以“實(shí)驗(yàn)金課”為導(dǎo)向的水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要：水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐不僅是革新傳統(tǒng)教學(xué)方式方法、打造“實(shí)驗(yàn)金課”的迫切需要，也是新工科背景下培養(yǎng)適應(yīng)水利現(xiàn)代化和智慧水利建設(shè)人才的現(xiàn)實(shí)需求。針對(duì)水文預(yù)報(bào)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的時(shí)空限制，基于虛擬仿真平臺(tái)以流域水文模型為核心，設(shè)計(jì)和構(gòu)建水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)合動(dòng)畫(huà)展示產(chǎn)匯流過(guò)程和機(jī)理，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)，有助于培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，切實(shí)提高水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：水文預(yù)報(bào)新安江水文模型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G807

DesignandPracticeofVirtualSimulationExperimentsforHydrologicalForecastingOrientedby"GoldenExperimentalCourses"

DUHong

CollegeofResourcesandEnvironment，South-CentralMinzuUniversity，Wuhan，HubeiProvince，430074China

Abstract：Thedesignandpracticeofthevirtualsimulationexperimentalteachingofhydrologicalforecastingarenotonlyurgentneedstoinnovatetraditionalteachingmethodsandcreate"goldenexperimentalcourses"，butalsopracticalneedstocultivatetalentswhoadapttothemodernizationofwaterconservancyandsmartwaterconservancyconstructionunderthebackgroundofnewengineering.Inviewofthetime-spacelimitationsexistingintheofflineexperimentalteachingofhydrologicalforecasting，basedonavirtualsimulationplatform，withahydrologicalmodelofthebasinasthecore，avirtualsimulationexperimentofhydrologicalforecastingisdesignedandconstructed，andtheprocessandmechanismofrunoffproducingandconfluenceareshowedincombinationwithanimations，soastoachievethecombinationofvirtualityandrealityandthecomplementarityofvirtualityandreality，whichhelpstocultivateandenhancestudents'innovativepracticalabilitiesandeffectivelyimprovethequalityoftheexperimentalteachingofhydrologicalforecasting.

KeyWords：Hydrologicalforecasting;HydrologicalmodeloftheXin’anRiver;Virtualsimulation;Experimentalteaching

2018年教育部文件提出：“各高校要全面梳理各門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰“水課”，打造‘金課’，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量”[1]。在全國(guó)高校打造“五大金課”的背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)金課的建設(shè)已成為高校人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)的重要組成部分[2-4]。水文過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)演變系統(tǒng)[5]，氣候、植被、下墊面等自然條件變化對(duì)水資源的分布狀況產(chǎn)生影響，人類(lèi)活動(dòng)也直接或者間接對(duì)水資源產(chǎn)生影響。其中，水文過(guò)程中小尺度的微觀機(jī)理可以通過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)，而大尺度的宏觀規(guī)律的真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)踐，如流域水文模擬、河道洪水演進(jìn)、實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決了水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題，如難以讓學(xué)生經(jīng)歷和體驗(yàn)的限制，突破了大型實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量、操作過(guò)程等限制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式缺點(diǎn)與不足[6-8]。因此，水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是革新傳統(tǒng)教學(xué)方式方法、打造“實(shí)驗(yàn)金課”的迫切需要，也是培養(yǎng)適應(yīng)水利現(xiàn)代化和智慧水利建設(shè)人才的現(xiàn)實(shí)需求。

1水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)

水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)收集和處理流域基本資料，根據(jù)預(yù)報(bào)任務(wù)要求和流域特征構(gòu)建流域水文模型，進(jìn)一步對(duì)水文模型進(jìn)行參數(shù)率定、驗(yàn)證，開(kāi)展水文預(yù)報(bào)并進(jìn)行精度評(píng)定和誤差分析，讓學(xué)生掌握水文預(yù)報(bào)工作的核心和過(guò)程。水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)如下。

（1）能夠圍繞預(yù)報(bào)任務(wù)和要求收集基本資料、處理基本資料，掌握產(chǎn)流機(jī)制、水源劃分、匯流計(jì)算原理與方法。

（2）掌握新安江模型的結(jié)構(gòu)、原理、計(jì)算過(guò)程，能夠編程構(gòu)建三水源的新安江模型，熟悉參數(shù)率定、驗(yàn)證過(guò)程，能夠?qū)︻A(yù)報(bào)結(jié)果采用相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行合理性分析和誤差分析。

（3）培養(yǎng)發(fā)布作業(yè)預(yù)報(bào)的高度責(zé)任感，樹(shù)立水文工作者的責(zé)任感、使命感和價(jià)值感；培養(yǎng)學(xué)生在流域變化環(huán)境條件下、缺乏資料條件下進(jìn)行水文預(yù)報(bào)的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)探索精神。

2水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)金課“兩性一度”（高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度）的標(biāo)準(zhǔn)[9]，構(gòu)建“產(chǎn)流—水源劃分—坡面匯流—河網(wǎng)匯流”的虛擬仿真全過(guò)程，引入水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使學(xué)生綜合運(yùn)用水文預(yù)報(bào)理論課程中學(xué)習(xí)的知識(shí)，通過(guò)交互的方式開(kāi)展水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)流域產(chǎn)匯流過(guò)程的機(jī)理，熟悉產(chǎn)流計(jì)算、劃分水源計(jì)算、匯流計(jì)算的過(guò)程和要點(diǎn)，理解水文作業(yè)預(yù)報(bào)過(guò)程中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、水文模型構(gòu)建、參數(shù)設(shè)置和調(diào)整、精度評(píng)定和誤差分析。通過(guò)水文預(yù)報(bào)全過(guò)程的虛擬仿真和可視化，讓學(xué)生真切地感知降水到洪水的全過(guò)程，深入理解水文預(yù)報(bào)工作的流程和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)處理與準(zhǔn)備、三水源新安江模型的構(gòu)建、優(yōu)選模型參數(shù)、預(yù)報(bào)結(jié)果精度評(píng)定。數(shù)據(jù)處理與準(zhǔn)備主要包括采用地理信息系統(tǒng)GIS提取水系、流域分塊等，三水源新安江模型的構(gòu)建包括蒸散發(fā)計(jì)算、蓄滿產(chǎn)流計(jì)算、三水源劃分、匯流計(jì)算，優(yōu)選模型參數(shù)分為手動(dòng)優(yōu)選和計(jì)算機(jī)優(yōu)選模塊，預(yù)報(bào)結(jié)果精度評(píng)定主要是對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范）》（GB/T22482—2008）的規(guī)定評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)精度。

水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心部分主要包括以下3個(gè)方面。

（1）蓄滿產(chǎn)流和三水源劃分的原理和計(jì)算流程，重點(diǎn)采用動(dòng)畫(huà)形式仿真蓄滿產(chǎn)流過(guò)程、基于蓄水容量曲線的產(chǎn)流量計(jì)算過(guò)程和基于自由水蓄水庫(kù)的水源劃分過(guò)程，突破教學(xué)過(guò)程中的重難點(diǎn)內(nèi)容。

（2）河道洪水演算的原理和計(jì)算流程，重點(diǎn)采用動(dòng)畫(huà)仿真河道中洪水波從河道上斷面?zhèn)鞑サ胶拥老聰嗝娴倪^(guò)程，反映洪水波的推移、坦化作用，河道沿程斷面的水位和流量的變化過(guò)程，幫助學(xué)生深入理解馬斯京根流量演算法的原理和計(jì)算。

（3）新安江模型參數(shù)調(diào)整原理和方法，重點(diǎn)采用交互式手段，動(dòng)態(tài)展示新安江模型參數(shù)對(duì)洪水過(guò)程的影響，幫助學(xué)生理解和識(shí)別出敏感性參數(shù)，自主探究各個(gè)模型參數(shù)對(duì)洪水過(guò)程的影響，進(jìn)一步深入理解參數(shù)調(diào)整的方法，在反復(fù)調(diào)整參數(shù)尋找最優(yōu)參數(shù)組合的過(guò)程中，積累參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗(yàn)。

水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)三維仿真技術(shù)與多方位交互，再現(xiàn)了流域產(chǎn)匯流的全過(guò)程和水文模型各個(gè)參數(shù)變化對(duì)洪水過(guò)程的影響，使學(xué)生能夠全程真實(shí)感知洪水的形成、發(fā)生和發(fā)展，全程參與水文預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、建模、調(diào)參、精度評(píng)定過(guò)程，有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程的深入理解，體會(huì)水文作業(yè)預(yù)報(bào)工作的流程，有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。以新安江模型為核心的水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

中南民族大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院建設(shè)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，擁堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，完善了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的全方位共享。擁有高性能計(jì)算機(jī)40余臺(tái)，配備有高清融合投影系統(tǒng)、服務(wù)器、工作站、仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和工程制圖等各型專(zhuān)業(yè)設(shè)備與軟件，可供學(xué)生開(kāi)展虛擬仿真、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)等教學(xué)、教改活動(dòng)（如圖2所示）。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的應(yīng)用，使人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)、科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)室與基地建設(shè)互相促進(jìn)、互相支撐、相互融合，為學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)、教學(xué)質(zhì)量提高提供了有力支撐。

根據(jù)水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)耦合到現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，形成水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程如下。

（1）教師講解實(shí)驗(yàn)背景與目的、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)軟件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟等，同時(shí)融入課程思政元素，通過(guò)水文預(yù)報(bào)在防災(zāi)減災(zāi)中應(yīng)用的實(shí)際案例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)水文預(yù)報(bào)的重要性，激發(fā)專(zhuān)業(yè)興趣，體會(huì)水文工作者的價(jià)值感、責(zé)任感，樹(shù)立專(zhuān)業(yè)自信，認(rèn)識(shí)到水文人的使命擔(dān)當(dāng)。

（2）學(xué)生在理解了基本實(shí)驗(yàn)原理、方法和步驟之后，使用水環(huán)境與水資源虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)仿真深入理解模型原理和計(jì)算流程。

（3）教師采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、啟發(fā)式教學(xué)法和課堂討論教學(xué)法，理論聯(lián)系實(shí)踐，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)的原理方法的基礎(chǔ)上，編制計(jì)算程序框圖或者流程圖，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上編寫(xiě)程序和運(yùn)行計(jì)算，通過(guò)多方位交互，深入理解數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)輸出和精度評(píng)定過(guò)程，完成設(shè)定的預(yù)報(bào)任務(wù)，在教學(xué)過(guò)程中貫徹新時(shí)代水利精神和大國(guó)工匠精神，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考分析、解決問(wèn)題的能力和良好的職業(yè)道德素養(yǎng)，提高自身綜合素質(zhì)能力。

（4）教師進(jìn)行水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總結(jié)，進(jìn)一步通過(guò)與教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系的前沿拓展，啟發(fā)學(xué)生思考水文預(yù)報(bào)方法存在的問(wèn)題和目前解決的途徑，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索與創(chuàng)新意識(shí)，尤其是在流域變化環(huán)境條件下、缺乏資料條件下進(jìn)行水文預(yù)報(bào)的科學(xué)探索與創(chuàng)新，明確未來(lái)努力和鉆研的方向。

4水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特色

新工科背景下以“實(shí)驗(yàn)金課”為導(dǎo)向的水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特色在于以下3個(gè)方面。

（1）水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將原理方法融入實(shí)驗(yàn)過(guò)程，采用開(kāi)放共享式管理，突破時(shí)間和空間限制，虛實(shí)結(jié)合，虛實(shí)互補(bǔ)，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建理論到實(shí)踐的完整的知識(shí)體系，使學(xué)生由“要我做實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙鰧?shí)驗(yàn)”。同時(shí)，支撐多學(xué)科交叉的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，還可以與科研項(xiàng)目研究和生產(chǎn)項(xiàng)目緊密結(jié)合。

（2）水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將科研課題、前沿拓展等轉(zhuǎn)化和融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，以研促教。一方面，將知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)貫穿在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，鍛煉學(xué)生解決水文預(yù)報(bào)實(shí)際問(wèn)題的能力；另一方面，反映了水文預(yù)報(bào)科學(xué)前沿，采用水文預(yù)報(bào)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的多方位交互，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程帶有探究性和挑戰(zhàn)性。

（3）以學(xué)生為中心，水文預(yù)報(bào)虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過(guò)程中，圍繞課堂內(nèi)容的知識(shí)目標(biāo)，設(shè)定一個(gè)能鍛煉相應(yīng)能力目標(biāo)的預(yù)報(bào)問(wèn)題或者任務(wù)。教師綜合應(yīng)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、課堂小組討論等多種方式方法，組織學(xué)生針對(duì)預(yù)報(bào)任務(wù)開(kāi)展分小組研討分析、編程計(jì)算等，教師在這個(gè)過(guò)程中提供答疑和適當(dāng)引導(dǎo)，達(dá)到師生互動(dòng)、生生互動(dòng)、生生合作，促進(jìn)學(xué)生發(fā)散性思考和開(kāi)拓思路，增加學(xué)生參與度和思考協(xié)作，打通理論到實(shí)踐應(yīng)用的最后一公里。

5結(jié)語(yǔ)

水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)克服了真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法呈現(xiàn)大尺度流域產(chǎn)匯流過(guò)程等限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)符合培養(yǎng)目標(biāo)，緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，同時(shí)具有科學(xué)前沿性，通過(guò)虛擬仿真和全方位交互，使學(xué)生深入理解水文預(yù)報(bào)原理和開(kāi)展作業(yè)預(yù)報(bào)流程，不僅可以高效率地多次操作實(shí)驗(yàn)，也可以直觀地展示參數(shù)對(duì)模型影響的內(nèi)在原理。在注重水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深v5Ey9HrWkJONbkyDcgsDBA==度和廣度的同時(shí)，突破了實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，有助于培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，切實(shí)提高了水文預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和質(zhì)量。以“實(shí)驗(yàn)金課”為導(dǎo)向的水文預(yù)報(bào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)思路還可以推廣到水利工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中，助力提升“新工科”背景下卓越工程師人才培養(yǎng)質(zhì)量，具有十分重要的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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