多元化水文測驗實踐教學研究與應用

韓娜娜 王仰仁 周青云 葉瀾濤

摘要：本文根據《工程水文學》課程中水信息采集與水文數據處理兩大部分教學內容，通過多元化實驗手段可以使學生進一步了解水文信息采集的方法原理、儀器結構、性能和操作方法，幫助學生加強理解課堂中所學到的理論知識，提高學生的實際動手操作能力，同時也是提高水利學科人才實踐能力、創新能力和綜合素質的重要途徑。

關鍵詞：多元化；水文測驗；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）08-0199-02

水文測驗是我校水利工程學院水文與水資源工程專業的實踐課程，包括水文網站布設、水信息采集與水文數據處理等內容。目前屬于《工程水文學》課程中的一部分內容，它是進行水文要素的測量、計算以及水文資料整編的原理和方法的一門學科。目前，歐美國家的一些大學開設的水文類課程主要有“Physical Hydrology”和“Engineering Hydrology”等。國外重視實驗教學環節，美國的Utah State University的實驗教學內容充實，體系完整，同時實驗課程也達到了50%左右。相比之下，我校的這門課程實驗教學所占的比較較少，這就造成了我校水文測驗類的實驗教學課時比較少，也對培養學生的動手能力和開拓創新思維極其不利。

針對我校的這種情況，本項目以培養“高素質，重實踐”的創新性人才為目標，改革優化實驗方法，提出“理論引導—視頻演示—虛擬實驗—現場示范—親自動手”的五環節實驗教學思路，采用多種方法相結合，不斷深入實驗教學改革，提高教學質量，培養具有創新能力的人才。

一、加強理論的引導

這部分主要是指在課堂教學過程中，加強對水文測驗類實驗項目的理論知識的講解。水文觀測的項目有降雨、徑流、蒸發、泥沙、水位、冰棱、水溫等。在課堂講授過程中重點對降雨、蒸發、水位、徑流和泥沙的測量原理、測量方法、測量儀器、注意事項及資料整編等內容進行詳細的講解。這樣學生在做實驗之前，能夠對實驗項目的原理及操作步驟等在理論上加深理解，調動起學生的好奇心，讓學生對將要進行的試驗產生濃厚的興趣，提高學生的積極性。

二、利用實驗錄像演示

利用實驗錄像演示，即“視頻演示”，是將水文測驗的相關實驗項目錄制成視頻，先通過第一步的課堂理論講解，然后在學生進行水文測驗實驗前將相應的實驗操作步驟進行演示，這樣可以充分利用實驗錄像演示，可以彌補目前我院實驗場地和實驗設備的有限性，通過實踐證明這是比較行之有效的方法。首先學生已經在課堂學習了水文測驗項目的基本原理、操作步驟和注意事項等內容，然后再通過實驗視頻來加深對實驗過程的感性認識，這樣學生可以預先了解實驗的過程，為自己后續能夠順利、快速、準確的完成實驗提供保證。另外，若學生對某個實驗的環節不太清楚時，可以反復觀看實驗視頻，直到自己完成理解和掌握，這樣既可以加強和鞏固課堂上學到的基本知識，又對自己做實驗時提供了一定的指導，效果非常好。

三、加強虛擬仿真實驗環節

水文與水資源工程專業是培養國民經濟建設緊缺型人才的學科，具有很強的實踐性和綜合學術性，但是，傳統的以課堂講授為主的專業課教學模式難以實現這一目標。為此，我院進行了虛擬仿真綜合實驗室的建設，利用了現有的教學軟件及相關企業的開發實力和支持服務能力，力求完善補充傳統的教學模式，在水利水電工程施工組織設計、工程項目管理、大壩結構安全分析、泄水建筑物水動力三維仿真、流域產匯流仿真系統、河道斷面流速及流量監測虛擬仿真實驗教學系統等專業核心課程及相關課程設計中引入了虛擬數值仿真技術，利用專業軟件和專門的模擬教學系統來“模擬”水利水電工程建設活動實際運作的過程，涉及工程項目多目標、多因素的過程模擬的特點。以“河道斷面流速及流量監測虛擬仿真實驗教學系統”為例，通過該仿真系統，學生可以從空中俯瞰河流的全貌，然后在測流斷面進行流量的測驗。系統界面中給出流量測驗的步驟操作過程，然后學生按照仿真系統的提示進行操作，主要包括斷面測量和流速的測量，其中還有流速儀的安裝和使用，等等。斷面和流速的測量結束后，虛擬仿真系統提示進行流量的計算。通過這種互動和漸進式實驗教學方法，結合工程實踐，充分調動了學生的學習積極性，使學生能感性地理解教學內容，克服理論與實踐脫節的問題，更有利于學生的自主學習和相互交流，給學生提供廣闊的、乃至立體的學習空間，從而提高了學生的創新和應變能力。

四、增強現場示范

現場示范主要是根據水文測驗的項目，指導教師在實驗室或實驗場現場對學生進行實驗操作過程的示范。在示范過程中，邊操作邊提示學生這個操作步驟需要注意哪些事項，同時向學生提問，下一步是什么，可以找學生來回答，進一步加強學生對操作步驟的理解。另外，在實驗過程中，對于出現的問題和可能出現的問題都可以向學生提問，并指出對于這些問題，在實際操作時應該采取什么樣的措施來解決，這樣能夠使學生對水文測驗項目的操作過程非常清楚，有助于學生后續自己做實驗時，能夠保質保量的完成。當然，現場演示或示范時，對學生提出的問題現場解答，這樣可以解決學生的疑惑，有助于學生對水文測驗實驗更好的理解和掌握。

五、學生親自動手實驗

水文現象受許多自然因素制約和人類活動影響，一般的水文觀測和分析難以清楚地揭示其物理過程和相互關系，需要在野外或實驗室內用特定的程序、裝置和設備進行系統的、有控制的觀測和試驗。水文測驗包括三部分內容。

1.實驗設計。以有效、經濟為目標，對各試驗項目的組合、實驗場所、實驗方式、實驗程序、各輪試驗的邊界條件和重復次數等做出研究和判斷，初步設計出試驗方案和分析途徑。例如下滲實驗，可包括均質和非均質土的積水下滲、降雨下滲等試驗組合，分別以小流域、徑流場、土柱模型作為試驗場所，選不同降水強度和歷時、積水深度、土壤水分狀況、水力傳導度等為試驗變量，并進行一定次數的重復試驗。

2.測試手段。要滿足實時、實況觀測和保證必要的精度，當常規測試方法達不到目的時，需設計和運用特殊的儀器和方法。如上例中，用中子法測定土壤水分時，對下滲鋒面研究達不到要求，需另用γ法或電阻法作補充，或另設計放射性同位素示蹤方法進行研究。

3.實驗結果分析。常用方法有黑箱分析，建立確定性數學模型，用數學物理方程求解等，有時還可同時用幾種方法進行分析比較，并通過分析檢驗實驗設計，改進實驗方法，以求得表達所研究對象物理過程的數學模型。

總之，通過學生親自動手進行水文測驗實驗，在實驗過程中每個學生擔任一項任務，保證各組分工過程中，每個學生都能在實驗過程中進行操作并熟練掌握。

水文測驗通過一系列的教學改革，首先讓學生最初對實驗項目從理論方面的理解，通過視頻加強學生視覺感官方面的印象，其次通過我院市級虛擬仿真實驗中心的“流域產匯流仿真系統”和“河道斷面流速及流量監測虛擬仿真實驗教學系統”進行仿真實驗，加強了對復雜及實際情況難以實現的實驗理解，再通過實驗教師的現場示范環節進一步掌握實驗的過程及注意事項，最后通過學生親自動手實驗，保證每位學生能夠對水文測驗項目進行操作并熟練掌握，可見本項目采用的“理論引導—視頻演示—虛擬實驗—現場示范—親自動手”的五環節實驗教學思路，采用多種方法相結合，能夠不斷深入實驗教學改革，提高教學質量。

參考文獻：

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