新工科背景下水文測驗實踐教學體系研究與實踐

王萬杰 李國芳 陳元芳 傅巧妮

摘要 水文測驗學是水文與水資源工程專業的重要主干課程，具有較強的實踐性。根據新工科建設的要求，文章結合水文與水資源工程專業的特點，構建了“課內實驗、課外開放、校外實習”的多元化實踐教學體系，經過實踐取得了較好的效果，提高了學生的動手能力、工程實踐能力和科研創新能力，對相關高校實踐教學有參考借鑒價值。

關鍵詞 新工科；水文測驗；實踐；教學體系

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.019

自2016年提出“新工科”概念以來，教育部組織高校進行深入研討，形成了“復旦共識”和“天大行動”。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型的卓越工程人才[1]。在新工科建設背景下，水文測驗學課程的實踐教學環節將進一步向培養學生的工程實踐能力、科研創新能力方向發展，服務于國家水安全的戰略需求。

近些年各高校對水文測驗學的實踐教學環節都十分重視，但新工科背景下的實踐教學體系仍不夠完善。根據調研，國內目前眾多高校的水文測驗實驗存在一定的局限性，實驗內容與實際的水文測驗有一定的差距，不能全面考查學生的水文測驗技能，更無法提升學生的工程實踐能力以及創新實踐能力。水文測驗學是水文與水資源工程專業重要的主干課程，具有很強的實踐性。該課程的學習可以幫助學生熟悉水文測驗各種水文要素（如水位、水深、流速、流量和含沙量等）的測量方法，掌握水文資料整編的技術，培養學生的動手能力、工程實踐能力及科研創新能力。經過多年探索，并結合新工科建設的要求，河海大學（以下簡稱“我校”）構建了“課內實驗、課外開放、校外實習”的實踐教學體系，通過實踐取得了較好的教學效果。本文以河海大學水文與水資源工程專業的建設為例，對水文測驗實踐教學體系進行了總結，以期為全國高校相關專業的實踐教學改革提供參考和借鑒。

1水文測驗實踐教學體系的產生過程

河海大學水文與水資源工程專業的前身是1954年設立的陸地水文本科專業，2003年被批準為江蘇省品牌專業建設點，2007年被遴選為國家特色專業建設點，同年通過教育部組織的工程教育專業認證，2020年入選首批國家級一流本科專業建設點。水文測驗學是水文與水資源工程專業的重要主干課程，專業自設置以來一直重視水文測驗的實踐教學工作，培養了大批優秀的水文方面的專業人才。早在1956年就建成了水文測驗實驗室。在1956年的陸地水文專業教學計劃中，水文測驗課程學時數共有220個，其中實驗課占92個；1963年對專業的教學計劃進行了調整，水文測驗課程學時數減少為100個，其中室內實驗環節占14個，另外增加了三周的校外教學實習；之后，教學計劃經過多次調整，水文測驗課的實踐環節基本保持在課內實驗8個課時、校外實習時間約3周。

在“新工科”教育背景下，學生的工程素質和創新能力培養對實踐教學提出了更高的要求[2-4]。隨著我國高等教育的不斷發展以及社會對人才需求質量的不斷提高，一般的課內實驗和校外實習已無法滿足學生創新能力的培養。因此我校研制了能開展常規水文測驗實驗以及創新性實驗的室內實驗教學河道模型，使學生能在課內掌握水文測驗基本的技能操作；課外利用研制的河道模型，開展創新性實驗；通過校企協同共建校外實踐基地，培養學生的工程實踐能力，構建了三位一體的“課內實驗、課外開放、校外實習”實踐教學體系。

2實踐教學體系內涵和實施

2.1課內實驗

2.1.1水文測驗室河道模型簡介

為使學生能在校內開展滿足工程實際需要的水文測驗，我校研發了水文測驗室內實驗教學河道模型。該河道模型主體結構為鋼筋混凝土，由水庫、水泵、進水管、模擬河道及回水系統等組成。模擬河道總長約50m，寬度為3m，最大水深1.4m；模擬河道上游段為彎道、中下游段為直道，末端安裝格柵式閘門，最大流量為0.75m3/s。河道模型用水循環使用：由水泵將水庫中的水抽至模擬河道，模擬河道出水通過回水系統，再進入容積約為600m3的水庫中。

在模擬河道中布置的水文測驗設施有量水堰，安裝的測量儀器有水位計和流速儀。①量水堰：模擬河道中布置有實用堰和三角堰等，在量水堰的上方安裝有可升降的擋板，通過調節擋板的高度開展孔流實驗和堰流實驗。②水位和流速儀器：模擬河道上安裝有在線實時監測的浮子水位計和雷達流速儀等儀器。另外，模擬河道上布置有鋼制小橋，供學生在橋上進行水位、流速、流量等測量實驗。

該河道模型的建成，可以使學生在室內開展多方法、多技術的水文要素測量實驗，使實驗內容更貼近工程實際，也可以開展創新性實驗。

2.1.2課內實驗項目和實驗內容

結合水文測驗學課程教學大綱，開設的實驗項目共6個，包括水位與水深觀測、流速測量、流量測量、水文自動測報、泥沙顆粒分析和懸移質含沙量測定。各實驗項目的主要內容如下。

水位與水深觀測實驗：利用水尺、水位測針、浮子水位計、測深桿和測深儀進行水位及水深的測量。該實驗主要讓學生了解各種水位、測深儀器的工作原理，掌握其使用范圍和使用方法。

流速測量實驗：利用浮標和電波流速儀進行水流表面流速的測量；利用流速儀（包括旋漿和旋杯流速儀）進行垂線流速測量，熟悉1點法、2點法、3點法和5點法的垂線流速測量方法，分析流速沿斷面、沿垂線的分布規律。該實驗旨在讓學生完成旋漿流速儀和旋杯流速儀的拆卸、清洗與安裝，熟悉多種流速測量方法。

流量測量：①流速儀法：學生在模型上進行斷面選取和垂線布置，通過對水深、流速和過水面積的測量，計算出斷面流量；②ADCP法：用ADCP進行流量測量，包括ADCP的安裝（含硬件和軟件）、測量和結果的分析等。該實驗使學生了解各種流量測量儀器的使用范圍，掌握流量測量方法。

水文自動測報實驗：應用現代遙測、通信和計算機技術[5]，完成水位、流速等水文數據的采集、傳輸和處理。實驗中用到的主要傳感儀器包括壓力水位計和雷達流速儀等。該實驗使學生了解水文自動測報系統的組成、通信方式、工作原理和安裝方法，了解水文自動測報軟件的主要功能。

泥沙顆粒分析實驗：學生到室外采集泥樣，在實驗室內進行泥樣的前處理，然后分別利用篩分法、沉降管法進行粒徑的分析，繪制泥沙顆粒級配曲線；了解激光粒度儀的工作原理，掌握其操作方法，并利用激光粒度儀進行泥沙粒徑測試。

懸移質含沙量測定實驗：利用稱重法進行含沙量測定實驗。學生至校外河流用采樣器采取水樣，量取其容積，并經過沉淀、過濾、烘干、稱重等工序，求得懸移質含沙量。了解測定懸移質含沙量常用的儀器，如光電測沙儀、超聲波測沙儀、振動式測沙儀和同位素測沙儀的原理及優缺點。該實驗使學生熟悉水樣采集方法，掌握懸移質含沙量測定技術，了解主要含沙量測定儀器。

2.2課外開放

2.2.1電波流速儀（與河流非接觸式）流量測驗

當洪水到來時水位驟漲，與水流接觸式的水文測驗方法難以滿足時效性和代表性要求；同時水流攜帶有大量的漂浮物，含沙量較大，無法采用接觸式的流速儀法、聲學多普勒流速儀法或水面浮標法進行流量測量；另一方面，洪水期間水流快，流速經常超出流速儀器的實測范圍，無法用接觸式流速儀進行測量[6]。因此，課程團隊結合教師的科研成果，凝練出了用非接觸式的電波流速儀進行流量測驗的實驗項目。該實驗是由學生在模擬河道的鋼橋上，沿河道斷面測出多個水面流速，再結合過水斷面面積及由學生自行建立的模型計算出斷面流量[7]。該實驗有較高的研究價值，可以培養學生的科研創新能力。

2.2.2彎道測流實驗

彎道是自然界中常見的河道形態，受橫向環流和邊壁的影響，彎道段水流復雜，流速分布與順直河道有一定的差別[8]。實驗時由學生在模擬河道的彎道段進行流速測量，研究縱向及橫向流速分布規律，探討提高彎道流量測驗精度的方法，分析彎道段河道沖刷的成因，培養學生的創新思維能力。

2.3校外實習

校外實習是學生接觸生產第一線的重要環節。利用校外企事業的設施開展實習，學生可以對水文測驗的全過程有更深入的了解，規范操作方法，掌握水文測驗的各項技能，提高工程實踐能力，增強團隊協作能力和吃苦耐勞精神。而實習基地的建設好壞直接關系到學生校外實踐的效果。經過多年的探索與實踐，我校建成了共建、共享的水文測驗實踐教學實習基地，并建設了一支結構合理、實踐教學經驗豐富、創新意識強的水文測驗實踐教學隊伍。

2.3.1共建共享實習基地

遵循校企雙贏原則，深化校企合作，利用企事業單位的先進技術、先進儀器設備以及場地和資金，共建滿足實踐教學需要的實習基地。

2.3.2建設一支強有力的實踐教學隊伍

通過“請進來、走出去”的雙向流動模式，制訂兼職教師聘任辦法，明確遴選標準、教學要求、考核辦法、兼職待遇等內容，吸引具有豐富工程經驗的企事業單位專家參與到學生的實踐教學活動中。建設了一支結構合理、實踐教學經驗豐富、創新意識強的水文測驗本科實踐教學隊伍。

通過共建的方式，我校在校外設立了5個水文測驗教學實踐基地，包括安徽蕪湖大礱坊水文站、宣城水文站、黃山水文站、長江大通水文站和長江南京水文實驗站。其中蕪湖大礱坊水文站、宣城水文站、黃山水文站分別有1―2個班入駐，依照國家水文測驗規范進行日常的水位、流速、水深、流量、含沙量等測驗，并對資料進行整理，編寫實習報告；在長江大通水文站和長江南京水文實驗站，主要讓學生了解大江大河水文測驗技術和先進的儀器設備，觀摩船舶的ADCP流量測量、雙頻測深儀的水深測量，對生產一線的工作有更深入的認識。

3成效

新工科背景下構建的“課內實驗、課外開放、校外實習”水文測驗實踐教學體系，培養了學生的工程實踐能力及科研創新能力，通過近6年的實踐取得了較好的教學效果，調動了學生的主動性、積極性和創造性，激發了學生的創新思維和創新意識，對全面提升學生的綜合實踐能力有積極的作用。課程團隊研制的水文測驗實驗教學河道模型，支撐了多項大學生創新訓練項目，獲得了中國高等教育學會組織的自制儀器設備創新大賽三等獎，且已被遴選為教育部水文專業虛擬教研室共享教學資源，供全國同行學習并在教學中應用。我校構建的水文測驗實踐教學體系，在國內水文專業中起到了很好的示范作用。近五年，已有包括浙江大學和吉林大學等近20所兄弟院校來我校調研，給予了充分肯定并得到借鑒，在全國起到了很好的示范輻射作用。

基金項目：江蘇省2020年度高校“青藍工程”資助項目。

參考文獻

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[2]裴鈺鑫，汪惠芬，李強.新工科背景下跨學科人才培養的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2021（2）：62-68，98.

[3]顧佩華.新工科與新范式：實踐探索和思考[J].高等工程教育研究， 2020（4）：1-19.

[4]林健.新工科人才培養質量通用標準研制[J].高等工程教育研究， 2020（3）：5-16.

[5]孫智磊.無線遙測技術在水文測報系統中的應用[J].低碳技術， 2017（23）：46-47.

[6]王俊，王建群，余達征.現代水文監測技術[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

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[8]王路，馬旭東，周其航，等.壅水條件下彎道流速分布規律研究[J].中國農村水利水電2020（7）：85-90.