工科專業偏理科類課程的上機實驗環節設置研究

李建林 鄭繼東

摘要：工科專業偏理科類課程理論性強，內容相對枯燥，增加上機實驗環節，可以提高學生的學習興趣，促進教學水平的提高。以水文統計學課程為例，探討了實驗設置、前期準備和實驗注意事項等問題，以期為高校課程教學改革提供有益的借鑒作用。

關鍵詞：偏理科類課程；工科專業；上機實驗；水文統計學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）48-0265-02

工科是應用數學、物理學、化學等基礎科學的原理，是結合生產實踐所積累的技術經驗而發展起來的學科，是我國高校第一大學科（共55個專業），其培養目標是在相應的工程領域從事規劃、勘探、設計、施工、原材料的選擇研究和管理等方面工作的高級工程技術人才。在工科專業的專業課程（尤其是專業基礎課程）中，有些課程偏理科，理論性較強，以致教師和學生在該門課程的教與學的過程都感覺比較吃力。專業基礎課中的實驗教學對于抽象概念和理論的理解非常重要，是培養大學生創新意識和探索能力的重要環節。本文以水文與水資源工程專業水文統計學課程為例，探討了上機實驗環節的設置，以期為提高工科專業基礎課程的教學水平提供有益的借鑒作用。

一、水文統計學教學內容及學時安排

水文統計學是根據水文現象的特點，將概率論與數理統計的原理和方法用于水文數據的分析并做出推斷的學科，它是水利工程學科水文與水資源工程專業的一門專業基礎課。這門課程的學習可以使學生掌握水文統計學的基本概念、常見水文統計計算方法、P-III型水文曲線繪制以及回歸分析、假設檢驗等常見的水文數據處理技術，為學生進一步學習水文水力計算、流域水文模型等課程以及今后從事水文專業教學及其相關研究打下基礎。但課程基本概念比較抽象，不易掌握，數學基礎要求高。

按照高校水利學科教學指導委員會組織編審，黃振平、陳元芳主編的教材，教學內容一共包括12章，其中第1～5章為概率部分，第6～9章為統計部分，第10～12章為其他部分（包括誤差理論、隨機過程和時間序列分析三部分）。學時安排各高校大多在32～40學時之間，實驗學時一般為4～8學時。

課時短、內容多、任務重是本課程面臨的現實問題，所以壓縮教學內容和實驗學時是講授本門課程的教師不得不做出的選擇。但如何壓縮，不同教師有不同的做法。筆者自2008年承擔水文統計學教學至今，也進行了不同的嘗試。目前在教學中，課堂學時安排如表1所示。

二、實驗內容的選擇

實驗教學是培養大學生專業領域創新意識和探索能力不可替代的手段。通過實驗，學生不僅可以掌握基本的實驗技能，而且能深入理解專業基礎課中的基本理論知識。水文統計學教學內容都是以概率統計為基礎的水文概率計算與分析，理論性強；但只學理論、方法，而不應用于實踐，學生學完之后會很快將知識還給教師，所以開設上機實驗是激發學生學習熱情、提高學習效率、鞏固學習成果較好的途徑。為此，在對教學內容認真分析的基礎上，從第7章開始，每一章都至少開設一個上機實驗（見表2）。

三、實驗內容的選擇

第7章水文頻率計算是本課程核心的教學內容，P-III型曲線的相關內容更是本章的重點，所以“Excel下的P-III型曲線的繪制”實驗的安排可以加深學生對基本概念的理解和應用，為后續課程的學習打下良好的基礎。其主要內容包括：海森幾率格紙的繪制、參數的適線法估計、曲線的繪制和擬合程度的判定，其中海森幾率格紙的繪制需要保持足夠的細心和耐心，所以安排4學時。課堂授課階段要對該方法進行初步的講解。

第8章假設檢驗的“Excel下的水文數據的非參數假設檢驗”實驗內容包括：整體分布的假設檢驗、獨立性檢驗和一致性檢驗，實驗較為簡單，安排2學時。但在實驗準備階段，需要授課教師準備好需要的水文數據。

第9章回歸分析的“SPSS下的水文曲線回歸分析”實驗內容包括：水文數據的線性回歸和非線性回歸，較為簡單，安排2學時。在實驗準備階段，需要授課教師準備好需要的水文數據，同時在前期需要學生下載并學習SPSS軟件，不然實驗無法進行，所以鼓勵、引導學生自己完成SPSS軟件基本知識的學習是該實驗順利完成的關鍵。

第11章隨機過程的“Excel下的水文序列的Markov預測”實驗內容包括：水文數據的狀態劃分、計算轉移矩陣、一步及多步轉移的預測。其中轉移矩陣的計算需要花費較多的時間，需要保持足夠的細心和耐心，所以安排4學時。

第12章水文時間序列分析的“Excel下水文時間序列組成成分識別”實驗內容包括：水文數據趨勢成分識別和檢驗（利用滑動平均法和Kendall秩次相關檢驗法）和突變點的識別。數據量較大，所以安排4學時。

四、教學效果分析

目前，一般高校本課程實驗安排為4～8學時，所以可根據不同情況自行選擇實驗內容。其中“Excel下的P-III型曲線的繪制”實驗應該是必選實驗。近年來，本人在授課過程中，選擇“Excel下的水文序列的Markov預測”實驗作為另一個實驗。通過課后學生的評價，上機實驗環節起到了激發學生學習熱情、提高學習效率、鞏固學習成果的目的（見表3）。

五、結語

1.水文統計學與概率論與數理統計有很多重復的內容，如果在教學過程中不突出水文的特點，學生的意見會比較大，教學效果也會較差，所以這些實驗的設置對于學生加深水文統計學課程基本概念的理解和應用，會起到積極的作用。

2.這5個實驗都要求授課教師在前期準備大量的水文序列數據；要求學生在進行實驗之前學習相關的軟件，掌握計算機基本操作技能。通過實驗以及前期相關知識的學習與互動，可以增加師生的交流，提高學生的學習興趣。

3.工科專業偏理科類課程理論性強，內容相對枯燥，增加上機實驗環節可以促進傳統教學模式的改革，提高教學質量。

參考文獻：

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