基于流域模型實踐的“生態水文學”課程設計與教學模式探索

摘 要：生態水文學是研究生態系統與水文過程之間關系的基礎學科，然而傳統的教學模式往往更聚焦于理論訓練，而不是實際操作，這一問題導致學生對水文生態動力學的認識欠缺，缺少開展科研分析的內驅力。本文基于流域模型實踐探究“生態水文學”課程內容與教學方法，提出基于理論基礎、模型實操以及科研創新的三階段式教學模式，該模式利用整合流域建模、情景模擬與創新項目設計，引導學生由被動的知識接收者變成主動的問題處理者。本研究有望提高學生對模型應用的熟練程度，推動學生提升研究參與積極性，加速學術成果匯聚，為促進以實踐為導向、創新為關鍵驅動的課程改革提供了有價值的參考。

關鍵詞：生態水文學；流域模型；課程設計；實踐教學；科研創新

1 概述

生態水文學是地理學、水文學與生態學相融合的跨學科研究領域，目標是研究生態系統與水文循環之間的動態響應機制［1］，其理論框架為氣候變化適應和流域水資源管理等應用研究提供了極為重要的支撐。該學科重點關注水循環在植被、土壤、水等復雜介質間的互動機制，自身展現多尺度屬性，引發其知識體系較為抽象的問題。普通的教學模式一般難以助力學生把零碎的理論概念整合進對水文生態系統的理解學習中，掣肘了應對實際挑戰所需的系統思維的發展［2］，現有的教學操作面臨三大挑戰：（1）實驗設計僅圍繞室內參數測量展開，缺少流域尺度過程模擬與調節訓練；（2）建模工具大多簡化為結果呈現平臺，限制學生被動操作預設界面，無法深度介入數據搜集、模型架構、參數校準、情景分析的全鏈條進程；（3）教學目標依然以知識轉移作為核心要點，未顧及科研思維的內化質量，導致學生缺少創新積極性，難以把課程成果轉化成科學探究與探索性研究能力［3］。

因為流域模型可對流域內水文與污染物的遷移過程做定量化模擬，所以在近些年成為解決上述問題的合理工具［4］，這些模型引導學生更順暢地理解陸面與河道水系間的相互作用，并借助基于場景的模擬去研究不同環境和管理條件方面的結果。但在現有的教學實踐活動中，其教育價值沒有得到充分展現，教學往往過分突出模型結果的直觀演示，而沒察覺到模型構建過程中參數物理意義（如徑流系數、峰值流量）與潛在生態水文機制之間更深層次的聯系。同時，學生對流域模型的參與始終局限于機械操作，缺少運用這些工具解決現實問題的主動意識［5］，這種“學習與應用的分離”極大地破壞了理論與實踐之間的密切聯系，無法展現流域模型在培養學生的科研興趣方面的教育潛力。

本研究把流域模型實踐作為主要教學策略執行，對生態水文學開展創新型課程設計與教學模式的探索活動。通過把生態水文機制與模型參數融合在一起，引導學生對生態與水文的相互作用有更深刻的認識；通過整合數據獲取、模型構建、情景模擬等課程體系，提升學生對流域模型的實操水平和技術；以前沿研究主題設計為途徑，研究加速了從課程作業到科研項目的過渡，增進了學術參與度和實際應用成果。

2 課程設計

2.1 課程目標重構

本研究憑借流域模型與學科知識的深度結合，打破了傳統“生態水文學”課程多聚焦基礎概念教學的局限，由此搭建具有創新特點的課程目標體系，如表1所示。

2.1.1 知識傳遞：從理論學說到參數剖析

傳統課程更多地把重心放在水文循環、生態過程等基礎理論的學習上，本研究的課程設計會聚焦流域模型的關鍵參數進行研究，如徑流曲線系數、蒸散發系數等。通過對這些內容的學習，學生能正確理解水文循環和生態系統間的科學問題，探究徑流曲線數怎樣體現下墊面產流特征，以及蒸散發系數怎樣揭示植被與土壤體系的生態作用。

2.1.2 能力培養：從現象過程到系統建模

本課程的重點是使學生憑借模型模擬解決生態水文學的實際問題，同時具備刻畫水文與生態現象的基礎能力。空間數據庫的建立、參數敏感性分析與校準驗證等都是流域建模實踐的一部分，這些實踐引導學生思考怎樣將現實世界的環境問題（如土地利用變化和氣候變化）轉換為基于模型的操作任務，還借助情景模擬以及數據分析所得結果，提高學生的問題診斷與決策能力。

2.1.3 素養提升：科研思維的提升進階

在課程的收尾階段，教師將引領學生參與創新性課題的設計，學生通過閱讀文獻，將自主提出議題、搜集數據、構建模型，并憑借模型輸出結果開展分析。著力引導學生養成系統性建模思維，使學生把理論認識與實際運用關聯起來，提出符合國家戰略需求的科學問題，在此基礎上，教師要引領學生借助數據分析給出相關的流域水文管理建議，為后續開展相關政策制定提供參考。2.2 教學內容模塊化設計

2.2.1 理論模塊

更新后的理論模塊需要以生態水文學基礎理論教學為基礎，逐步探索并剖析流域模型基本要義。課程把理論認知與實際應用相結合，講述水循環主要部分［6］，在此基礎上洞察流域水文模型怎樣把這些過程轉化成可計算的模塊：把降水與徑流之間的關系對應徑流計算方程，以及借能量平衡方程說明蒸散發過程，并通過空間離散化手段處理下墊面特征差異［4］。然后剖析模型運行的數據驅動進程：整合降雨觀測模擬數據、土壤類型分布剖面圖、土地利用原始數據及數字高程數據（DEM）等，把流域劃分成具備均一特性的模擬單元——水文響應單元，直觀展示地形、土壤、土地利用的空間非均一性，同時思考參數賦值如何影響水文過程模擬結果的呈現。

2.2.2 實踐模塊

實踐模塊的課程設計將圍繞數據采集、模型架構、模擬應用實施系統性教學，先指導學生采集流域基礎數據，包括DEM、土地利用類型圖、降雨及溫度等氣象數據，土壤質地剖面數據以及農業管理措施中的灌溉制度、施肥周期等屬性數據。然后開展數據預處理環節，采用地理信息系統工具完成空間數據格式轉換、缺失氣象數據插值、土壤水力參數計算等標準化操作，在模型運行階段，依靠DEM自動生成河網與子流域邊界，依靠土壤與土地利用疊加分析明確水文響應單元，在模型生成結果后，實施參數敏感性分析，篩選關鍵參數并明確其敏感性等級。借助優化算法篩選參數組合，采用納什效率系數、相關性系數等指標衡量徑流量模擬精度，并借助可視化手段對比模擬值與實測值，實踐模塊采用完整的數據驅動建模流程開展訓練，讓學生掌握從基礎數據整理到模型可靠性驗證的全鏈條技術能力。

2.2.3 創新模塊

創新模塊讓學生可以憑借模型進行研究分析，并通過開放式課題研究把模型結果轉化成創造性的研究成果。教師安排實操性選題，要求學生以流域水文模型輸出數據為基礎，采用地理信息系統的可視化界面呈現情景模擬成果，同時輔導學生按照學術期刊標準分析模型驗證的結果，對比情景模擬的圖，形成可供借鑒的決策支持報告，最終開辟成果轉化路徑，選定優秀課題報告轉化成學術文稿。該模塊憑借全周期訓練，不僅可以培養學生解決復雜水文生態矛盾的科研素養，更把學生原創成果持續充實到課程案例庫，造就教學和科研互促互益的良性互動。

3 “理論—實踐—創新”三階段式教學模式

三階段式教學模式強調流域建模與生態水文知識的緊密結合，借助“理論—實踐—創新”階段式教學手段，構建起一套完整的生態水文學教學體系（見圖1）。

圖1 “理論—實踐—創新”三階段式教學模式

課程以理論基礎階段的生態水文過程機制和關鍵物理參數引入，使學生全面掌握水文循環及其環境影響因素等知識點。借助整合流域模型的數學表達式，學生可更透徹地領會模型參數及其物理意義。模型實踐階段以“數據獲取—模型構建—情景模擬”為核心內容，建立生態水文概念與流域模型實際應用間的關鍵聯系，采用這種方法，學生可以依托理論知識和實踐技能的基礎，培養對生態水文學應用特性方面的理解。教師讓學生在開放式數據庫及相關科研網站獲取模型所需的數據資料，采用地理信息系統和遙感平臺對數據開展初步預處理，在模型構建期間，恰當地輸入模型所需數據設立對應數據庫，模型運行成功后，通過參數篩選、敏感性評估等方法，協助學生掌握流域水文過程的定量模擬途徑。在情景模擬及分析過程中，引導學生評估不同情景（如農業集約化程度、氣候變化條件等）對水文循環和生態系統的影響。在科研創新階段，推動學生依靠流域模型開展自主鉆研，并強化生態水文學知識的實際操作。采用開放式課題設計，學生不僅可以開展生態水文過程探索，還能借助模型結果制訂科學合理的環境管理計劃。三階段式教學模式具備提升學生的數據分析與模型應用能力、培養其科學研究思維的潛力。在教學實施階段，學生可以借由流域模型提出科學假設，驗證生態水文機理，并提出面向實際問題的應對辦法［7］。科研創新環節看重研究成果的社會服務價值，為水文與環境管理部門提供支撐決策的依據。

總之，三階段式教學模式強調流域建模與生態水文知識的深度融合，有目的性地加強了學生對基礎理論的理解，提高了學生的模型操作能力。該教學模式通過實踐課題的學習，培養學生進行全面分析、創新研究和實際應用，成功地將理論與實踐相結合，解決了傳統教學的弊端，為培養生態水文學及相關學科人才提供了一個可復制的框架。這種模式不僅使學生奠定了堅實的學術和實踐基礎，而且還使他們具備了應對實際生態水文挑戰的必要技能。

4 教學實施案例：以“農業集約化對流域水文生態過程的影響”為例

農業集約化的加劇引發流域水文過程和生態系統服務出現顯著變動，對流域水資源可持續管理造成深遠影響。該案例的核心要素是借助SWAT模型模擬農業集約化對流域水文過程產生的影響，并綜合模擬結果給出生態修復和管理方面的相關建議［8］。案例采用的核心分析工具是SWAT模型，它能夠模擬流域內的徑流、蒸散發、地下水補給等關鍵水文進程。首先，依托DEM數據開展子流域劃分，并結合土地利用和土壤數據明確水文響應單元；其次，將氣象數據導入模型，采用水文站實測數據做校準與驗證，實施模型參數的優化，其能夠較好地反映研究區域的水文特征。

在情景模擬與分析階段，課程擬設置三類情景：基準情景，設置常規施肥量及灌溉面積；現狀情景，設置施肥量增加35%、灌溉面積擴大20%；極端情景，設置施肥量增加75%、灌溉面積擴大50%［9］。基于三類情景的模擬結果，引導學生分析化肥增量施用與灌溉擴張導致的徑流量、徑流系數以及洪峰流量數據的差異，證實人類活動對水文過程的主導作用。

5 結論與展望

本研究初步探討了基于流域模式實踐的“生態水文學”課程體系，制定了“理論基礎—模型實踐—科研創新”三階段式教學模式。通過綜合流域模型實踐、情景模擬及創新項目設計，該模式把焦點從傳統的知識教授調整到教學與實踐培養當中，同時凸顯技能進步和科研創新，強化學生對生態水文耦合機制的系統認識，增強學生構建模型、情景分析和科學決策的能力，帶動課程成果向科研創新和社會環境實際應用的轉化實施，表現在以下幾個方面。

（1）在理論基礎方面，教師引導學生掌握流域模型參數的生態水文含義，進而明確模型參數的生態水文意義。學生可在抽象理論與流域過程模擬之間構建密切的聯系，帶動對流域水文過程及其主要環境影響的系統把握。

（2）在模型實操方面，教師組織學生開展具備數據獲取、模型構建、情景推演等內容的綜合性訓練，顯著增強了學生應對實際流域水文生態問題的能力。

（3）在科研創新方面，該模式借助成果轉化機制和開放式項目設計帶動了學生的科研內驅力，部分項目已進一步發展至學術出版物或決策支持報告階段，為構建一個融合研究、教育和社會服務的教學機制提供了參考借鑒。

不僅如此，本研究還分析了未來“生態水文學”課程改革的重點方向，其中一個核心關鍵是結合機器學習技術來校準模型參數，進而極大提升模型模擬的準確性。未來需要開發可實現開放獲取的教育平臺，籌建完備的流域案例數據庫、模型工具包和在線培訓模塊，更有利于知識的擴散，同時加大創新教學方法的可擴展空間。

參考文獻：

［1］夏軍.“雙碳”背景下生態水文學的研究與展望［J］.中國水利，2025（1）：16.

［2］王宇，卞建民，孫曉慶.“生態水文學”課程教學模式探索［J］.教育教學論壇，2022（48）：145148.

［3］補建偉，劉夢，孫自永，等.“生態水文學”實驗實踐課程建設規劃與思考［J］.教育教學論壇，2021（50）：149152.

［4］黃金柏，方紅遠，李帆，等.基于模型嵌入的水文與水資源工程專業研究型教學體系構建［J］.中國教育技術裝備，2021（4）：5359.

［5］夏軍，張永勇，穆興民，等.中國生態水文學發展趨勢與重點方向［J］.地理學報，2020，75（3）：445457.

［6］王根緒，夏軍，李小雁，等.陸地植被生態水文過程前沿進展：從植物葉片到流域［J］.科學通報，2021，66（2）：36673683.

［7］畢二平，劉若鵬，劉菲.項目研討式教學法在“水文地質學基礎”授課中的應用［J］.科技信息，2010（21）：538.

［8］陸夢怡.集約經營程度對我國農業面源污染的影響效應研究［D］.鎮江：江蘇大學，2022.

［9］趙英，王海霞，王毅，等.黃河流域農業水資源高效利用與優化配置研究［J］.中國工程科學，2023，25（4）：158168.

基金資助：北京市高等教育學會面上項目，新工科背景下生態環境保護工程人才培養模式研究（MS2023215）

*通信作者：孫鋮（1994— ），女，漢族，吉林延吉人，博士研究生，講師，研究方向為流域水質模擬與環境效應。