美國“工程水文學”與“水文學”課程教學比較研究

宋松柏　康艷　降亞楠

摘 要：文章基于密歇根州立大學P. Mantha教授，阿拉巴馬大學Bob Pitt 教授，科羅拉多州立大學Jorge A. Ramirez教授，德克薩斯州大學奧斯汀分校Daene C. McKinney教授、David R. Maidment教授，德州農工大學Tony Cahill教授，北卡羅萊納州立大學Sankar Arumugam教授“工程水文學”和“水文學”教學資料的基礎上，分析了美國大學“工程水文學”與“水文學”教學內容、環節與方法，并提出改革我國現有“工程水文學”課程的建議。

關鍵詞：工程水文學；水文學；美國

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）04-0001-03

“工程水文學”和“水文學”課程涉及水力學、土壤學、氣象學、高等數學、線性代數、概率論與數理統計、水文地質學、程序設計和測量學等方面的知識[1-2]，是水利水電工程、水務工程、港口與航道工程、農田水利工程、給水排水工程、環境工程等課程的基礎課程，具有知識面廣和實踐性強的特點[3-5]。美國是世界上高等教育發達的國家之一，擁有廣泛的水科學教育[6-7]，開設的“工程水文學”課程，與我國水利類和土木工程類專業課程同名，是專業最為核心的基礎課程，它也是我國攻讀碩士研究生的必考科目，因而受到廣泛的重視。作者在美國Texas A & M大學做訪問學者期間，旁聽了土木系“工程水文學”的教學整個過程。在此基礎上，查閱了密歇根州立大學P. Mantha教授，阿拉巴馬大學Bob Pitt 教授，科羅拉多州立大學Jorge A. Ramirez教授，德克薩斯州大學奧斯汀分校Daene C. McKinney教授，David R. Maidment教授，德州農工大學Tony Cahill教授，北卡羅萊納州立大學Sankar Arumugam教授“工程水文學”和“水文學”的教學資料，分析了“工程水文學”和“水文學”教學內容、教學環節和教學方法，總結了美國土木工程、環境工程和水文水資源方向這一課程的教學特點，以期為我國“工程水文學”課程教學提供參考。

一、必讀書目、閱讀文獻與軟件

（一）必讀書目

美國一般沒有統編的教材，由教師指定書目和參考書目。“工程水文學”和“水文學”課程必讀書目主要有Ram S. Gupta主編的《水文與水力系統》、Richard H. McCuen主編的《水文分析與設計》、Ven Te Chow，David Maidment和Larry W. Mays主編的《應用水文學》、S. Lawrence Dingman主編的《水文學原理》等。

（二）參考書目與閱讀文獻

參考書目主要有George M. Hornberger主編的《水文學原理基礎》，Wilfried Brutsaert主編的《水文學導論》，Peter S. Eagleson主編的《動力水文學》，Vijay P. Singh，John Wiley和Sons主編的《水資源運動波模型》，Jack R. Benjamin 和 C. Allin Cornell主編的《工程師概率、統計和決策》，Rafael L. Bras主編的《水文學——水文科學導論》，Warren Viessman，John Knapp和Gary Lewis主編的《水文學導論》，V.P. Singh主編的《水文學基礎》，W.Viessman，Harper 和 Row主編的《水文學導論》，D. Maidment 主編的《水文手冊》，Bedient 和Huber主編的《水文和河漫灘設計》，Linsley，Jr.，R.K.，M.A.，Kohler和J.L. Paulhus主編的《應用水文學》，Gleick，P.H.編寫的《水危機——世界淡水資源指南》，Shiklomanov，I.A編寫的《21世紀初的世界水資源》。除此之外，還有美國地質勘查局、美國陸軍工程師團和美國環境保護署研究報告、標準和規范等，自編講義材料等，以及“Water Resources Research”、“Journal of Hydrology”、“Hydrological Processes”、“Advances in Water Resources”、“Hydrological Sciences Journal”、“Journal of Hydrologic Engineering”、“Hydrology and Earth System Sciences”、“Hydrogeology Journal”、“Journal of Hydrometeorology”、“Journal of Contaminant Hydrology”、“Journal of Hydroinformatics”和“Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology”等期刊的文獻。

（三）計算語言與軟件

包括MATLAB；Microsoft Excel、Microsoft Word、Microsoft PowerPoint；NRCS和HEC，ArcGIS和ArcHydro等。

二、教學內容

（一）密歇根州立大學土木與環境工程P. Mantha

教授“工程水文學”教學內容

包括緒論（課程目的、水循環、質量守恒、水量平衡、靜止和運動的水）；陸氣交互作用（降水形成、觀測和時空分析，降雪，觀測和融雪，蒸散發）；地表地下交互作用與地下水文學（土壤水分與下滲，下滲模型，地下水含水層，含水層特性與儲水量，地下水水流理論，流網，井水力，不穩定水流Theis 求解，井場，含水層試驗分析，污染物運移模型）；地表水地下水交互作用于地表水文學 （流量觀測，山坡水文學，徑流過程分割，徑流模擬技術，徑流曲線法，單位線法，延遲法，S曲線法）；水資源規劃設計與管理（極值流量計算，過程合成，洪峰流量計算，匯流時間，暴雨污水設計，降雨強度歷時曲線，推理方法應用，設計計算，匯流，槽蓄匯流，PULS法，水庫法，暴雨蓄洪池設計，可持續與區域水量平衡，成本效益設計原理，職業資質的重要性，工程管理概念）。

（二）阿拉巴馬大學土木結構與環境工程系Bob Pitt 教授“工程水文學”教學內容

包括緒論，流域特性和土壤分布圖，降水，下滲，蒸散發，野外流量觀測，應用推理公式法、AL DOT回歸法、NRCS TR-20/55和HydroCAD進行洪峰流量計算，流量過程分析與合成，考慮未來水質要求的雨水和排水設計，流域水文模型 COE HEC-HMS等。

（三）科羅拉多州立大學土木工程系Jorge A. Ramirez教授“工程水文學”教學內容

包括線性系統分析和降雨徑流分析（單位線理論，瞬時單位線，瞬時單位法，諧波分析，傅氏變換，拉普拉斯變換，線性河道，線性水庫和Nash模型）；河道和水庫洪水演進（洪水演進，水庫洪水演進方法，線性馬斯京根法）；分布式和坡面匯流（分布式匯流—波運動、運動波和坡面匯流解析求解與數值解，空間入滲變異下的坡面匯流，擴散波和動力波匯流）；水文設計（設計尺度，設計等級，風險分析，貝葉斯決策分析）；降水資料分析（數據分析、模型、面降水量計算法，Kriging，具有協方差的Kriging，具有半協方差的Kriging，具有廣義協方差的Kriging、Co-Kriging、地形影響及其分析）；設計暴雨（設計降水，強度—歷時—頻率曲線，設計降水過程，極限暴雨估算，頻率分析）。

（四）德克薩斯州大學奧斯汀分校環境與水資源

工程系Daene C.McKinney教授“水文學”教學內容

包括緒論，水循環，質量守恒，動量和能量守恒，水傳輸過程，大氣水，降水，蒸發，下滲，徑流過程，水文測驗，單位線，徑流過程計算，水庫和河道匯流，洪水頻率分析，洪峰和水文設計，HEC-HMS 介紹等。

（五）北卡羅萊納州立大學土木結構與環境工程系Sankar Arumugam教授“工程水文學”教學內容

包括緒論（水文時空尺度變化與水資源管理關系，水文流量估算的挑戰）；水量平衡和水循環（連續方程，區域水量平衡，水庫質量平衡模型應用，儲蓄理論）；水量平衡模型—率定和校正（水量平衡模型，率定和校正，流域模型率定）；統計回顧（隨機變量，概率分布，超越概率，重現期，相關，一階滯后相關）；徑流時空變化（時間變化—流量歷時曲線；空間變化—點和空間估算）；全球氣候系統與水循環（地球能量收支—CO2作用于氣候變化，濕度與能量平衡集成—全球和區域尺度，氣候變化ENSO）；降水及其估算（水蒸氣觀測，降水形成，降水機制，季節降水問題與量化，Lake Wheeler ECONET基地參觀）；雪和融雪估算（儲雪作用，特性—密度，雪水當量，基于能量平衡的融雪計算，溫度指標法）；蒸散發物理基礎與估算（蒸發物理基礎—潛熱傳輸，質量傳輸，估算 質量傳輸， 能量平衡和復合方法，器皿蒸發，潛在蒸發，Penman-Monteith方法）；流域模型（集總式、半分布式模型回顧—文獻，質量、能量集成模型—VIC， DHSVM）。

（六）德克薩斯州大學奧斯汀分校土木工程系David R.Maidment教授“水文學”教學內容

包括地表水文學導論，水文系統和連續體，動量和能量，大氣水，降水，蒸發，下滲和土壤水運動，Green-Ampt下滲方程，徑流過程，水文測驗，Brushy Creek流域實習，單位線，水庫和河道洪水演進，HEC-HMS介紹，Brushy Creek流域HEC-HMS 應用，Brushy Creek流域實習，HEC-GeoHMS 和HEC-GeoRAS，Brushy Creek流域HEC-RAS應用，水文統計，洪水頻率分析，水文設計和風險分析，設計暴雨，雨量圖與洪水圖，防洪水文設計，供水水文設計等。

（七）德州農工大學土木工程系Tony Cahill教授“水文學”教學內容

包括水循環，流域和水量平衡，全球水循環，降水機理和熱動力學，降水觀測，降水空間分析，頻率分析，蒸散發，降水損失，徑流模型方法，徑流過程，單位線，水文過程合成，匯流，流域模型HEC-HMS，地理信息系統與GIS，高等水文模型。

三、教學環節與方法

課程采用講課、課堂討論與答疑、作業、小組工作、課題方案與報告、實驗和實習、計算機上機等環節，所有這些包含在“工程水文學”或“水文學”教學大綱中。與我國課程教學相比，具有以下特點。

（一）教學內容動態化

教師可以根據水文學最新理論發展增加教學內容，每一輪授課的教學內容都有所差異，體現了美國水文水資源教育的靈活性、可選擇性，課程教學具有高度的彈性。

（二）無統編教材

教材是輔助學習工具，不是考試標準用書。沒有任何一本教材包含所有的教學內容。許多原理方法、實例和最新理論方法，包含在參考書目、期刊論文、研究報告等閱讀文獻之中。

（三）學時與內容少，作業多，課后任務重

教師上課講授內容少，線條較粗。對一些內容，教師一般不詳細講解，主要依靠學生閱讀文獻和作業來掌握知識。因此，課后布置作業和閱讀大量文獻，任務量大，學生需要花費時間用功學習和完成。大作業則通過學習小組工作來完成，小組成員工作積極認真，共同討論，共同工作，相互協作，誠實完成各自的任務。

（四）教學方法靈活

除一些基礎課外，教學班規模通常較小，一般規模在20—30人。教學設備齊全，配備有黑板、幻燈機、投影儀和計算機等，教室桌、椅均可以移動。根據教學需要，桌、椅可以進行靈活組合，大多數采用板書和現代教學技術手段進行教學。有的教師也采用圓桌會議的形式教學，讓學生圍坐在自己的周圍，擬定一些命題進行討論。課堂氣氛活躍，學生可以隨時提問，教師在講課過程中經常給出一些問題，學生回答問題和發言積極，課堂表現計入總評成績。這種談話式、探討式表達形式，使學生感到輕松和很有親和力。

（五）注重創新能力的培養

“工程水文學”或“水文學”課程都有課題方案（Project）訓練環節，通常是由一個小組完成一個課題，給予學生應用水文原理解決實際問題的經歷。培養學生的解決專業問題、表達技巧和交流能力，理解和接受各種不同的觀點和見解的包容心態、創新能力、合作精神和交際能力。

（六）課程成績評定綜合化

“工程水文學”或“水文學”課程測驗較多，除規定的測驗和期末考試外，課堂上也設定幾次不定期的小測驗，測驗不同階段學習內容的掌握程度。一般來說，平時成績大于期末考試成績。考試試題題型靈活、開放，不僅有概念和基本運算，而且還有許多最新難點、熱點問題，綜合理解題型，無標準答案。這種題型需要學生平時花費時間理解和貫通課程內容，閱讀大量文獻等才能完成。

四、對我國“工程水文學”課程教學的啟示

美國高等工程教育以“大工程觀”為理念[8]，工科院校是國家科技創新的發源地和創新型工程科技人才培養的主要機構。經過100多年來的發展，美國聚集了一批國際上著名的水文學和水資源專家，是水文科學體系最主要的貢獻國家之一，“工程水文學”課程教學成功經驗值得我們參考和借鑒。相比我國的課程教學，作者建議進行以下幾方面的改革。（1）不宜采用固定教學大綱限制教學內容，鼓勵教師講授水文學最新研究難點和熱點問題。（2）課程設計是我國課程教學的特色，類似美國的“project”，但是，兩者考核有差異，美國大學考核較為客觀和全面。建議除按書面報告考核外，增加向全班做發言介紹，鼓勵自由提問和回答，把現場答辯表現和課程設計實際完成質量綜合作為評估依據，訓練學生的表達技巧、交流能力、創新能力和接受不同意見的包容心態。（3）與美國課程作業相比，我國現有教材章節習題較為簡單，工作量較小。教材修訂時，應重視具有系統性和實際工程背景的大作業編寫，增加課后學習任務，培養學生應用水文學原理解決工程實際問題的能力，提高教學效果。（4）增加課堂參與表現評估、不定期測驗等考核，取消按教學日歷檢查教學課堂內容的做法，給予教師根據教學進度和學生實際情況進行教學安排設計的自由權利，達到真正提高教學效果的目的。（5）改革現有考試試題題型數目的限制，增加考核學生理解能力和沒有嚴格標準答案的試題，給予教師一定的權利，合理地評定學生成績。

參考文獻：

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