水文與水資源工程專業(yè)研究型課程體系構(gòu)建初探

黃金柏，方紅遠(yuǎn)，解陽(yáng)陽(yáng)

（揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225009）

培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才是國(guó)家建設(shè)和發(fā)展的需要。培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重大舉措?？蒲薪虒W(xué)互動(dòng)，創(chuàng)新教育教學(xué)理念和方式，是引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、激發(fā)創(chuàng)新行為的重要手段。以科研促進(jìn)教學(xué)，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)人才。對(duì)學(xué)生來(lái)講，將前沿科學(xué)研究成果及時(shí)引入教學(xué)過程，通過科研成果的介紹、學(xué)習(xí)和探討，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)科學(xué)探索精神。許多高等教育工作者在如何實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)方面做了大量的探索。本文依托揚(yáng)州大學(xué)水文學(xué)及水資源科研團(tuán)隊(duì)在模型構(gòu)建和應(yīng)用方面的相關(guān)研究成果，篩選專業(yè)課程中可利用模型解決的復(fù)雜計(jì)算問題，并將適用于模型計(jì)算的各知識(shí)點(diǎn)在教學(xué)順序上進(jìn)行整合，探討構(gòu)建模型嵌入的水文與水資源工程專業(yè)研究型教學(xué)體系。適用于模型工具解決的教學(xué)內(nèi)容多為課程復(fù)雜計(jì)算問題，亦為課堂教學(xué)難點(diǎn)問題。在常規(guī)課堂教學(xué)過程中，限于常規(guī)教學(xué)手段和時(shí)間，復(fù)雜計(jì)算問題的教學(xué)難以達(dá)到良好的教學(xué)效果。模型工具基于其計(jì)算效率高、計(jì)算結(jié)果豐富以及可視化效果好等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地彌補(bǔ)常規(guī)教學(xué)手段不足以及提高課堂效率，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和研究性思維。

1 課程體系構(gòu)建

1.1 課程模塊劃分

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，可將專業(yè)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(duì)應(yīng)模型工具的性質(zhì)和功能存在差別。

1.2 課程內(nèi)容篩選

根據(jù)各門課程的開課順序安排，篩選課程中可與模型計(jì)算結(jié)合的復(fù)雜計(jì)算問題。水文課程模塊主要包括水文學(xué)原理、環(huán)境水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)、城市水文學(xué)、水文水利計(jì)算等課程，所引入模型主要為流域產(chǎn)匯流模型、污染物擴(kuò)散和輸移（水質(zhì)）模型、城市雨洪模型、泥沙運(yùn)移模型；水資源課程模塊主要包括水資源系統(tǒng)分析、水資源學(xué)、水資源規(guī)劃與利用等課程，所引入模型主要為水資源優(yōu)化和管理模型，如數(shù)學(xué)規(guī)劃模型、多水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模型等（圖1）。經(jīng)如上劃分，可實(shí)現(xiàn)模型工具與兩模塊課程中復(fù)雜計(jì)算問題的精準(zhǔn)對(duì)接，在教學(xué)方案和思路設(shè)計(jì)上也更加明晰。

1.3 教學(xué)體系設(shè)計(jì)

在整合水文課程模塊和水資源課程模塊復(fù)雜計(jì)算問題的基礎(chǔ)上，對(duì)研究型教學(xué)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谀Ｐ凸ぞ咔度氲乃呐c水資源工程專業(yè)研究型教學(xué)體系如圖1 所示。

圖1 模型嵌入教學(xué)的水文與水資源工程專業(yè)研究型課程體系構(gòu)建

2 教學(xué)實(shí)踐

2.1 教學(xué)過程實(shí)施

基于圖1 所示的模型嵌入教學(xué)的專業(yè)研究型課程體系開展教學(xué)活動(dòng)。教學(xué)實(shí)施過程突出學(xué)生的主體參與性，注重學(xué)生對(duì)模型計(jì)算和結(jié)果分析與處理等環(huán)節(jié)的實(shí)踐訓(xùn)練，強(qiáng)化對(duì)計(jì)算方法和過程的理解與掌握。以環(huán)境水力學(xué)課程中污染物隨流分散計(jì)算問題為例，對(duì)模型嵌入式的研究型教學(xué)開展過程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。在課堂教學(xué)過程中，首先講解隨流分散的基本知識(shí)，重點(diǎn)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(lái)，結(jié)合科研實(shí)際工作中某河段水流和水質(zhì)條件構(gòu)建污染物一維隨流分散模型，對(duì)模型功能、結(jié)構(gòu)、計(jì)算過程進(jìn)行講解；而后，對(duì)模型計(jì)算過程及結(jié)果處理的相關(guān)操作進(jìn)行演示。此教學(xué)過程中的課程基礎(chǔ)知識(shí)和模型構(gòu)建情況簡(jiǎn)介如下：

2.1.1 基礎(chǔ)方程式（基礎(chǔ)知識(shí)）

式中，為時(shí)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(shù)（/）。

2.1.2 差分式（算法建立主要環(huán)節(jié)）

式中，為計(jì)算斷面的編號(hào)；為計(jì)算時(shí)間離散點(diǎn)的編號(hào)；其他因子與前述相同。

2.1.3 參數(shù)率定和定解條件（模型計(jì)算條件）

基于科研活動(dòng)中對(duì)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(cè)量和調(diào)查結(jié)果，設(shè)定模型計(jì)算的定解條件，率定模型計(jì)算的主要參數(shù)（如隨流分散系數(shù)和河道糙率等）。

2.1.4 模型構(gòu)建

利用計(jì)算機(jī)軟件Fortran開發(fā)一維隨流剪切分散模型，實(shí)現(xiàn)模型的數(shù)值計(jì)算功能。

通過上述教學(xué)過程，使學(xué)生對(duì)復(fù)雜計(jì)算問題的基礎(chǔ)知識(shí)、求解方法以及模型計(jì)算等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)在思維邏輯上有了完整的認(rèn)識(shí)、整合及加工過程。

2.2 學(xué)生主體參與

教學(xué)方案的實(shí)施過程重視學(xué)生的主體參與性。學(xué)生以分組形式完成模型計(jì)算及結(jié)果處理。在此過程中，學(xué)生個(gè)體行為自主性和思維獨(dú)特性得到很好的發(fā)揮，學(xué)生運(yùn)用課程知識(shí)解決實(shí)際問題的能力、獨(dú)立思考和判斷能力、合作性學(xué)習(xí)和溝通能力得到了全面訓(xùn)練。

3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

3.1 調(diào)查內(nèi)容

跟蹤教學(xué)實(shí)施過程，以對(duì)學(xué)生問卷的形式開展教學(xué)效果調(diào)查和評(píng)估。調(diào)查內(nèi)容包括“研究型教學(xué)對(duì)課程計(jì)算難點(diǎn)問題的學(xué)習(xí)和掌握是否有幫助？”“對(duì)學(xué)生解決專業(yè)復(fù)雜計(jì)算問題能力的提升是否有幫助？”“對(duì)提升學(xué)生參與專業(yè)科研活動(dòng)的興趣是否有幫助？”“對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)是否有幫助？”四個(gè)方面。為各單項(xiàng)調(diào)查結(jié)果設(shè)置“滿意”“基本滿意”“一般”和“不滿意”四個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。

3.2 效果評(píng)價(jià)

調(diào)查結(jié)果表明，大部分學(xué)生對(duì)各單項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果都達(dá)到“滿意”等級(jí)，部分學(xué)生根據(jù)自身的學(xué)習(xí)體會(huì)，針對(duì)教學(xué)體系和教學(xué)方案中的某些環(huán)節(jié)提出了個(gè)人的建議。通過與個(gè)別學(xué)生的談話可知，對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)較弱的少數(shù)學(xué)生來(lái)說，課程復(fù)雜計(jì)算問題的基本知識(shí)與模型計(jì)算過程同步教學(xué)的模式，在短時(shí)間內(nèi)難以很好地接受，這為如何改進(jìn)研究型教學(xué)體系提出了新的課題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文初步構(gòu)建了水文與水資源工程專業(yè)研究型課程體系，并針對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行了調(diào)查和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：該研究型課程體系的實(shí)施，較好地解決了課堂教學(xué)過程中學(xué)生對(duì)復(fù)雜計(jì)算問題難以理解的問題，教學(xué)效率和教學(xué)效果得到明顯提升，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)感性材料加工并轉(zhuǎn)化為理性認(rèn)識(shí)的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和創(chuàng)新能力，從而得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可。

專業(yè)研究型課程體系的科學(xué)構(gòu)建，須遵循當(dāng)代教學(xué)規(guī)律的發(fā)展，凝聚專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的集體智慧，結(jié)合專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和行業(yè)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求，適時(shí)修訂專業(yè)培養(yǎng)方案，不斷探索并構(gòu)建與時(shí)俱進(jìn)的專業(yè)研究型教學(xué)體系，服務(wù)于高質(zhì)量創(chuàng)新型專業(yè)人才的培養(yǎng)。本文所構(gòu)建的基于模型工具嵌入的水文與水資源工程專業(yè)研究型課程體系，是對(duì)如何提升科研成果服務(wù)于專業(yè)教學(xué)活動(dòng)的一次大膽嘗試，相關(guān)工作仍處于不斷探索階段，不足之處在所難免，敬請(qǐng)同行專家不吝批評(píng)指正，我們將在后續(xù)的工作中持續(xù)改進(jìn)。