基于科研成果的高校地貌水文學開放實驗設計分析

包光　劉娜

摘 要：以科研促教學提升本科教學質量，在一流學科和一流專業的“雙一流”建設中發揮重要作用。本文依托獲批的國家級和省級科研項目，利用初步研究成果，結合地貌學、水文學的內容，設計了面向地理科學大類專業學生的開放實驗。通過實驗操作，激發興趣，培養學生對特定地貌水文現象的分析理解能力，樹立科研意識，以期實現教科協同育人的培養目標。

關鍵詞：科研成果;地貌水文學;開放實驗設計

中圖分類號：G64文獻標識碼：A

作為部門自然地理學的重要組成部分，《地貌學與水文學》是地理科學專業本科生必修的一門專業基礎課程，共分為《地貌學》和《水文學》兩部分。其中，《地貌學》重點講述地球表面各種地貌的形態、演變過程、成因及空間分布規律;《水文學》重點講述地球上各種水體的水文、水循環過程以及人類活動對水循環的影響。因此，《地貌學與水文學》的是后續《綜合自然地理學》等核心課程學習的基礎之一，在地理科學本科生的專業知識培養、地學思維的建立、以及野外調研和室內試驗技能提升發揮重要的作用。

1 開放實驗教學的現實意義

實踐教學是創造條件使學生理論聯系實際，通過動手動腦過心，不論是室內實驗室活動，還是野外實習，都是在教學過程中培養并實現學生創新能力和實踐能力的目標。課堂上教師的教學內容通常以學科發展歷程，重要基礎理論和一般規律的講授為主，其主要特點是對復雜地貌學和水文學的現象和變化特征做抽象化、符號化的表達。但是與其他自然科學一樣，地球系統科學具有組成物質的復雜性、演變特征的空間差異性、變化規律的周期性和穿時性、不同控制因子的非線性和協同性等變化屬性。因此，將系統化和條例化的理論知識內化為指導現實自然地理現象的認知與理解，迫切需要開展在實踐過程中的觀察、分析與驗證的實驗教學活動。目前高等本科學校傳統的《地貌學與水文學》實踐教學活動包括課程的實驗科目和短途的野外地貌、水文現象的考察和識別兩部分。其中，課程的實驗科目在教學內容、教學目標和教學學時有嚴格的要求，由于學校相關教學資源和條件的限制，實驗科目大多以演示性與簡單驗證性為主，涉及綜合性實驗的科目相對較少。另外，有限的實習經費和不斷高漲的差旅費、門票費用極大地制約了短途野外地貌水文教學活動的開展。

為此，以教師主持的科研項目或課題為切入點，結合地貌水文課程的教學內容，開設面向地理科學相關專業的開放實驗課程，能夠兼顧特定科研活動的開展和學生動手能力的協同培養，不失為一種成本較低，且具有較高可行性的有效途徑。當前以科研促進教學，以高水平的科研成果提升本科教學質量，在一流學科和一流專業的“雙一流”建設中發揮愈發重要的作用。筆者以獲批的國家自然科學基金（41301101）和省級科技廳的科研專項課題（2016KJXX-41）為依托，使用立項的研究課題獲得的初步實驗成果，結合《地貌學與水文學》的研究對象與內容，設計了面向地理科學大類專業的本科生開放實驗，旨在通過實驗室完整的科學研究范式，培養學生對特定地貌水文現象及作用過程的分析理解能力，激發學生研究興趣，初步建立開展科學研究的能力與意識。以期實現科研與教學相長的人才培養目的。

2 科研項目成果促進實踐教學的案例分析

水文條件是地表流水地貌形成的主要驅動因子，同時水分的賦存狀態決定了土壤層中的潛水與地表水之間密切的聯系特征。植被特別是森林在水循環過程中發揮著重要的作用。本文列舉的開放實驗課程案例的探究目標為，分析樹木徑向生長的氣候響應特征差異與河流地貌的河岸調節作用的關系。具體流程包括以下部分：

（1）實驗數據：利用國家自然基金和省級基金課題采集到的內蒙古呼倫貝爾沙地的天然樟子松三組樹木年輪樣芯，分別記為HLBE、NGNE和BRT02，其中HLBE組樹木生長在距離呼倫貝爾沙地內主要河流-伊敏河下游沿岸1.5km的范圍，而NGNE和BRT02組樹木距伊敏河上游河岸30km之外的立地。選取流域內海拉爾氣象站和阿爾山氣象站1953-2008年時段的多年逐月平均溫度和月降水量氣象數據。水文數據為伊敏河下游海拉爾水文站1956-2006年逐年徑流總量。

（2）實驗條件：Lintab6樹輪寬度測量儀、SPSS和EXCEL統計軟件。

（3）實驗過程：使用Lintab6測量三組樣本HLBE、NGNE和BRT02分別為40樣芯、67樣芯和35樣芯。利用專業軟件進行年代確定和樹輪年表研制。使用相關系數方法查明樹木年輪變化與主要月份平均溫度和降水量的響應模式。分析溫度和降水量的多年逐月的分布特征，年徑流量的多年變化趨勢與年降水量和夏季降水量的異同。

（4）實驗結果與分析：溫度和降水量的多年逐月的分布特征主要為夏季6-8月高溫與高降水量同步，表明研究區域具有典型的東亞季風的雨熱同期的氣候。年徑流總量與同期年降水總量、夏季6-8月降水總量有一致的逐年變化趨勢，表明研究區域河流水量變化以降水補給為主。樹木生長響應出現兩種特征，其中HLBE組與上年冬季和當年春季降水顯著正相關、與春季4月和初夏6月溫度顯著負相關;而NGNE和BRT02組與夏季降水正相關、與春季4月、夏季6-8月溫度顯著負相關。三組樹木生長響應發生不同特征歸因于地表徑流的河岸調節，即在靠近江河等地表水體的地區，地下潛水常以潛水流的形式向這些水體匯集，成為地表徑流的重要補給水源。特別在枯水季節，降水稀少，許多河流依賴地下潛水的補給，以至河川徑流過程，成為地下潛水的出流過程。但在夏天雨季來臨，洪水期多發，河流水位高于地下潛水位，潛水流的水力坡度形成倒比降，于是河水向兩岸松散沉積物中滲透，補給地下潛水。汛期過后，河流水位回落，貯存在河床兩岸的地下水，重又回歸河流。這種調節過程通常經歷整個汛期，并具有周期性規律，通常距離河流愈近，潛水位的變幅愈大，河岸調節作用愈明顯。在平原地區，這種調節作用影響的范圍可向兩岸延伸1-2公里。因此本實驗三組樣本的響應差異得以闡述清楚。

（5）實驗結論：夏季洪汛期徑流河岸調節作用僅對距河較近的HLBE組有顯著影響，而對距河較遠的NGNE和BRT02組樹木無明顯影響?；诤恿鬟h近不同立地位置的樹木徑向生長響應關系，能夠揭示豐枯水期河岸潛水與徑流的水力作用關系。

3 開放實驗的后續效果

開放實驗的分析結果建立了河流地貌的水情、河流地表徑流與沿岸潛水的交互作用關系及其對樹木生長與氣候因子響應關系的限制作用。本次開放實驗案例能夠通過科研活動的數據成果，結合地貌學和水文學的相關聯系，訓練學生的實驗室數據獲取，培養啟發實驗現象差異成因的分析邏輯，樹立了學生能夠基于數據結果實證檢驗項目研究區域的徑流河岸調節作用規律，為后續的相關創新創業活動提供了良好的基礎。參加過本次開放實驗的15名本科生，利用掌握的樹木年代學與水文氣候要素的交互關系等理論知識和基本實踐技能，獲批省級大學生創新創業課題1項，校級和院級本科生科研課題2項。來實驗室了解、咨詢并參與在研項目的本科生逐漸增多，表明教師的科研活動取得的數據成果，在促進本科生專業課程實踐教學活動中能夠發揮積極的促進作用。參與開放實驗課程的學生能夠了解書本的理論知識與實驗室科研活動的關系，在研究興趣的提升和初步研究技能的積累方面均有收益的獲得感。因此，鼓勵激發從業教師積極提煉自己的研究課題成果，設計融合本科生所學相關課程基本理論的開放實驗課程，實現教研相長在今后的實踐教學方面有很大的提升空間和潛力。

參考文獻：

[1]黃錫荃.水文學[M].北京：高等教育出版社，2017.