工程教育专业认证视角下的“水文学原理”课程教学改革探讨

2022-11-24 11:18郭巧玲杨云松董一慧
关键词:水文工程实验

郭巧玲, 杨云松, 董一慧

(1.东华理工大学 水资源与环境工程学院,江西 南昌 330013; 2.南昌工学院 工商与管理学院,江西 南昌 330013)

工程教育专业认证是国际公认的有效保障工程教育质量的制度之一。2016年,我国加入《华盛顿协议》为工程专业毕业生走进国际创造了条件[1]。工程教育专业认证体系强调以学生为核心,重视学生素质培养,强调学生解决问题能力的提升,从知识、能力和素质等方面明确了高校本科生毕业要求[2]。工程教育专业认证体系是基于毕业要求进行反向的课程设计,通过各门课程的教学实施促使毕业要求达成。如何在高等教育“大众化”时代培养出满足工程教育专业认证要求的学生是我们面临的新挑战。

水文与水资源工程是支撑我国水利、地质等行业的基础专业。“水文学原理”课程是水文与水资源工程专业的基础专业课程,其特征为基础性、综合性、理论性和应用性较强。由于各高校开设此专业的背景不同,其教学安排有一定的区别。东华理工大学水文与水资源工程专业起源于1956年开设的放射性水文地质专业[3]。“水文学原理”课程开设的学时为40(36理论+4实验)学时。如何在40学时内完成教学任务,使课程教学达到工程教育专业认证要求的目标是目前亟须解决的问题。基于此,本研究以东华理工大学水文与水资源工程专业的“水文学原理”课程为例,探讨如何利用雨课堂平台,通过线下线上混合教学,改进教学方法,建设符合工程教育专业认证要求的课程教学模式。

1 “水文学原理”课程特点及教学现状

1.1 “水文学原理”课程特点

当前,“水文学原理”课程特点主要表现为以下两个方面。第一,课程教学内容繁多。“水文学原理”课程的主要知识体系为水文循环、水量平衡、降水、土壤水、下渗、蒸散发、产流机制、洪水波及其演算、流域汇流等,教学内容繁多。然而,随着教学改革的开展,“水文学原理”课程课时不断压缩,理论课时由40学时减少到36学时;实验课时由8学时缩减到4学时。在现有的40(36+4)学时内,要使学生掌握整个课程的知识体系,具备水文分析能力,教师必须进行相应的教学改革和课程教学设计。第二,教材更新缓慢,内容相对稳定。“水文学原理”课程教材注重对传统理论和方法进行阐述,最新的学科发展及成果,行业新技术、新方法没有在教材中体现。因此,教师在教学中需要补充学科发展的前沿知识及行业新技术,使得学生所学的方法能够满足行业需要,从而使学习内容与社会生产实际相适应[4]。

1.2 “水文学原理”教学现状

一方面,“水文学原理”教学从“以教师为主导”的传统教学模式向“以学生为中心”教学模式转变。传统的以教师灌输为主的课堂教学模式,不能激发学生的学习兴趣,学生自主学习的潜力很难被挖掘。学生学习态度较为消极,对专业知识的思考不够,导致学生的学习效果较差。这与工程教育专业认证倡导的“以学生为中心”,充分发挥学生的主观能动性具有一定的差距。近两年来,随着工程教育专业认证的开展,教师在教学中开始逐渐转变教学模式,如教师通过开展翻转课堂模式,一定程度上提高了学生的自主学习能力。另一方面,课程思政逐步被纳入课堂教学。在高等教育进入大众化时代,高等教育不仅要传授学生专业知识,更重要的是要培养学生过硬的思想政治素养,培养学生的爱国主义精神、无私奉献精神、科学精神、人文情怀,帮助学生树立正确的世界观、人生观、价值观等[5]。故此,在当前“水文学原理”课程教学中,教师逐步将课程思政纳入课堂教学。

2 基于工程教育专业认证的课程教学目标

基于工程教育专业认证,专业课程教学有知识、能力和素质等3个方面的目标。结合“水文学原理”课程特点,本研究从知识、能力和素质3个方面进行教学目标分析。

2.1 知识目标

学生应掌握河流、流域、降水、植物截留、填洼、蒸发等基本概念,理解水文循环、水量平衡、土壤水运动、下渗过程、产流机制、洪水波运动、流域汇流等基本理论知识与分析方法。

2.2 能力目标

学生通过该课程的学习,应达到掌握科学的学习方法,具备较强的自主学习能力,实现不断扩展知识面、增强独立思考、更新知识结构的目标。在应用知识方面,学生在掌握水文学的基本理论和方法的基础上,通过观察、分析、综合、归纳等方式具备模拟自然界河川径流发展变化的能力;同时学会应用水文学的基本理论和方法分析、解决实际水文问题,具有良好的理性思维能力。

2.3 素质目标

学生通过该课程的学习,应具有高尚的思想道德修养和追求真理、探索创造、甘于奉献的精神;具有求真务实、实践创新、精益求精的工匠精神;具有良好的文化素养和审美情趣;具有正确的世界观、人生观和价值观;具有良好的科学态度和创新精神;具有合理地提出新思想、新概念、新方法的素养;具有良好的沟通能力和团队协作精神;具有一定的工程意识和良好的安全意识。

3 基于工程教育专业认证的教学改革路径

3.1 理论课程教学改革

3.1.1 融入课程思政教学元素

“水文学原理”课程作为专业基础课,对于学生来讲具有专业入门、知识启蒙和价值观启迪等重要作用。教师在该课程的教学中渗入课程思政内容显得尤为重要。在教学中,教师应注重挖掘“水文学原理”课程思政素材。“水文学原理”课程的思政元素包括哲学思维、家国情怀、责任担当及人与自然和谐相处的自然生态观等。

在哲学思维思政元素的融入方面,由于水文现象属于自然现象,其相应的水文规律必然符合事物发展规律,蕴含丰富的哲学思维。教师在讲解水文现象时程变化的周期性与随机性、水文现象地区分布的相似性与特殊性时,可以渗透哲学中事物发展的一般性和特殊性的哲学道理。教师在讲解自然界的水分循环及水量平衡原理时,可引入系统论、事物的联系与发展、现象与本质,透过现象看本质等哲学理论。

在家国情怀、责任担当思政元素的融入方面,由于水文学的发展从古到今凝聚了无数劳动者和水利前辈的心血,教师在线上课程中可将象征着水利精神的大禹治水和古代代表性水利工程都江堰以及象征着国家力量的三峡水利枢纽工程的相关资料视频,传到雨课堂平台,以供学生课外学习、讨论。学生通过线上视频学习,结合线下产汇流、河槽洪水演算等知识的学习,培养学生的家国情怀,责任担当,激发学生专业热情和勇于奉献的水利精神。

在自然生态观思政元素的融入方面,党的十九大提出“绿水青山就是金山银山”,只有坚持人与自然和谐相处,才能减少洪水、泥石流等自然灾害的发生。教师可将历史上发生的特大洪水、泥石流等自然灾害形成的原因及危害上传到雨课堂平台,学生通过线上视频学习,结合线下土壤水、下渗等知识的学习,激发学生热爱自然、保护环境的热情。

3.1.2 拓宽理论课程教学内容

理论基础知识的讲解是教学过程的重点。然而,课程中涉及许多水文资料的处理,需要掌握水文专业的分析软件。为了提高学生的动手能力和科研能力,教师在传统理论知识讲解的基础上,要加强水文分析软件使用的讲解。该教学可放在课外,教师提前将相关水文数据分析软件和水文模拟软件及其操作说明放到雨课堂平台,学生通过雨课堂上的视频自行学习,对于不懂的或有疑问的环节,可在讨论区互动,教师随时给予指导解答。同时,教师将与课程中的重点、难点相关的分析案例放到雨课堂平台,以帮助学生课外学习,加强学生对重点、难点知识的理解,且有助于学生将理论知识与实际工程相联系,培养学生思考、分析、解决问题的能力和创新思维。随着学科的发展,水文科学研究的新技术和新方法不断涌现。然而,教材对此涉及较少。为了使学生所学的知识能满足实际工作的需要,教师可将科研及实际生产工作中用到的新方法、新技术制作成视频,放到雨课堂以供学生学习,进一步拓宽学生的视野和思路。同时,为了拓展学生的国际视野,教师在课程讲解中对于教材中的专业术语,可采用中英文对照讲解,部分容易理解的章节,适当引入英语教学,以提高学生的专业英语水平,便于与国际接轨。

3.1.3 改革理论课程教学模式

传统理论知识教学基本是教师的“独唱”,只注重专业知识的灌输。学生被动地接受,几乎很少思考。雨课堂是一种新式的教学工具,由清华大学和学堂在线共同研发,可实现学生签到、实时答题、师生研讨、弹幕互动等功能。学生通过扫码就可参加到课堂学习中,实现与教师在课前、课中和课后学习中的高频互动,增强学生自主学习能力[6]。面对“水文学原理”课程内容繁多、课堂教学时间少的现状,教师可利用雨课堂平台,构建课前学习、课堂加强巩固、课后提升的三步式教学模式[7],如图1所示。该方式可将学生的学习时间,由课堂延伸到课外,拓展学生学习时间。课前的“线上”学习,学生首先要学习微课视频、专家的专题讲座、相关课程资源,了解课程的知识体系、重点和难点;然后在课前习题库完成相关习题的测试;最后完成在线预习调查问卷,并可在讨论区随时就预习中遇到的问题与同学及老师进行讨论。通过以上环节,教师可在上课前了解学生对本节课程知识的学习情况,以便有针对性地进行讲解。课堂环节主要在“线下”完成,教师通过雨课堂签到后,通过情景教学、任务驱动式教学、线下视频教学和专题讨论教学等多种方式,激发学生积极思考,提高学生学习的主观能动性。课后的教学又回到“线上”,学生需要完成线上作业、学习测试、专题报告和文献调研报告的撰写等,并可在讨论区互相交流学习中遇到的问题。线上作业、学习测试、专题报告和文献调研报告是学生学习的主要考察点。线上作业和学习测试重点考核每个章节基础知识点、核心知识点;专题报告要求学生依据学习的每个完整知识模块,谈自己对知识点的认识,也可对课堂所学知识的进一步延伸,扩充学习视野等。学生对知识的综合掌握情况可通过报告来分析。文献调研报告考查学生是否广泛地阅读相关专业书籍,扩充自己专业知识。上述措施能够促进学生互相学习,自主学习。学习完成后,各类学习情况的线上统计及分析评估可帮助下次课程教学的改进。

3.2 实验课程教学模式改革

实验教学是课堂理论教学的扩展,是对理论知识掌握情况的检验,也是科学精神培养的重要手段。“水文学原理”课程是一门理论与实验相结合的专业课,传统的实验教学以观测为主,缺乏设计型实验、综合型实验和探索型实验。面向工程教育专业认证,教师可在原有观测实验的基础上,增设提高学生思维、操作能力的设计实验、综合实验、创新实验和探索实验,以培养学生运用专业基本理论和方法解决实际问题的能力。整个实验教学分为课前引导、课堂指导和实践、课后巩固和拓展3个阶段,如图2所示。例如,教师可将校园水文气象实验站的实验分为基础观测型、设计型和探索型3个模块。对于基础型的降雨、蒸发等观测实验,教师可提前将录制好的实验操作过程的视频、实验要求与规范、实验指导书等传到雨课堂平台,学生课前通过线上线下自主观看相关视频、资料,熟悉实验内容,了解实验操作规程。线下实验中,教师重点考查学生是否正确、规范地完成整个实验,得到正确的结论。设计型实验,由教师课前在雨课堂发布下渗实验的操作规范、实验指导书,学生自主观看学习。线下实验时,教师将学生分为3组,分别对应3个不同的下渗实验坑,由各组学生自主完成下垫面填充设计及开展相应的实验并得出各自正确的实验结果。同时,3个小组都要对3组实验结果对比分析,找出不同下垫面条件下的下渗差异。以上实验教学内容在教学安排的4个实验课时完成,是每位学生必须完成的实验课程。对于能力较强的、兴趣浓厚的学生,教师可增加课外探索性实验。学生利用实验站的人工降雨模拟系统,自己设计降雨过程(雨强、降雨历时、雨量),并用不同材料进行下垫面填充,开展降雨—产流实验。根据实验数据,学生分析产流过程及特征,及在产流过程中的影响因素。探索性实验不要求每位学生必须参加,但主动参加的学生将给予加分奖励。观测型、设计型和探索型等系列实验的开展能够培养学生勇于钻研、尊重事实、创新思维、团结协作等能力。实验结束后,学生应及时完成实验报告,并进行ppt答辩,展示自己的实验成果,以供教师评阅和学生互评。根据评阅结果,学生可对自己的实验进行改进、完善,用于毕业设计、大学生创新训练项目、论文发表及大学生学科竞赛等。

3.3 课程考核方式改革

工程教育专业认证的理念是基于培养目标和毕业达成度设计考核内容。一是要求从专业知识的技能、社会关系发展(组织、合作、表达等)、认知发展(观测、逻辑、创新等)及个性发展(进取意识、主动性等)能力等多元维度考核学生;二是要求建立覆盖整个教学过程、多种方式的课程考核体系;三是要求加强学习过程阶段性考核与评价。课程考核改革应从课前预习效果、课堂表现、课后知识掌握及运用3个方面进行考核,如图3所示。课前预习通过学习测试的方式进行考核;课堂表现的考核综合考虑随机提问、现场展示和教师评价;课后知识掌握及运用的考核包括各类报告质量等级、ppt答辩效果、考试成绩等多种方式。工程教育专业认证要求考核的时间节点贯穿整个教学过程,包括课前测评、课堂测评、课后测评、结课测评,即通过多种方式、多个节点,全方位进行考评。

4 结语

在全国各大高校陆续开展工程教育专业认证的环境下,专业课程的改革是一项重要的工作。本研究以水文与水资源工程专业的“水文学原理”课程为例,探讨了依托雨课堂平台,基于工程教育专业认证的课程教学目标,从课程思政、理论课程、实验课程、课程考核体系等4个方面,探讨了“线上+线下”混合式的“水文学原理”课程教学改革,旨在建立以提高学生能力为中心的教学模式,以期为工程教育专业认证下的水文专业课程改革提供参考。

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