“水文測驗”課程建設存在的問題及應對

魏玲娜　寧瑋　葛慧

摘 要：水文氣象作為水文學和氣象學交叉衍生出來的新興學科，主要研究地球上水圈與大氣圈層面上的水的運動與變化規律。由于臺風、洪澇、干旱、山洪泥石流等極端水文氣象事件頻繁發生，水文氣象學專業順應當前社會經濟發展需求及學科發展需要產生。大氣科學（水文氣象方向）專業是水文氣象學科發展的初步探索，是在大氣科學大類學科中設立的一個新的方向性的本科專業。本文介紹了該專業“水文測驗”理論與實踐課程建設情況，總結了當前課程建設中存在的問題，借鑒了國內外高校水文測驗類課程教學模式和教學手段，初步探索了“水文測驗”課程教學改革的方向。通過實踐與探索，以期不斷提高教學質量，調動學生的學習積極性和主動性，培養具有創新能力的水文氣象復合型人才。

關鍵詞：水文測驗；水文氣象；課程建設

作者簡介：魏玲娜，博士，南京信息工程大學大氣科學與環境氣象國家級實驗教學示范中心講師，研究方向為水文氣象、水循環模擬（江蘇 南京 210044）；寧瑋，撫州市水文局廖家灣水文站（江西 撫州 344000）；葛慧，南京信息工程大學大氣科學與環境氣象國家級實驗教學示范中心。（江蘇 南京 210044）

基金項目：本文系南京信息工程大學2017年度地球科學虛擬仿真實驗教學課程建設項目（編號：XNFZ2017）和淮河流域氣象開放研究基金（編號：HRM201304）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）32-0049-03

一、“水文測驗”課程建設的背景

水文氣象作為水文學和氣象學交叉衍生出來的新興學科，主要研究地球上水圈與大氣圈層面上的水的運動與變化規律。由于臺風、洪澇、干旱、山洪泥石流等極端水文氣象事件頻繁發生，水文氣象學專業順應當前社會經濟發展需求及學科發展需要產生。早在20世紀30年代，美國天氣局成立水文氣象處，為設計防洪建筑，從氣象資料推算可能最大降水和可能最大洪水，最早的水文和氣象相結合由此開始。[1]隨著氣象雷達、氣象衛星等探測技術的發展，降水監測水平不斷提高，為降水短時預報與洪水預報的結合創造了條件，使水文氣象學得到了新的發展。[2]2002年10月，英國水文學會和皇家氣象學會聯合會議上對水文氣象學發展方向進行總結，提出了：①集合預報有助于解決天氣預報困難的問題，降尺度預測有助于解決降水預報中的特定問題；②研究洪水的水文工作者參與降水預報有利于解決氣象預報中無洪水預警的問題，可更好地進行事后分析；③洪水模擬的發展需要不斷完善的空間降水數據，概率模型是未來水文氣象的發展方向；④研究“陸地—大氣交互作用”的新技術與遙感水文學發展；⑤實時土壤水分識別和地表水文的發展；⑥提高模型分辨率，實現對降水系統變化速度的預測是中尺度對流系統數值天氣預報中降水預報的未來方向。[3]由于我國行政管理上氣象與水文分屬兩個部門，兩門學科的發展也是各自獨立的狀態，因此水文氣象這一邊緣學科發展緩慢，理論研究和應用方面都很落后。為了緊跟國際發展前沿，順應學科建設發展，將水文與氣象進行交叉整合以解決當前社會需求和學科發展，培養水文氣象專業人才以保障國民經濟的健康發展和人民生命財產的安全是社會發展的需要。大氣科學（水文氣象方向）專業作為水文氣象專業建設的初步嘗試，2011年9月于南京信息工程大學率先成立并開始招生，截至目前共培養了340名本科生（包括172名已畢業的）。

為了讓學生在氣象學專業背景基礎上，進一步了解目前與水資源密切相關的極端水文事件以及氣候等變化環境下的水文設計等實際問題，首先要求學生初步掌握水文、水資源相關概念和理論，理解水文的主要工作內容和所采用的方法。為此，在大氣科學類課程體系下引入水文學原理以及涉及水文專業必備的“測、報、算”（水文測驗、水文預報和水文分析與水利計算）三項基本技能的相關課程。其中，水文測驗（水信息技術）作為水文學、水資源研究的基礎，提供了一切水文工作不可或缺的水文數據。沒有正確、及時的水信息基本數據，就不可能有正確的水情預報、水質預報、水資源評價以及涉水工程的規劃、設計、施工、運行管理及防汛、抗旱的科學決策。

二、“水文測驗”課程建設存在的問題

現有水文氣象專業“水文測驗”課程沿用了大部分水文與水資源工程專業的教學內容，同樣將課程分為理論課“水文測驗學”和實踐課“水文測驗實習”。前者的目的在于使學生掌握水信息采集和水文數據處理的基本概念、基本理論、基本方法，進行基本資料整編技能的訓練，了解新儀器的運用、測驗新方法等相關的學科發展方向。后者將水文測驗的理論課程付諸實際生產實踐，結合水文氣象專業背景，著重讓學生學習水位、流速、流量等測驗原理、方法和數據處理，通過實習讓水文氣象本科生獲得重要的專業技術訓練，涵蓋了水信息采集時野外儀器使用培訓和實際水文數據處理兩個重要的生產實踐環節。但具體實施過程中還存在如下問題：

1.師資和教材資源緊缺。雖然水文氣象專門人才的培養在國際上已有較多高等院校和研究機構開展，但目前國內僅有南京信息工程大學涉及。專門開展水文測驗相關研究的人員多致力于新的測驗技術和儀器設備的開發研制，研究成果轉化為本科教學內容需要較長一段時間的積累，而真正從事該領域研究又致力于本課程教學工作的一線教師儲備較少。另一方面，隨著技術水平的發展，測驗手段和方法日益先進，水文測驗技術規范和相關標準亦在不斷更新，相應的教學內容必然要進行同步調整。例如，我國大部分河流的流量測驗大都還是采用流速儀測流等傳統方法，經過多年的技術改進和不斷的比測分析，目前已有不少水文站將ADCP作為常規的測流方法。因此，相應的教材內容和教學重點都要做出調整，現有的教材資源無法滿足實踐需要。

2.實驗教學手段落后。相比國外大學采用的多媒體、VR技術等多種手段演示實驗操作及水文軟件操作的實驗教學手段，我們的差距還很大，很多實驗還無法采用相關計算機或互聯網技術來模擬和演示，限于教研投入不足導致實驗設備方面存在儀器數量稀缺甚至過時、老化、更新停滯等問題，達不到讓學生更好地開展實踐操作的教學目的。

3.考核評價方式陳舊。理論課考核方式仍以筆試為主，占總成績的70%；平時成績根據課堂表現和作業、出勤情況打分，但比例較低，無法激發學生的學習熱情。這樣的考核方式讓學生更多滿足于課堂理論學習，事實上降低了學生的綜合專業能力。實驗實習考核通常是以撰寫實驗報告的形式來考核學生的掌握情況，檢查實驗數據的準確程度。大多數學生僅僅按測驗步驟完成實習報告，不會根據測得結果再做進一步分析研究。這種實驗考核的方式模式固定、方式單一，達不到評價學生分析、解決問題能力的目的。

三、“水文測驗”課程建設的優化路徑

1.多元化教學模式。由于“水文測驗”具有很強的實踐性，傳統的以教師課堂講授為主的專業教學模式效果有限，為了培養理論水平高、動手能力強同時又具有自主創新能力的復合型水文氣象專業人才，需要在現有的課程體系下，結合豐富的IT技術演示、手機技術軟件操作、現場物理模型實驗等方式進一步開展多元化的教學模式探索。為了加強對“水文測驗”相關理論知識和實驗方法的講解，可以依托互聯網資源收集更多關于水文科學和實驗操作的專業視頻，添加到課堂教學中，在課堂上通過概念的可視化和現場或實驗室的記錄演示加深感性認識，提高教學質量。除了視頻資源外，還可以借鑒伯明翰大學地理學院本科生水文教學的經驗，利用已有的可提供水文氣象方面虛擬現實信息和實時監控信息的手機應用程序，[4]如氣象雷達App、meteoearth等可以實時獲得衛星云圖，查看詳細的天氣狀況，而長江委水文監測App可實時獲取水位、流量、降水等要素信息，讓學生探索天氣、水文數據空間和時間上的自然規律。此外，物理模型演示也是公認的水文學教學的有效方式。[5-6]例如，在講授土壤持水能力時可以采用家用清潔海綿吸水這一簡單的模型演示，對田間持水量、凋萎系數等一些基本的概念進行解釋說明。更復雜的模型還有瑞典烏普薩拉大學在多年的授課過程中開發出來的一套移動的物理模型，可用于解釋地表、地下水及其對土壤不飽和水含量的影響。[7]通過現場物理模型操作示范可以激發學生的探索精神，引導學生展開討論，從而加深對基礎理論的理解。

2.虛擬仿真實驗環節。從水文測驗理論學習的角度，可以借鑒天津農學院開發的“河道斷面流速及流量監測虛擬仿真實驗教學系統”，學生可以從空中俯瞰河流的全貌，在測流斷面進行流量的測驗（包括斷面測量和流速的測量），系統界面中給出流量測驗的步驟操作過程、流速儀的安裝和使用過程等。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。[8]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，使學生能更直觀地理解教學內容，克服理論與實踐脫節的問題，有利于學生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。從測驗實習的角度，可以借鑒西班牙拉古納大學在土木、水文、地質和火山科學中創新的教學方法。[9]考慮到目前采用的單站駐點的實習方式，針對不同的測站開展的實習內容有所區別，實習站點普遍存在設備陳舊、測驗方法單一的問題，而且由于實習時間有限、在站培訓內容少，無法全面掌握綜合應對各地或各時期不同水情的測驗技能。為了與水文氣象信息化情勢接軌，現有測驗實習內容亟待更新，需要涵蓋更多新的測驗技術和方法，開發相關的虛擬仿真實驗系統彌補測站設備的不足，針對實際需求讓學生完成一些在站實驗無法完成的內容。例如，開發虛擬仿真ADCP測流實驗過程訓練，讓學生熟練掌握ADCP測流的方法，了解實際操作過程中的注意事項、故障排查與處理等，極大地減少了野外測流的高成本、高消耗和涉水危險的狀況。

3.讓學生動手實驗。由于一般的水文、氣象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[9]。為此，可以開發小的動手項目，讓學生在課堂外進行理論應用。比如可以讓學生做簡單的滲透實驗，要求學生自己設計測量方案，動手實驗。還可以結合教師的科研專題，指導學生開展創新類實驗項目，從一開始收集資料到數據分析處理、具體的方法選用，再到后面的結果討論分析等。這一系列過程讓教學更多地連接到外面的世界，鞏固了學生的基本知識，拓寬了學生的知識面，有利于學生建立完整的知識體系，引導學生提出解決問題的方案或建議，提高解決問題的能力。

綜上所述，本文針對新興的水文氣象專業學生培養，總結了“水文測驗”課程建設的經驗，借鑒國內外相關教學經驗，初步提出了未來教學改革的方向：綜合媒體視頻演示、手機軟件操作、現場物理模型演示等教學手段，采用多元化的教學模式，讓學生使用更多的開放教育資源；建設虛擬仿真實驗平臺，增加虛擬仿真實驗環節，讓學生熟悉測驗技術，獲得一些無法完成的野外業務工作訓練，將教學更多地從教室連接到外面的世界；設計一些小的實驗項目或是結合科研課題或創新類項目，讓學生參與動手實驗，在實踐過程中鞏固所學，提升自主創新思維能力。要完成以上的改革探索需要更多的教育資金投入和教師團隊建設，這對于提高實踐教學水平，培養具備工程實踐、團隊合作和綜合創新能力的本科學生，解決氣候變化與人類活動的加劇導致的水資源的短缺帶來的洪澇、干旱等現實問題具有現實意義。

參考文獻：

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責任編輯 秦俊嫄