新工科背景下水文测验实践教学体系研究与实践

王万杰 李国芳 陈元芳 傅巧妮

摘要 水文测验学是水文与水资源工程专业的重要主干课程，具有较强的实践性。根据新工科建设的要求，文章结合水文与水资源工程专业的特点，构建了“课内实验、课外开放、校外实习”的多元化实践教学体系，经过实践取得了较好的效果，提高了学生的动手能力、工程实践能力和科研创新能力，对相关高校实践教学有参考借鉴价值。

关键词 新工科；水文测验；实践；教学体系

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.019

自2016年提出“新工科”概念以来，教育部组织高校进行深入研讨，形成了“复旦共识”和“天大行动”。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型的卓越工程人才[1]。在新工科建设背景下，水文测验学课程的实践教学环节将进一步向培养学生的工程实践能力、科研创新能力方向发展，服务于国家水安全的战略需求。

近些年各高校对水文测验学的实践教学环节都十分重视，但新工科背景下的实践教学体系仍不够完善。根据调研，国内目前众多高校的水文测验实验存在一定的局限性，实验内容与实际的水文测验有一定的差距，不能全面考查学生的水文测验技能，更无法提升学生的工程实践能力以及创新实践能力。水文测验学是水文与水资源工程专业重要的主干课程，具有很强的实践性。该课程的学习可以帮助学生熟悉水文测验各种水文要素（如水位、水深、流速、流量和含沙量等）的测量方法，掌握水文资料整编的技术，培养学生的动手能力、工程实践能力及科研创新能力。经过多年探索，并结合新工科建设的要求，河海大学（以下简称“我校”）构建了“课内实验、课外开放、校外实习”的实践教学体系，通过实践取得了较好的教学效果。本文以河海大学水文与水资源工程专业的建设为例，对水文测验实践教学体系进行了总结，以期为全国高校相关专业的实践教学改革提供参考和借鉴。

1水文测验实践教学体系的产生过程

河海大学水文与水资源工程专业的前身是1954年设立的陆地水文本科专业，2003年被批准为江苏省品牌专业建设点，2007年被遴选为国家特色专业建设点，同年通过教育部组织的工程教育专业认证，2020年入选首批国家级一流本科专业建设点。水文测验学是水文与水资源工程专业的重要主干课程，专业自设置以来一直重视水文测验的实践教学工作，培养了大批优秀的水文方面的专业人才。早在1956年就建成了水文测验实验室。在1956年的陆地水文专业教学计划中，水文测验课程学时数共有220个，其中实验课占92个；1963年对专业的教学计划进行了调整，水文测验课程学时数减少为100个，其中室内实验环节占14个，另外增加了三周的校外教学实习；之后，教学计划经过多次调整，水文测验课的实践环节基本保持在课内实验8个课时、校外实习时间约3周。

在“新工科”教育背景下，学生的工程素质和创新能力培养对实践教学提出了更高的要求[2-4]。随着我国高等教育的不断发展以及社会对人才需求质量的不断提高，一般的课内实验和校外实习已无法满足学生创新能力的培养。因此我校研制了能开展常规水文测验实验以及创新性实验的室内实验教学河道模型，使学生能在课内掌握水文测验基本的技能操作；课外利用研制的河道模型，开展创新性实验；通过校企协同共建校外实践基地，培养学生的工程实践能力，构建了三位一体的“课内实验、课外开放、校外实习”实践教学体系。

2实践教学体系内涵和实施

2.1课内实验

2.1.1水文测验室河道模型简介

为使学生能在校内开展满足工程实际需要的水文测验，我校研发了水文测验室内实验教学河道模型。该河道模型主体结构为钢筋混凝土，由水库、水泵、进水管、模拟河道及回水系统等组成。模拟河道总长约50m，宽度为3m，最大水深1.4m；模拟河道上游段为弯道、中下游段为直道，末端安装格栅式闸门，最大流量为0.75m3/s。河道模型用水循环使用：由水泵将水库中的水抽至模拟河道，模拟河道出水通过回水系统，再进入容积约为600m3的水库中。

在模拟河道中布置的水文测验设施有量水堰，安装的测量仪器有水位计和流速仪。①量水堰：模拟河道中布置有实用堰和三角堰等，在量水堰的上方安装有可升降的挡板，通过调节挡板的高度开展孔流实验和堰流实验。②水位和流速仪器：模拟河道上安装有在线实时监测的浮子水位计和雷达流速仪等仪器。另外，模拟河道上布置有钢制小桥，供学生在桥上进行水位、流速、流量等测量实验。

該河道模型的建成，可以使学生在室内开展多方法、多技术的水文要素测量实验，使实验内容更贴近工程实际，也可以开展创新性实验。

2.1.2课内实验项目和实验内容

结合水文测验学课程教学大纲，开设的实验项目共6个，包括水位与水深观测、流速测量、流量测量、水文自动测报、泥沙颗粒分析和悬移质含沙量测定。各实验项目的主要内容如下。

水位与水深观测实验：利用水尺、水位测针、浮子水位计、测深杆和测深仪进行水位及水深的测量。该实验主要让学生了解各种水位、测深仪器的工作原理，掌握其使用范围和使用方法。

流速测量实验：利用浮标和电波流速仪进行水流表面流速的测量；利用流速仪（包括旋浆和旋杯流速仪）进行垂线流速测量，熟悉1点法、2点法、3点法和5点法的垂线流速测量方法，分析流速沿断面、沿垂线的分布规律。该实验旨在让学生完成旋浆流速仪和旋杯流速仪的拆卸、清洗与安装，熟悉多种流速测量方法。

流量测量：①流速仪法：学生在模型上进行断面选取和垂线布置，通过对水深、流速和过水面积的测量，计算出断面流量；②ADCP法：用ADCP进行流量测量，包括ADCP的安装（含硬件和软件）、测量和结果的分析等。该实验使学生了解各种流量测量仪器的使用范围，掌握流量测量方法。

水文自动测报实验：应用现代遥测、通信和计算机技术[5]，完成水位、流速等水文数据的采集、传输和处理。实验中用到的主要传感仪器包括压力水位计和雷达流速仪等。该实验使学生了解水文自动测报系统的组成、通信方式、工作原理和安装方法，了解水文自动测报软件的主要功能。

泥沙颗粒分析实验：学生到室外采集泥样，在实验室内进行泥样的前处理，然后分别利用筛分法、沉降管法进行粒径的分析，绘制泥沙颗粒级配曲线；了解激光粒度仪的工作原理，掌握其操作方法，并利用激光粒度仪进行泥沙粒径测试。

悬移质含沙量测定实验：利用称重法进行含沙量测定实验。学生至校外河流用采样器采取水样，量取其容积，并经过沉淀、过滤、烘干、称重等工序，求得悬移质含沙量。了解测定悬移质含沙量常用的仪器，如光电测沙仪、超声波测沙仪、振动式测沙仪和同位素测沙仪的原理及优缺点。该实验使学生熟悉水样采集方法，掌握悬移质含沙量测定技术，了解主要含沙量测定仪器。

2.2课外开放

2.2.1电波流速仪（与河流非接触式）流量测验

当洪水到来时水位骤涨，与水流接触式的水文测验方法难以满足时效性和代表性要求；同时水流携带有大量的漂浮物，含沙量较大，无法采用接触式的流速仪法、声学多普勒流速仪法或水面浮标法进行流量测量；另一方面，洪水期间水流快，流速经常超出流速仪器的实测范围，无法用接触式流速仪进行测量[6]。因此，课程团队结合教师的科研成果，凝练出了用非接触式的电波流速仪进行流量测验的实验项目。该实验是由学生在模拟河道的钢桥上，沿河道断面测出多个水面流速，再结合过水断面面积及由学生自行建立的模型计算出断面流量[7]。该实验有较高的研究价值，可以培养学生的科研创新能力。

2.2.2弯道测流实验

弯道是自然界中常见的河道形态，受横向环流和边壁的影响，弯道段水流复杂，流速分布与顺直河道有一定的差别[8]。实验时由学生在模拟河道的弯道段进行流速测量，研究纵向及横向流速分布规律，探讨提高弯道流量测验精度的方法，分析弯道段河道冲刷的成因，培养学生的创新思维能力。

2.3校外实习

校外实习是学生接触生产第一线的重要环节。利用校外企事业的设施开展实习，学生可以对水文测验的全过程有更深入的了解，规范操作方法，掌握水文测验的各项技能，提高工程实践能力，增强团队协作能力和吃苦耐劳精神。而实习基地的建设好坏直接关系到学生校外实践的效果。经过多年的探索与实践，我校建成了共建、共享的水文测验实践教学实习基地，并建设了一支结构合理、实践教学经验丰富、创新意识强的水文测验实践教学队伍。

2.3.1共建共享实习基地

遵循校企双赢原则，深化校企合作，利用企事业单位的先进技术、先进仪器设备以及场地和资金，共建满足实践教学需要的实习基地。

2.3.2建设一支强有力的实践教学队伍

通过“请进来、走出去”的双向流动模式，制订兼职教师聘任办法，明确遴选标准、教学要求、考核办法、兼职待遇等内容，吸引具有丰富工程经验的企事业单位专家参与到学生的实践教学活动中。建设了一支结构合理、实践教学经验丰富、创新意识强的水文测验本科实践教学队伍。

通过共建的方式，我校在校外设立了5个水文测验教学实践基地，包括安徽芜湖大砻坊水文站、宣城水文站、黄山水文站、长江大通水文站和长江南京水文实验站。其中芜湖大砻坊水文站、宣城水文站、黄山水文站分别有1―2个班入驻，依照国家水文测验规范进行日常的水位、流速、水深、流量、含沙量等测验，并对资料进行整理，编写实习报告；在长江大通水文站和长江南京水文实验站，主要让学生了解大江大河水文测验技术和先进的仪器设备，观摩船舶的ADCP流量测量、双频测深仪的水深测量，对生产一线的工作有更深入的认识。

3成效

新工科背景下构建的“课内实验、课外开放、校外实习”水文测验实践教学体系，培养了学生的工程实践能力及科研创新能力，通过近6年的实践取得了较好的教学效果，调动了学生的主动性、积极性和创造性，激发了学生的创新思维和创新意识，对全面提升学生的综合实践能力有积极的作用。课程团队研制的水文测验实验教学河道模型，支撑了多项大学生创新训练项目，获得了中国高等教育学会组织的自制仪器设备创新大赛三等奖，且已被遴选为教育部水文专业虚拟教研室共享教学资源，供全国同行学习并在教学中应用。我校构建的水文测验实践教学体系，在国内水文专业中起到了很好的示范作用。近五年，已有包括浙江大学和吉林大学等近20所兄弟院校来我校调研，給予了充分肯定并得到借鉴，在全国起到了很好的示范辐射作用。

基金项目：江苏省2020年度高校“青蓝工程”资助项目。

参考文献

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]裴钰鑫，汪惠芬，李强.新工科背景下跨学科人才培养的探索与实践[J].高等工程教育研究，2021（2）：62-68，98.

[3]顾佩华.新工科与新范式：实践探索和思考[J].高等工程教育研究， 2020（4）：1-19.

[4]林健.新工科人才培养质量通用标准研制[J].高等工程教育研究， 2020（3）：5-16.

[5]孙智磊.无线遥测技术在水文测报系统中的应用[J].低碳技术， 2017（23）：46-47.

[6]王俊，王建群，余达征.现代水文监测技术[M].北京：中国水利水电出版社，2016.

[7]周建刚.双捷水文站流量测验简测法分析[J].科技与创新， 2015（12）：68-69.

[8]王路，马旭东，周其航，等.壅水条件下弯道流速分布规律研究[J].中国农村水利水电2020（7）：85-90.