106-110.

[8] 黃小娥，黃飛華.基于專業(yè)集群的智慧水利人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2021，20（8）：244-246.

[9] 徐磊，張繼勛.智慧化背景下水利水電工程專業(yè)培養(yǎng)方案優(yōu)化[J].教育教學(xué)論壇，2021（19）：26-29.

[10] 江森匯，陳秀華.“新工科”背景下的工程水文學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)與實(shí)踐探索[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（34）：148-149.

[11] 張宏洋，張淙皎.跨學(xué)科跨專業(yè)背景下智慧水利人才培養(yǎng)體系研究[J].中國(guó)電力教育，2023（6）：75-76.

[12] 蔣宗禮，姜守旭.發(fā)揮本科教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新工科建設(shè)的推動(dòng)作用[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2018，329（1）：43-47.

[13] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

[14] 吳巖.勇立潮頭，賦能未來——以新工科建設(shè)領(lǐng)跑高等教育變革[J].高等工程教育研究，2020（2）：1-5.