面向解決復雜問題能力培養的水文預報課程教學模式研究

劉 冀，石小濤，馬海波，喻 丹

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

水文預報是三峽大學(以下簡稱“我校”)水文與水資源工程專業的核心必修課程，是學生今后從事水文預報工作的必備專業技能，要求理解水文預報方案的制作原理和方法，掌握應用各類預報方案進行徑流預報的能力，能夠針對當前復雜變化條件下的水文預報問題，提出合理且具有一定創新性的解決方案，課程具有很強的理論與實踐性[1-4]。課程內容知識繁雜，計算內容多，且很多需借助計算機程序或軟件實現，一些預報方法尚在發展完善中，在實際工作中需要有創新意識去解決實際復雜預報問題。多年教學實踐表明，本課程學習難度大，學生難以獨立歸納總結知識點，水文預報理論與實踐結合能力弱，對于實際復雜預報問題的建模能力較弱。因此，如何提升學生的理論與實踐水平，培養學生解決復雜水文預報問題[5-7]的創新意識成為課程建設亟待解決的關鍵問題。

以工程教育專業認證理念為指引，結合我校“高素質、強能力、應用型”人才培養目標，確立課程目標：(1)在能力方面，培養學生圍繞水文預報任務和要求收集基本資料的能力，應對實際復雜條件下的水文預報建模能力，具備從事水文情報預報方面的生產、設計和科學研究的能力，并具有一定創新意識與一定的國際視野。(2)在專業素質方面，培養學生進行洪水預報與發布預報的高度責任感和擔當精神及作為水利工程師的職業素養。圍繞此培養目標，課程在以下方面進行了教學改革與實踐。

一、課程教學組織實施

針對水文預報中的復雜工程問題，建立“一核心四層次”的課程教學模式(圖1)，以解決復雜水文預報問題為核心，打造基礎層、提高層、綜合層和創新層的四層次復合人才培養模式。通過對四層次課程的建設，將能力培養分解到各個教學環節實施中，通過對課程目標的達成，從而使學生達到解決復雜水文預報工程問題的能力要求。

圖1 “一核心四層次”體系設計圖

對于水文預報復雜工程問題，首先分析所面臨的復雜工程問題的特點，然后明確提出對學生的能力要求，最終落腳于各個教學活動的實現上，通過各個教學環節的達標實現解決復雜水文預報問題的能力培養。所構建的四層次為：第一層次為工程基礎層，包括水文預報基礎理論與方法;第二層次為提高層，包括與基礎理論配套的相關習題與團隊專題討論、計算機預報仿真等;第三層為綜合層，包括課程綜合設計、實際預報案例等;第四層為創新層，包括水文預報競賽、水科學數值模擬大賽等能夠增強學生創新意識與國際視野的相關活動。

在基礎知識與能力基礎上，通過構建各綜合實踐模塊，通過不同知識點的整合、重構和創新，培養學生綜合分析設計能力、創新能力、自主學習能力、團隊寫作能力和組織協調能力，能對復雜水文預報問題進行協同攻關，能理解、運用、遵守專業標準和規范等行為準則。課程總體教學設計如圖2 所示。

圖2 水文預報課程總體教學設計

二、課程教學方式探索

在教學中從宏觀角度出發，精準把握水文預報教材、梳理教學脈絡、提煉教學主線，由淺入深循序漸進地推進課程內容。充分利用降雨徑流相關圖這一傳統方法的制作及應用幫助學生理解水文預報過程及相關要素的計算，以問題導向啟發式教學引導學生思考，在實際案例中鞏固知識點，開展探究式教學，注重培養學生主動搭建知識點脈絡的能力和意識，課程教學模式如圖3 所示。

圖3 水文預報課程教學模式

引入國外水文模型并加入英文實訓案例不斷拓展學生的國際視野。突出培養學生的自學能力、實踐與創新能力，突破傳統教材加入水文預報新技術與新方法應用與實踐，加強水文模型軟件與程序設計在課程教學、作業中的應用。結合水文預報在防汛抗旱中的“尖兵與耳目”作用，強化作為一名預報員的責任擔當、職業規范與專業自豪感，強化“課程思政”，落實課程“立德樹人”的關鍵作用。

針對課程部分內容較為抽象的問題，在教學中充分利用學生耳熟能詳的生活實例，結合多媒體展示等現代技術手段，輔助學生理解相關知識點，啟發學生有創新意識地去積極思考，舉一反三，加深對課程難點的認識與理解。在案例教學過程中注重趣味性、開放式討論，從學生認知規律角度出發，由現象到本質，由實踐到理論到再實踐，深入淺出，注重課堂傳授與實踐教學環節有機結合，把握好理論與實踐的平衡，學生更加透徹地掌握所學，專業素養獲得明顯提高。

將知識點按難易程度劃分，因材施教，將作業或者案例分為基礎組與進階組，采用考核導向式鼓勵以學習小組方式加強研究型、項目式學習。教學中不斷收集學生反饋信息用以持續改進教學組織，優化教學設計。注重課堂與實踐教學環節有機結合，學生專業素養獲得明顯提高。

課程2012 年建成驗收為校級合格網絡課程，2021年獲批省級一流線下課程，課程整套教學資源(課件、視頻、參考資料、習題、作業、測驗和實踐案例等)可在“課堂派”“長江雨課堂”“中國大學慕課”等智慧教學平臺上供學生在線與下載學習。充分利用智慧教學平臺在線互動功能開展課堂測驗、作業發布與在線批閱、課堂教學效果調查等，有利于實時快速評估學生課堂內外學習效果，為開展后續教學活動提供依據。本課程在教學過程中充分利用“課堂派”等智慧教學平臺進行教學全過程跟蹤、評價與管理，改革課堂教學組織、考核評價方式，充分發揮學生的主觀能動性，增強學生獲得感。動態調整與提升課程內容的挑戰度與復雜度，培養學生解決復雜水文預報問題能力、獨立思考能力與團隊合作能力。

充分利用現代技術強化教學手段，提升學生動手能力。在教學過程中借助現代技術(主要為地理信息系統、遙感、計算機程序設計)等提取流域水文信息，表達水文過程，構建虛擬仿真實踐教學平臺，利用免費水文模型(如HBV 模型、SWAT 模型、HEC-HMS 模型)進行水文預報案例實訓。開展學術前沿課堂、案例課堂、翻轉課堂和專題討論課堂等多樣化混合式教學，培養學生的自學能力、團隊合作能力與國際視野。

建立有效的師生溝通方式。教師與學生是教學過程的主體，二者要有實質性的交往才能達到教與學的統一，應處理好傳授知識與培養能力的關系。充分利用網絡課堂、QQ 群和微信等適合學生主流的現代溝通工具，讓師生互教互學，彼此形成一個真正的“學習共同體”。

三、實踐與創新能力培養

培養學生的多學科思維融合能力以解決復雜條件下的水文預報問題。以密切結合實際預報工作為目標，在廣泛收集水文預報方案與應用案例的基礎上，充分利用授課教師參與的生產實踐、科學研究項目，對預報案例進行適當加工與整理，建立了能夠滿足課程教學需求的教學案例庫。有針對性、有選擇性地收集工程實例(主要為各大流域的預報方案與相關的研究論文)，針對課程預報方案制作特點，收集北方與南方地區的不同代表地區的流域洪水預報方案與流域數據。對工程實例進行適當加工與整理，以滿足教學要求。特別是在工程實踐中可能遇到各種問題，因此在教學中以工程實例為出發點，在教學中設計相應的問題情景，在授課過程中引入水文預報方法與應用方法。將理論知識與具體工程實例相結合，降低課程的抽象性，激發學生的學習興趣，提高教學效率。在教學中，不斷積累工程實例并改進實例以為教學服務，為本課程提供恰當的、充實的教學素材。針對目前本專業受到廣泛關注的問題，如城市防洪排澇、長江流域防洪、氣候變化對水資源的影響等科學問題，開展不同專題的討論或辯論，將學生進行分組，組織查閱相關文獻，使學生對水文與水資源學科發展中存在的問題有所了解，同時，也提高他們學習的積極性和主動性，真正感受到本專業知識在實際工作中的重要性與應用前景，激發學習熱情。

為破解學生實踐能力不足問題，建立了一套“師生走出去、預報員請進來”的水文預報課內外實踐機制，邀請行業專家與工作一線的水文預報員進課堂就水文預報工作實踐進行生動講解，增強學生對于預報工作的直觀感受并了解實際工作內容，激發學生的學習興趣，便于后續更有針對性地學習，同時，通過預報員的工作經驗之談，潛移默化地強化學生的社會責任擔當與了解行業規范等，有效提升學生的綜合實踐與創新能力。

在實踐教學方式上將傳統的“單向灌輸模式”改革為“互動實踐教學模式”，這種教學模式將學生擺在了整個實踐教學過程的“中心”，但又不忽視教師的作用，應用理論課所學知識處理分析預報數據、分析預報誤差來源及減小誤差方法;學生以團隊的形式分組完成預報方案制作與子流域洪水預報，分組討論預報中存在的問題與解決決策。從而活躍課堂氣氛，提高學生的學習主動性。特別是對于難度較大、較為綜合的課程作業與課程設計，將學生分為若干團隊，成員互幫互助，共同學習討論，有利于發揮團隊1+1>2 的功能，也有利于團隊合作能力的培養。

創新是引領發展的第一動力，在了解學科前沿的基礎上，教師精心設計與構建創新型水文預報案例，如淮河息縣站預報方案、清江流域梯級水庫預報案例和雅礱江流域預報案例等，根據不同流域特點有針對性地提出開放性問題，積極引導學生以團隊合作方式進行流域預報建模與模擬實時預報，教師對全過程加以指導，培養學生課程興趣，從中進一步了解科研過程，鍛煉科技論文、報告寫作能力。經過理論教學、實踐教學、自主研學的三元化教學模式，使學生知識、能力、素質獲得了協調發展。

在課堂教學環節，不斷更新教學內容與教學手段，讓學生了解水文預報領域最新發展動向。如講解河道匯流方法—馬斯京根法一節時，在講解方法背景、基本理論后，進一步針對參數率定問題，引導學生在人工參數率定后嘗試采用計算機優化率定，啟發學生閱讀相關論文，由學生就算法、率定目標等進行討論，最后以競賽方式進行考核，以預報精度作為學生成績，從而有效激發學生的學習潛能，鍛煉了學生的文獻閱讀、計算機程序設計能力，培養了學生的專業思維模式，起到了鞏固專業知識的良好效果。

四、課程考核與評價方式

課程考核與評價包括兩部分，一為對知識掌握程度的評價，二是能力達成度評價。考核內容包括期末考試、平時作業、專題討論、案例實訓及團隊合作能力、創新能力等。課程團隊建立了學習全過程的標準化與非標準化相結合的課程考核與評價制度，由傳統的單一知識考核向“知識+思維方式+創新”并重的以學為中心的教學考核模式轉變。每次評價位于不同的學習階段，按照工程教育認證標準設計學生評價表或評分標準，最終給出評價等級并反饋給學生，使學生及時了解存在的問題并進行改進，也有利于教師了解教學成效并積極制定持續改進措施，形成閉環持續改進教學質量。評價應注重個人能力與團隊合作能力的綜合評估，采用靈活多樣、具有開放性的定性、定量相結合的評價方法。

工程教育認證的理念強調以學生產出為評價手段，上述綜合教學方式運用的效果最終歸結為學生的學習效果：解決復雜工程問題的目標達成度，因此建立合理有效的評價方式至關重要，且這種評價不應是一次性的，而應是動態的跟蹤多階段評價，從而有利于及時發現不足并改進。建立了基于PSR(壓力—狀態—響應)理念的課程教學質量跟蹤、評價、反饋機制。

教師在水文預報課程教學中，針對相關教學內容設計有一定挑戰性、開放性的課程訓練題目，給學生施加一定的壓力，學生在此壓力下完成相應的教學內容，教師對學生任務完成質量與學生狀態進行評估與評價，通過對評價結果的分析從而為后續教學提供依據，同時對學生的表現進行反饋(響應)，以期通過不斷滾動的方式持續促進提升教學質量。

基于PSR 理念的教學模式具有一定的自適應性、可持續性，可針對學生個體的不同情況(如個人能力、專業知識掌握程度的差異)，對狀態進行周期性評估，評估主要依賴于目標達成度評價與心理狀態評估，其中目標達成度評價包括理論課程、設計環節、實驗環節及創新活動等的綜合立體式評價。

通過對學生周期性評價結果的綜合分析，教師依據此評價在后續教學中有針對性的做出適度響應，從而達到壓力與狀態的協調與動態平衡，以期獲得師生雙方均滿意的教學效果。進一步對周期性評估進行持續跟蹤，對學生在學習全過程中的表現進行跟蹤與評估，通過記錄成為形成性評價。評價應注重個人能力與團隊合作能力的綜合評估，采用靈活多樣、具有開放性的定性、定量相結合的評價方法。關注形成性評價，及時發現學生發展中的需要，幫助學生提升能力，激發學習動力，從而促進學生達到課程目標要求。將考試和其他評價方法(如定性評價方法)有機地結合起來，全面反映學生能力達成狀況。

基于上述評價結果，針對學生和教師教學中暴露出的問題與不足有針對性地對未來的教與學活動進行持續改進。“持續改進”理念是保持質量水平的有效機制。在動態評價的基礎上，針對評價所反映出的問題，在課程教學團隊內與學生團隊內進行充分討論，明確存在問題的內部關聯性，并與學生主體進行充分座談與調研，探索出持續改進措施，全面提高水文專業人才培養質量。

五、結束語

現今復雜條件下的水文預報問題迫切需要具有扎實水文專業基礎知識、較強創新意識與實踐能力的水文專業人才去解決。本研究以知識、能力和素養三方面綜合能力提升為人才培養目標，依托信息技術條件下的智慧教學平臺與虛擬仿真平臺，通過對水文預報課程進行自上而下的教學全方位改革，實現教學手段現代化、師生互動實時化、學生培養多樣化，多角度全面提升學生預報實踐能力、創新能力與團隊合作能力，拓寬學生國際視野，為全面提升水文專業人才培養質量、提升教師教學與工程實踐能力起到良好的推動促進作用。