依托科研試驗基地的農業水利工程專業研究性實驗教學設計

駱文廣， 陳 歡

（武漢大學a.水利水電學院；b.水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

0 引 言

開展全面素質教育是高校教育改革的重要戰略方向［1-2］。近年來，圍繞科研成果與教學結合，課堂學習與實踐并重，知識積累能力與創新能力培養訓練等目標進行了諸多教學改革探索，但對于實踐性教學、特別是創新教學的定位還很不明晰，尤其對于實踐性試驗教學內容的研究仍然相對缺乏［3-4］。我國高等院校農業水利工程專業是研究農業水利工程領域的相關學科，其目的是培養卓越的創新精神、實踐能力和國際視野的水利類通用型高級人才［5］。該專業以灌溉排水工程為教學核心，但受教學條件以及科研環境等諸多因素影響，灌溉排水工程教學活動中實踐教學環節多以參觀實習等形式開展，不能實現系統性農田灌溉排水工程實踐的教學，也無法展開較為全面的實踐性實驗教學。

我校為探索我國長江中下游地區農業水循環和水土環境演變規律，研究開發適合于該地區現代農業生產方式的現代農業水利技術與管理模式，在我國糧食主產區、長江中下游江漢平原興建了中國農谷屈家嶺科研試驗基地。該基地以“中國農谷”核心區屈家嶺管理區（國營五三農場）為依托，通過先進科研儀器輔助開展現代農業水利技術研究工作，其內部基礎條件符合農業水利工程專業的實踐實驗教學。因此，本文通過探討依托科研試驗基地開展研究性實驗教學的可行性，闡述研究性教學實驗的重大目標，設計合理的研究性實踐教學實驗內容，以期豐富農業水利工程專業灌溉排水工程實踐知識的培養途徑。

1 研究性教學實驗的可行性

1.1 試驗基地基礎條件

武漢大學屈家嶺科研試驗基地位于湖北省荊門市屈家嶺管理區，地理位置東經112°51′5″，北緯30°51′30″，平均海拔35 m，距離管理區政府所在地約3 km（見圖1）?；刈灾鞴芾韰^域7.2 hm2（108 畝，見圖2），擴大監測區域200 hm2（3 000 畝）。試驗基地研究適應長江中下游地區和現代農業生產方式的現代農業水利技術，開展包括農業水循環、作物需耗水、節水灌溉、農田排水、作物水肥管理、農業面源污染控制、土壤環境、設施農業、人工濕地、智慧水利、智慧農業等農業水利學科主要方向的野外觀測和科學研究，具有非常典型的學科代表性。

圖1 武漢大學屈家嶺科研試驗基地的位置示意

圖2 武漢大學屈家嶺科研試驗基地

試驗基地配備了氣象觀測、農田小氣候、水土作物理化分析、土壤水、地下水、地表水定位監測、植物生理生態、灌溉排水機械、數據管理、農業機具、交通運輸、實驗辦公和信息采集與管理等12 個類別、數百臺總價1 500 余萬元的實驗設備，可針對現代農業水利問題的復雜性和新要求開展多學科交叉的農業水利基礎理論研究，揭示現代農業生產方式下的農田耗水機理及現代農業生產方式下長江中下游地區農業水循環的變化過程。試驗基地目前已經可以提供長時間系列、定點的第一手觀測實驗數據。

由此可見，該基地基礎設施條件已經滿足農業水利工程專業對農田灌溉工程的綜合生產實習等實踐教學需要，可用于進一步強化學生將理論知識應用于實踐的能力，并檢驗學生對理論知識消化的情況。通過在試驗基地開設教學實踐實驗課程，開展學生的學-用-做相結合體驗式的實踐教學環節，可以使其充分認知農田灌溉工程的概念，深刻體會理論知識與實踐相結合的樂趣，極大提高學生的實踐能力。

1.2 試驗基地科研內容

試驗基地內可綜合運用微氣象學、作物生理學、農學、水利學、遙感等學科基礎理論，針對我國長江中下游地區主要作物水稻在植株、田間、區域等不同空間尺度及不同時間尺度的需水、耗水機理與作物水-產量關系，通過水稻試驗田蒸發蒸騰量計算理論與方法和實時監測技術，探求農田高效用水機制，為我國水資源高效利用提供理論技術支持。試驗基地內科研儀器可長期觀測的內容包括：作物從葉片到區域的多尺度蒸發蒸騰量、灌溉排水量、農田水肥管理、葉面積指數、株高、莖粗、干物質量、籽粒產量、光合特性等生理生態指標以及對氮、磷、鉀等養分的吸收量，土壤水、熱、鹽狀況及土壤氮、磷、鉀和含量以及農田地下水狀態、大田及溫室最高氣溫、最低氣溫、濕度、風速、太陽輻射、日照時數、氣壓等氣象要素。

農田水稻作物生長周期內水循環過程，特別是單個田塊見水量轉換過程的觀測，是農業水利工程專業學生重點學習的內容之一［6-7］。通過實地觀測單個田塊的作物根系層土壤中流、田間深層滲漏水量、田間地表積水蒸發和地表徑流排水量等流出作物根系層邊界的水量的實驗觀測過程，學生可以更加清晰地了解稻田作物生長過程中的水量交換規律，這一理論知識講授和實驗技能培訓的結合能夠進一步加強知識“學”與“用”的貫通［8-9］。在實踐中將整個水稻作物生長過程中的耗水概念具象化，及時跟進作物生長各個環節中水量耗散情況，將課堂學習的理論知識用于實踐指導學習，以理論聯系實踐并以實踐加深對理論的理解與掌握，這樣的教學方式能夠激發學生的學習熱情和探索欲望，有助于培養學生分析問題、解決問題的能力［10］。

本試驗基地建設了21 塊7 m ×8 m 水稻試驗田［見圖3（a）］，試驗田之間以水泥田埂相互分隔，且全部試驗田塊均設置了灌排水量測量設施。同時，在每一個試驗田的進水口安裝了一個水表［見圖3（b）］，通過分管閘門控制水田進水量；在試驗田尾端出口處則安裝了地下排水管道，將試驗基地東、中、西3 個單元的7 塊試驗田排放水收集到尾水池，通過尾水池中三角堰以及水位監測器，測量每塊試驗田中平均排水量［見圖3（c）］。

圖3 試驗基地水稻試驗田基本情況

由此可見，通過試驗基地內水稻試驗田基本可以實現農田灌排水量的監測，直觀認識農田內水量的時空變化。試驗基地內還有其他科學儀器，可以輔助監測田間其他因素導致的水量變化，能夠較為全面地輔助學生了解水稻生長周期內水量交換過程以及變化規律。這樣既可提升農業水利工程專業教學質量，又將理論與實踐創新結合，能夠切實提高學生的實踐技能。

2 研究性教學實驗的意義和目的

隨著我國科技水平發展速度越來越快，越來越多的科技手段運用到農業生產中，這就要求熟練掌握科學且精細的農田灌溉知識，這是農業水利工程開展實踐教學活動的目的之一，也是新時代新工科發展的迫切需求［11］。研究性教學作為一種新的教學理念，對學生專業知識的培養具有重要的指導作用，符合實踐教學的要求，可激發學生的學習內在動力，拓寬學生的科學視野，了解學科前沿的專業知識，初步掌握本專業的儀器設備使用，為以后學生在農業水利工程專業學習過程中增強自我創新意識、創新精神和創新能力奠定基礎［12］。

對水稻田水量交換監測的研究性教學依托本專業基礎知識，拓展專業特色，強調創設與現實相近的教學情境，并通過解決開放性問題，鍛煉學生自我學習能力和思維創造力，特別是能夠觸發學生的學習激情和無窮興趣，從而提高學生的學習積極性和主動性［9］。具體而言，結合科研試驗基地水稻田水量交換的研究性教學內容，將水稻田水量具象化，根據其組成和功能不同分為外源水量變化以及田間自身水量變化兩部分，指導學生通過專業實驗設備，監測分析清楚每一部分水量的變化規律，將每一部分過程情景與專業課程知識串聯，并以學生為中心，按照科學研究的模式來分析、解決這些問題［13］。因此，為了拓展農業水利工程專業學生的研究性教學途徑和內容，本次研究基于武漢大學中國農谷試驗基地已有試驗條件，開展設計了在稻作生長期內進行試驗田間水量觀測的實驗教學內容。通過具體的實踐經歷，達到認知南方稻作生產的田間水量轉換觀測系統的教學目的［14-15］。

2.1 認知田間水量轉換的觀測方法

基于試驗基地內現有的研究性實驗基礎條件，通過讓學生參與觀測水稻生長期間外源水量變化要素即降雨量、灌溉水量、排水量、田間需水量，以及田間自身水量變化要素即騰發（植物蒸騰和棵間蒸發）、滲漏、植物生長耗水等，在了解和掌握農田灌溉基本概念的基礎上，進一步認知田間水量組成部分及轉換過程的規律。

2.2 掌握氣象及蒸滲的儀器使用方法

試驗基地內擁有觀測基地小區域氣象的自動觀測系統。通過組織學生參觀學習自動氣象觀測站的操作，以便其掌握基地小氣象站自動觀測氣象的方法。另外，在基地試驗田內還安裝了一套高精度的蒸滲儀，可以自動監測稻田的蒸發和滲漏量。學生在參觀學習該儀器操作后，可以掌握野外基地稻田試驗田的蒸滲量。

2.3 了解水稻生長所需水量轉換意義

在總結各組學生試驗觀測成果的基礎上，解析田間水量轉換的復雜性。組織學生學習農田作物需水耗水量的概念及內容，討論農田水量轉換與水稻生長期內耗水量的關系，以及稻田生產水管理的作用，加深學生對南方稻作生產田間水量轉換意義的知識積累。

3 研究性實踐教學的實驗內容設計

3.1 教學實驗內容

3.1.1 水稻試驗田外源水量變化實驗

（1）試驗田的灌排水量監測。試驗田塊灌排水系統分為進水系統和排水系統兩個部分，其中進水系統通過試驗基地的泵房抽水管網輸送水量，在進水實驗中經由水表監測進水水量。在本實驗教學中，需要實時記錄每塊試驗田的水表水量變化值。

排水系統通過試驗田塊的排水管網與排水收集水池連通，排水量變化通過水池出口處三角堰量測。在本試驗教學中，需要實時記錄試驗田排水過程中通過自動水位計實時記錄的三角堰堰上水位變化值并使用相關數值計算排水流量量，最后統計出試驗田排水水量。

（2）試驗田間的儲水量監測。試驗田塊土壤表層儲水量的計算，主要是通過5 點監測法來量測田間水層水深，并根據試驗田面積進行估算。在試驗田的5點分別設置水位監測桿，并在監測桿上設置水位尺（見圖4）。在本實驗教學中，需要實時記錄每塊試驗田的水層水位變化值。

圖4 試驗基地水稻試驗田水位監測示意

3.1.2 水稻試驗田自身水量變化試驗

（1）試驗基地氣象監測。在試驗基地設置了標準氣象場，可以通過氣象站收集到風向、風速、降雨、日照和蒸發等基礎氣象資料。這些氣象數據通過GSM 自動傳輸傳到基地數據處理服務器，由此得到人為可設時長的自動監測常規氣象數據。小型氣象站如圖5 所示。在本實驗教學中，需要了解各裝置的氣象收集功能，以及到基地數據處理中心學習和掌握氣象資料數據庫的功用，并收集本次實驗教學中所需的氣象資料。

圖5 試驗基地小型氣象站

（2）試驗田的蒸散量（即耗水量）監測。在試驗基地安裝了一臺高精度的自動稱重式蒸滲儀，可以模擬水稻生長環境。該系統通過計算機、數據采集器、控制卡、模擬量采集卡、通信模塊以及數據采集軟件，實現了田間蒸散量的自動采集工作，該采集設備如圖6所示。在本實驗教學中，需要采集到重量、土壤水勢、滲漏量等數據，并了解其組成和作用。最后整理分析出本次實驗教學中所需的試驗田蒸散量資料。

圖6 試驗基地的高精度自動稱重式蒸滲儀

3.1.3 水稻試驗田水量交換分析

根據水稻試驗田間水量守恒可知，水稻作物生長的田間耗水量滿足如下關系：

水稻生長的田間耗水量＝灌水量（水表監測）＋降雨量（氣象站監測）－排水量（三角堰監測）－田間儲水量（田間水位尺監測）－自然蒸發量（氣象站監測）－土壤滲透量（高精度蒸滲儀監測）。

水稻作物的田間耗水主要是植物蒸騰和棵間蒸發以及作物生長耗水，其中植物蒸騰和棵間蒸發可以通過高精度蒸滲儀在水稻生長環境下監測得到，所以最后可以計算得到水稻作物生長耗水量。

通過對試驗過程中的數據收集和分析，在本實驗教學中學生能夠主動學習了解水量平衡規律；教師可以組織學生開展實驗期間水稻生長耗水量的計算分析工作，從而使其掌握水稻試驗田的水量交換過程，并探討試驗田水稻所需水量變化與水稻生長的關系。

3.2 教學實驗安排

試驗基地水稻種植時間一般為6 月初，本實驗教學實施應安排在水稻生長期間，預計總共耗時5 天，建議安排時間在6 月21 日～25 日。

第1 日 到達基地，參觀試驗基地的試驗田；并聽取專業教師關于試驗設計內容以及觀測過程中的要求和安排的講解。

第2 日 參觀試驗田的灌水監測系統、排水監測系統并學習操作方法，并安裝試驗田水層監測尺；在老師的指導下，安排實驗教學分組，并進行實驗，記錄實驗成果。

第3 日 在教師指導下，參觀小氣象站并學習相關操作方法，開展相關實驗，記錄所需實驗數據。

第4 日 在教師指導下，參觀高精度蒸滲儀并學習操作方法，開展相關實驗，記錄所需實驗數據。

第5 日 在教師組織下，分組計算實驗過程中水稻耗水量，分析試驗過程中稻田水量轉換規律，并在此基礎上開展相關討論。

4 結 語

（1）科研試驗基地可作為實施實踐教學的重要場所，為實踐教學提供了豐富多樣的教學內容。農業水利工程專業學生更需要實踐性教學，而在傳統的參觀實習等基礎性實踐教學基礎上開展更加專業的研究性實驗教學，將更加能激發學生對專業知識學習的熱情，進一步培養學生的創新能力，并提高其適應生產、適應社會的能力。

（2）在科研基地開展研究性教學利于學生創新能力的培養，使學生不再局限于課本上的復雜操作方法，而是積極探索新的最佳操作方案。通過人人參與和切身感受，既能觸發學生的學習主觀能動性，還能給學生提供一個展示自己創新思維的平臺。通過交流學習，相互支持和幫助，在學習專業知識的基礎上提高學生的協助能力和團隊意識。

（3）通過本研究性實驗教學，既可以讓學生了解和掌握稻田水量交換的專業性知識，實現專業知識積累。又能通過解決實際生產問題，提高學生對專業知識的認同感，可達到實踐教育的目的。