水文與水資源工程專業研究型課程體系構建初探

黃金柏，方紅遠，解陽陽

（揚州大學水利科學與工程學院 江蘇 揚州 225009）

培養高素質創新型人才是國家建設和發展的需要。培養大學生的創新能力是提高人才培養質量的重大舉措?？蒲薪虒W互動，創新教育教學理念和方式，是引導學生創新意識、培養創新能力、激發創新行為的重要手段。以科研促進教學，有利于提高學生的創新能力和培養創新型專業人才。對學生來講，將前沿科學研究成果及時引入教學過程，通過科研成果的介紹、學習和探討，有利于激發學生的學習興趣和培養科學探索精神。許多高等教育工作者在如何實現科研反哺教學方面做了大量的探索。本文依托揚州大學水文學及水資源科研團隊在模型構建和應用方面的相關研究成果，篩選專業課程中可利用模型解決的復雜計算問題，并將適用于模型計算的各知識點在教學順序上進行整合，探討構建模型嵌入的水文與水資源工程專業研究型教學體系。適用于模型工具解決的教學內容多為課程復雜計算問題，亦為課堂教學難點問題。在常規課堂教學過程中，限于常規教學手段和時間，復雜計算問題的教學難以達到良好的教學效果。模型工具基于其計算效率高、計算結果豐富以及可視化效果好等優點，可以很好地彌補常規教學手段不足以及提高課堂效率，有利于培養學生的科研興趣和研究性思維。

1 課程體系構建

1.1 課程模塊劃分

根據專業培養方案，可將專業課程劃分為水文類課程和水資源類課程（以下稱水文課程模塊和水資源課程模塊），與兩模塊對應模型工具的性質和功能存在差別。

1.2 課程內容篩選

根據各門課程的開課順序安排，篩選課程中可與模型計算結合的復雜計算問題。水文課程模塊主要包括水文學原理、環境水力學、河流動力學、城市水文學、水文水利計算等課程，所引入模型主要為流域產匯流模型、污染物擴散和輸移（水質）模型、城市雨洪模型、泥沙運移模型；水資源課程模塊主要包括水資源系統分析、水資源學、水資源規劃與利用等課程，所引入模型主要為水資源優化和管理模型，如數學規劃模型、多水庫聯合調度模型等（圖1）。經如上劃分，可實現模型工具與兩模塊課程中復雜計算問題的精準對接，在教學方案和思路設計上也更加明晰。

1.3 教學體系設計

在整合水文課程模塊和水資源課程模塊復雜計算問題的基礎上，對研究型教學體系進行設計。基于模型工具嵌入的水文與水資源工程專業研究型教學體系如圖1 所示。

圖1 模型嵌入教學的水文與水資源工程專業研究型課程體系構建

2 教學實踐

2.1 教學過程實施

基于圖1 所示的模型嵌入教學的專業研究型課程體系開展教學活動。教學實施過程突出學生的主體參與性，注重學生對模型計算和結果分析與處理等環節的實踐訓練，強化對計算方法和過程的理解與掌握。以環境水力學課程中污染物隨流分散計算問題為例，對模型嵌入式的研究型教學開展過程進行簡要介紹。在課堂教學過程中，首先講解隨流分散的基本知識，重點講授一維隨流剪切分散方程的建立過程以及模型算法建立過程；接下來，結合科研實際工作中某河段水流和水質條件構建污染物一維隨流分散模型，對模型功能、結構、計算過程進行講解；而后，對模型計算過程及結果處理的相關操作進行演示。此教學過程中的課程基礎知識和模型構建情況簡介如下：

2.1.1 基礎方程式（基礎知識）

式中，為時間因子（）；為水流方向的空間因子（）；為斷面平均水深（m）；為斷面單寬流量（/）；為河道糙率，為河床的坡度；為斷面平均流速（/）；為某污染物濃度（/）；為河流縱向分散系數（/）。

2.1.2 差分式（算法建立主要環節）

式中，為計算斷面的編號；為計算時間離散點的編號；其他因子與前述相同。

2.1.3 參數率定和定解條件（模型計算條件）

基于科研活動中對污染物一維隨流分散模擬開展河段的水流條件（水深、流速、流量等）及污染物濃度的測量和調查結果，設定模型計算的定解條件，率定模型計算的主要參數（如隨流分散系數和河道糙率等）。

2.1.4 模型構建

利用計算機軟件Fortran開發一維隨流剪切分散模型，實現模型的數值計算功能。

通過上述教學過程，使學生對復雜計算問題的基礎知識、求解方法以及模型計算等環節的學習在思維邏輯上有了完整的認識、整合及加工過程。

2.2 學生主體參與

教學方案的實施過程重視學生的主體參與性。學生以分組形式完成模型計算及結果處理。在此過程中，學生個體行為自主性和思維獨特性得到很好的發揮，學生運用課程知識解決實際問題的能力、獨立思考和判斷能力、合作性學習和溝通能力得到了全面訓練。

3 教學效果評價

3.1 調查內容

跟蹤教學實施過程，以對學生問卷的形式開展教學效果調查和評估。調查內容包括“研究型教學對課程計算難點問題的學習和掌握是否有幫助？”“對學生解決專業復雜計算問題能力的提升是否有幫助？”“對提升學生參與專業科研活動的興趣是否有幫助？”“對學生創新思維和能力的培養是否有幫助？”四個方面。為各單項調查結果設置“滿意”“基本滿意”“一般”和“不滿意”四個評價等級。

3.2 效果評價

調查結果表明，大部分學生對各單項評價結果都達到“滿意”等級，部分學生根據自身的學習體會，針對教學體系和教學方案中的某些環節提出了個人的建議。通過與個別學生的談話可知，對于數學基礎相對較弱的少數學生來說，課程復雜計算問題的基本知識與模型計算過程同步教學的模式，在短時間內難以很好地接受，這為如何改進研究型教學體系提出了新的課題。

4 結語

本文初步構建了水文與水資源工程專業研究型課程體系，并針對教學效果進行了調查和評價。結果表明：該研究型課程體系的實施，較好地解決了課堂教學過程中學生對復雜計算問題難以理解的問題，教學效率和教學效果得到明顯提升，增強了學生對感性材料加工并轉化為理性認識的能力，有利于培養學生的科研興趣和創新能力，從而得到了學生的普遍認可。

專業研究型課程體系的科學構建，須遵循當代教學規律的發展，凝聚專業教學團隊的集體智慧，結合專業發展趨勢和行業對創新型人才的需求，適時修訂專業培養方案，不斷探索并構建與時俱進的專業研究型教學體系，服務于高質量創新型專業人才的培養。本文所構建的基于模型工具嵌入的水文與水資源工程專業研究型課程體系，是對如何提升科研成果服務于專業教學活動的一次大膽嘗試，相關工作仍處于不斷探索階段，不足之處在所難免，敬請同行專家不吝批評指正，我們將在后續的工作中持續改進。