“水文测验”课程建设存在的问题及应对

一、“水文测验”课程建设的背景

水文气象作为水文学和气象学交叉衍生出来的新兴学科，主要研究地球上水圈与大气圈层面上的水的运动与变化规律。由于台风、洪涝、干旱、山洪泥石流等极端水文气象事件频繁发生，水文气象学专业顺应当前社会经济发展需求及学科发展需要产生。早在20世纪30年代，美国天气局成立水文气象处，为设计防洪建筑，从气象资料推算可能最大降水和可能最大洪水，最早的水文和气象相结合由此开始。[1]随着气象雷达、气象卫星等探测技术的发展，降水监测水平不断提高，为降水短时预报与洪水预报的结合创造了条件，使水文气象学得到了新的发展。[2]2002年10月，英国水文学会和皇家气象学会联合会议上对水文气象学发展方向进行总结，提出了：①集合预报有助于解决天气预报困难的问题，降尺度预测有助于解决降水预报中的特定问题；②研究洪水的水文工作者参与降水预报有利于解决气象预报中无洪水预警的问题，可更好地进行事后分析；③洪水模拟的发展需要不断完善的空间降水数据，概率模型是未来水文气象的发展方向；④研究“陆地—大气交互作用”的新技术与遥感水文学发展；⑤实时土壤水分识别和地表水文的发展；⑥提高模型分辨率，实现对降水系统变化速度的预测是中尺度对流系统数值天气预报中降水预报的未来方向。[3]由于我国行政管理上气象与水文分属两个部门，两门学科的发展也是各自独立的状态，因此水文气象这一边缘学科发展缓慢，理论研究和应用方面都很落后。为了紧跟国际发展前沿，顺应学科建设发展，将水文与气象进行交叉整合以解决当前社会需求和学科发展，培养水文气象专业人才以保障国民经济的健康发展和人民生命财产的安全是社会发展的需要。大气科学（水文气象方向）专业作为水文气象专业建设的初步尝试，2011年9月于南京信息工程大学率先成立并开始招生，截至目前共培养了340名本科生（包括172名已毕业的）。

为了让学生在气象学专业背景基础上，进一步了解目前与水资源密切相关的极端水文事件以及气候等变化环境下的水文设计等实际问题，首先要求学生初步掌握水文、水资源相关概念和理论，理解水文的主要工作内容和所采用的方法。为此，在大气科学类课程体系下引入水文学原理以及涉及水文专业必备的“测、报、算”（水文测验、水文预报和水文分析与水利计算）三项基本技能的相关课程。其中，水文测验（水信息技术）作为水文学、水资源研究的基础，提供了一切水文工作不可或缺的水文数据。没有正确、及时的水信息基本数据，就不可能有正确的水情预报、水质预报、水资源评价以及涉水工程的规划、设计、施工、运行管理及防汛、抗旱的科学决策。

二、“水文测验”课程建设存在的问题

现有水文气象专业“水文测验”课程沿用了大部分水文与水资源工程专业的教学内容，同样将课程分为理论课“水文测验学”和实践课“水文测验实习”。前者的目的在于使学生掌握水信息采集和水文数据处理的基本概念、基本理论、基本方法，进行基本资料整编技能的训练，了解新仪器的运用、测验新方法等相关的学科发展方向。后者将水文测验的理论课程付诸实际生产实践，结合水文气象专业背景，着重让学生学习水位、流速、流量等测验原理、方法和数据处理，通过实习让水文气象本科生获得重要的专业技术训练，涵盖了水信息采集时野外仪器使用培训和实际水文数据处理两个重要的生产实践环节。但具体实施过程中还存在如下问题：

1.师资和教材资源紧缺。虽然水文气象专门人才的培养在国际上已有较多高等院校和研究机构开展，但目前国内仅有南京信息工程大学涉及。专门开展水文测验相关研究的人员多致力于新的测验技术和仪器设备的开发研制，研究成果转化为本科教学内容需要较长一段时间的积累，而真正从事该领域研究又致力于本课程教学工作的一线教师储备较少。另一方面，随着技术水平的发展，测验手段和方法日益先进，水文测验技术规范和相关标准亦在不断更新，相应的教学内容必然要进行同步调整。例如，我国大部分河流的流量测验大都还是采用流速仪测流等传统方法，经过多年的技术改进和不断的比测分析，目前已有不少水文站将ADCP作为常规的测流方法。因此，相应的教材内容和教学重点都要做出调整，现有的教材资源无法满足实践需要。

2.实验教学手段落后。相比国外大学采用的多媒体、VR技术等多种手段演示实验操作及水文软件操作的实验教学手段，我们的差距还很大，很多实验还无法采用相关计算机或互联网技术来模拟和演示，限于教研投入不足导致实验设备方面存在仪器数量稀缺甚至过时、老化、更新停滞等问题，达不到让学生更好地开展实践操作的教学目的。

3.考核评价方式陈旧。理论课考核方式仍以笔试为主，占总成绩的70%；平时成绩根据课堂表现和作业、出勤情况打分，但比例较低，无法激发学生的学习热情。这样的考核方式让学生更多满足于课堂理论学习，事实上降低了学生的综合专业能力。实验实习考核通常是以撰写实验报告的形式来考核学生的掌握情况，检查实验数据的准确程度。大多数学生仅仅按测验步骤完成实习报告，不会根据测得结果再做进一步分析研究。这种实验考核的方式模式固定、方式单一，达不到评价学生分析、解决问题能力的目的。

三、“水文测验”课程建设的优化路径

1.多元化教学模式。由于“水文测验”具有很强的实践性，传统的以教师课堂讲授为主的专业教学模式效果有限，为了培养理论水平高、动手能力强同时又具有自主创新能力的复合型水文气象专业人才，需要在现有的课程体系下，结合丰富的IT技术演示、手机技术软件操作、现场物理模型实验等方式进一步开展多元化的教学模式探索。为了加强对“水文测验”相关理论知识和实验方法的讲解，可以依托互联网资源收集更多关于水文科学和实验操作的专业视频，添加到课堂教学中，在课堂上通过概念的可视化和现场或实验室的记录演示加深感性认识，提高教学质量。除了视频资源外，还可以借鉴伯明翰大学地理学院本科生水文教学的经验，利用已有的可提供水文气象方面虚拟现实信息和实时监控信息的手机应用程序，[4]如气象雷达App、meteoearth等可以实时获得卫星云图，查看详细的天气状况，而长江委水文监测App可实时获取水位、流量、降水等要素信息，让学生探索天气、水文数据空间和时间上的自然规律。此外，物理模型演示也是公认的水文学教学的有效方式。[5-6]例如，在讲授土壤持水能力时可以采用家用清洁海绵吸水这一简单的模型演示，对田间持水量、凋萎系数等一些基本的概念进行解释说明。更复杂的模型还有瑞典乌普萨拉大学在多年的授课过程中开发出来的一套移动的物理模型，可用于解释地表、地下水及其对土壤不饱和水含量的影响。[7]通过现场物理模型操作示范可以激发学生的探索精神，引导学生展开讨论，从而加深对基础理论的理解。

2.虚拟仿真实验环节。从水文测验理论学习的角度，可以借鉴天津农学院开发的“河道断面流速及流量监测虚拟仿真实验教学系统”，学生可以从空中俯瞰河流的全貌，在测流断面进行流量的测验（包括断面测量和流速的测量），系统界面中给出流量测验的步骤操作过程、流速仪的安装和使用过程等。断面和流速的测量结束后，虚拟仿真系统提示进行流量的计算。[8]通过这种互动和渐进式实验教学方法，结合工程实践，充分调动了学生的学习积极性，使学生能更直观地理解教学内容，克服理论与实践脱节的问题，有利于学生自主学习和相互交流，给学生提供广阔的乃至立体的学习空间，从而提高了学生的创新和应变能力。从测验实习的角度，可以借鉴西班牙拉古纳大学在土木、水文、地质和火山科学中创新的教学方法。[9]考虑到目前采用的单站驻点的实习方式，针对不同的测站开展的实习内容有所区别，实习站点普遍存在设备陈旧、测验方法单一的问题，而且由于实习时间有限、在站培训内容少，无法全面掌握综合应对各地或各时期不同水情的测验技能。为了与水文气象信息化情势接轨，现有测验实习内容亟待更新，需要涵盖更多新的测验技术和方法，开发相关的虚拟仿真实验系统弥补测站设备的不足，针对实际需求让学生完成一些在站实验无法完成的内容。例如，开发虚拟仿真ADCP测流实验过程训练，让学生熟练掌握ADCP测流的方法，了解实际操作过程中的注意事项、故障排查与处理等，极大地减少了野外测流的高成本、高消耗和涉水危险的状况。

3.让学生动手实验。由于一般的水文、气象观测和分析难以清楚地揭示其物理过程和相互关系，需要在野外或实验室内用特定的程序、装置和设备进行系统的、有控制的观测和试验[9]。为此，可以开发小的动手项目，让学生在课堂外进行理论应用。比如可以让学生做简单的渗透实验，要求学生自己设计测量方案，动手实验。还可以结合教师的科研专题，指导学生开展创新类实验项目，从一开始收集资料到数据分析处理、具体的方法选用，再到后面的结果讨论分析等。这一系列过程让教学更多地连接到外面的世界，巩固了学生的基本知识，拓宽了学生的知识面，有利于学生建立完整的知识体系，引导学生提出解决问题的方案或建议，提高解决问题的能力。

综上所述，本文针对新兴的水文气象专业学生培养，总结了“水文测验”课程建设的经验，借鉴国内外相关教学经验，初步提出了未来教学改革的方向：综合媒体视频演示、手机软件操作、现场物理模型演示等教学手段，采用多元化的教学模式，让学生使用更多的开放教育资源；建设虚拟仿真实验平台，增加虚拟仿真实验环节，让学生熟悉测验技术，获得一些无法完成的野外业务工作训练，将教学更多地从教室连接到外面的世界；设计一些小的实验项目或是结合科研课题或创新类项目，让学生参与动手实验，在实践过程中巩固所学，提升自主创新思维能力。要完成以上的改革探索需要更多的教育资金投入和教师团队建设，这对于提高实践教学水平，培养具备工程实践、团队合作和综合创新能力的本科学生，解决气候变化与人类活动的加剧导致的水资源的短缺带来的洪涝、干旱等现实问题具有现实意义。