“河流動力學”課程實習的實踐探索與新模式

李志威，周美蓉，鄧珊珊，夏軍強

（武漢大學 水利水電學院，湖北 武漢 430072）

課程實習的實踐環節對于港口航道與海岸工程的河流動力學專業方向的本科生，全面掌握和深入融會課程知識、培養創新思維和提高科研能力具有至關重要的作用［1-5］。專業實習與野外考察是工科類專業教學過程中重要的綜合性實踐環節，不僅是培養學生掌握專業技能、鍛煉動手能力及適應職業發展的有效途徑，而且是培養學生協作精神、科研興趣和創新意識的重要平臺［6-9］。本科生在學習“工程流體力學”“河流動力學”“河床演變學”等主干專業課之后，通過野外考察河流、河床泥沙取樣、水深流速測量、無人機航測等觀測項目的訓練，將專業基礎課上學習的河流演變理論與實際觀測相結合，更加深入理解了書本內容，初步培養了發現問題、分析問題和解決問題的綜合能力［10］。

通過引入當前長江和黃河流域生態保護與高質量的新發展理念，并結合指導教師的科研項目需求，在實習地點設置若干科研小任務，引導本科生主動參與長江、黃河的河流原型觀測和采樣工作，提升專業實習的積極性和獲得感。同時，可增長本科生對自然河流的感性認識，促使學生了解河流水環境和水生態現狀，以更好適應未來研究生學習和就業崗位要求［11］。因此，本論文基于最新的河流保護與治理理念，旨在提高本科生的學習興趣，結合當前教師開展的科研任務，吸引本科生投入其中，體驗與認識河流的重要性，增強保護河流的責任感，了解觀測河流的最新技術。最終目標是通過參與河流水文觀測的科研實踐實習活動，增加本科生的科研素養和學術興趣，此模式值得其他工科專業的專業實習嘗試和推廣。

一、野外考察實習存在的問題

（一）對“河流動力學”野外實習教學不夠重視

“河流動力學”課程實習教學一直被認為是理論教學的輔助環節，在一些高校水利水電類專業的人才培養計劃中，往往只設置一學期的“河流動力學”理論課程，沒有設置獨立的“河流動力學”野外實習教學課程。在“河流動力學”野外實習教學的設置上，也面臨經費短缺導致的實習時間短和內容設置少等問題。部分教師對“河流動力學”野外實習認識不足，一些新入職的青年教師，缺乏野外考察和教學實習經驗。而一些野外實習教學經驗豐富的教師面臨教學和科研雙重壓力，很難抽出較多的時間投入到野外教學實踐。學生則按照既定時間和路線參觀，聆聽教師和實習點工作人員的講解，在實習過程中處于被動地位，缺乏積極性和主動性，實習教學的效果欠佳。

（二）缺乏探索性的野外實習教學內容

現有“河流動力學”野外實習教學的內容大部分處于“認知”層次，實習的內容單調、淺顯和零散，沒有結合專業知識綜合考慮野外實習教學內容。教學模式比較單一，主要以學生聽、教師講解為主，缺乏對學生獨立設計和動手實踐能力的有效訓練，而且對學生缺少科研興趣引導，不利于學生積極思考自然河流現象及當前存在生態環境問題。同時，缺少對國外一流大學“河流動力學”實習教學案例的借鑒，教師對“河流動力學”野外實習仍停留在講授知識階段，沒有以學生為中心，尚未形成較為綜合的、具有探索性的野外實習教學內容。而且，對于即將進入研究生階段學習的大四本科生來說，其科研實踐能力未能得到充分鍛煉，缺乏對水文觀測數據獲取的觀測方法及技術的了解。

（三）缺少良好的河流綜合野外實習基地

由于以往河流野外實踐教學主要以大江大河和水庫大壩為對象，每年實習之前都需要與當地河道管理部門聯系和協調時間。若是在汛期，由于防汛任務緊張，則學生的實習時間和計劃難以得到保證與實施。而且大江大河在河長制的嚴格管理之下，較難以進行實習教學基地的建設和維護，學校也缺少充足經費進行支持管理。因此，選擇距離學校較近的山區的中小河流和沖積河段，盡量減少人工干擾和水利工程影響，有利于建立一個長期相對固定、可針對不同實踐內容的“河流動力學”實習基地。一般要求實習河段既有卵石河段，也有沙質河段，水質清澈，生態良好，而且實習時間內河道水深不超過1 m，平均流速小于0.5 m/s，有利于安全地開展水下測量與取樣作業。

二、野外考察實習教學模式改革與探索

（一）實習準備工作

第一，根據學校課程實習要求和目標，撰寫實習大綱和實習手冊，確定實習內容、觀測儀器和實驗耗材等。第二，根據實習班級人數，劃分成若干小組，每組6～8人為宜，每個小組安排一名課題組的研究生作為技術指導和一名成員作為組長，協調和負責小組內分工與協作任務。第三，聯系實習地點的食宿和車輛，注意實習期間的天氣和交通情況，做好相應的應急預案。第四，確定實習出發時間和考察實習的時間段，一般野外工作時間2～3天為宜，后續數據整理與分析1周左右。為了使河流實習與觀測數據可作為科研用途，最好結合實習帶隊教師的科研課題任務，開展相應的實驗內容設置與實習任務分配，做到實習教學與科研觀測相結合，有利于本科生在實際科研中得到鍛煉并提升興趣。

（二）實習內容與野外測量

根據實習目標與觀測內容，對各實習小組及路線進行優化組合，形成相對穩定的實習任務，合理設置任務的時間安排。在實習觀測過程中，教會本科生掌握儀器使用與操作、測量與取樣、數據記錄等必備環節。

1.河流基本特性與河床測量。在實習觀測之前，由帶隊教師講解實習地點的河流地貌歷史與現狀、河流類型與形態、水文特性與輸沙特征、濱河植被和水生態狀況等。觀測內容包括床沙粒徑及級配、河床結構、河床坡降、水深、流速、河段形態等；觀測儀器包括皮尺、鋼尺、全站儀或RTK、無人機、筆記本電腦等。

2.河流水流泥沙測量。觀測內容包括水深、流速、懸移質含沙量、推移質輸沙率等；觀測儀器包括流速儀（直流式、旋槳式、聲學多普勒ADV或走航式聲學多普勒剖面儀ADCP），根據河道水流特性與水深，可選擇和攜帶不同流速儀。懸移質含沙量采用取水樣，帶回實驗室過濾、烘干和稱重測量。推移質輸沙率可采用坑測法或推移質采樣器（如Helly-Smith sampler）。

3.河道形態與地形測量。傳統野外測量方法主要通過全站儀、經緯儀、RTK 等測繪儀器對研究河段進行人工測繪，但是河流形態多變，地形復雜，測量精度及測量區域受人為因素和自然條件約束較大，耗費時間長。近年來，無人機航測技術因其成本低、可操作性強、獲取影像分辨率高等優點，成為獲取高分辨率低空影像數據的野外測量地形常用方法。因此，野外河流實習可以采用大疆DJI無人機低空航測，獲取河流景觀、表面流場和河谷地形。

4.河流水環境與水生態調查。當前河流生態保護與修復的理念正是河流動力學專業本科生需要了解的交叉學科知識。單純從書本上閱讀相關知識，難以真正理解水環境改善的緊迫性和水生態修復的重要性。野外測量內容包括常規水質指標（水溫、電導率、渾濁度、pH值、溶解性固體、懸浮性固體、總氮、總磷、總有機碳、生物需氧量、化學需氧量、葉綠素a等）、水生植物和濱河植被調查（植物種類、植株高度、植被覆蓋度、覆蓋面積和植被物種多樣性等），并做好標本取樣，觀測濱河植被群落與分布。若有科研需求，可以安排水生態調查，包括浮游生物、底棲動物和魚類，具體內容包括種類組成分布、主要類群及優勢種、總生物量及密度。水生態調查、取樣和室內檢測需要研究生指導和后續鑒定分析。

每個小組約10人，負責一項實習觀測任務，做好數據記錄和整理，形成小組實習日志，要求圖文并茂，具有可讀性和科學性。

（三）實習后工作任務

在考察實習結束后，限定時間，要求每個小組提交一份考察成果報告及實習感受，并開展小組成果匯報與交流活動。成果報告一般包括實習日程安排及任務、小組成員及分工、測量方法及儀器、原始數據及分析方法、主要結果及結論和參考文獻。成果報告要緊密結合授課所學“河流動力學”相關專業內容，并進行適當擴展，如水環境和水生態。實習感受主要是參加實習的見聞、收獲與體會等。每位組員側重于不同的專題進行撰寫，各組組長負責分工，最終合成一份高質量的實習報告。

（四）考察實習的教學經驗

根據近年筆者帶考察實習的實踐教學經歷，總結如下4點教學經驗：（1）本科生實習兼顧科研任務能夠吸引學生興趣，調動學生積極性，增強學生的責任心；（2）對于部分即將進入研究生階段的學生，考察實習和野外測量所掌握儀器與觀測方法，有助于提高實際動手能力；（3）考察實習附帶的科研任務，形成獲取觀測數據，安排即將讀研的學生撰寫中文論文，有利于提前鍛煉他們分析數據、制作圖表和文字表達能力；（4）考察實習有助于增進學生對河流的認識和對科研的熱愛，為后續研究生科研階段和將來職業發展打下一定基礎。

結語

通過對野外考察實踐教學的總結和探索思考，逐漸形成了“河流動力學”課程實習的新模式：教師將科研課題任務融入實習教學中，做到具體指導、全程參與、嚴格要求和注重成效，確保實習有內涵、有深度和有意義，高質量地完成了實習目標，并兼顧了科研任務，進一步增強課程實習教學環節在河流動力學專業方向的創新型人才培養和科研素養培育中的重要作用。

“河流動力學”課程實習新模式的特色在于，引入當前大江大河生態保護的新理念，在實習地點設置科研任務，引導本科生主動參與河流原型觀測和生態采樣等實踐工作活動，提升野外實習的積極性、趣味性和獲得感，增強本科生對河流的認識，使本科生了解河流地貌與水生態現狀，更好適應未來研究生的學習和就業崗位。同時，結合當前教師正開展的科研任務，吸引眾多學生投入其中，體驗觀測河流的最新技術，增強保護河流生態的責任感。而且，讓大四本科生通過野外專業實習，提前接觸河流水文觀測方法與技術，有利于提高畢業生的學術興趣和科研能力，值得其他工科專業實習推廣與借鑒。