结合编程计算的《工程水文学》教学改革

周凯

摘要：工程水文学中很多手工计算方法繁复费时，学生普遍感觉深奥难懂。为解决这个问题，提出与编程计算相结合的教学方法，并论证该教学方法的必要性和实施办法，讨论实施中会遇到的问题和解决方法，使学生能掌握该门课程的知识点，并提高学生动手解决实际问题的能力。

关键词：工程水文学 编程 教学方法

工程水文学是水利工程学科港口航道与海岸工程专业的一门重要的专业基础课程。它是水文学的一个分支，研究地球上各种水体（江、河、湖、海）的存在、循环和分布，化学和物理性质以及它们对环境的影响的一门科学。为工程规划设计、施工建设及运行管理各个环节提供水文依据，包括有关控制或利用河川和海洋资源所建造的工程。工程水文学在河流的开发、利用与治理以及港口与航道工程建设中起着重要的作用[1]。同样，对给排水工程、水务工程等专业学生的综合素质和实践能力也具有重要作用[2]，有些高校也把其作為这些专业的必修课。这门课程不论是对促进高校的学科交叉，还是扩大学生今后的就业面都具有重要的意义。

工程水文学主要包括河川水文学和海洋水文学两大部分，包括绪论、河川水文基础知识、河川水文测验、水文统计基础知识、河道工程设计水位及流量推求、海浪、潮汐、近岸海流。主要任务是水文分析计算和水文预报两方面，研究方法有成因方法和数理统计方法[1]。水文现象是多种因素综合作用下不断变化的过程，带有随机性，水文参数可看作随机变量，因而研究中大量地应用概率论和数理统计方法。

一、结合编程教学的必要性

工程水文学在港口、航道与海岸工程专业课程体系中起着承上启下的作用，既对高等数学、水力学、概率论与数理统计等课程进行应用，又为港口工程、航道工程等专业课打下基础。但在教学实践中，学生普遍对有实际应用背景的内容感兴趣，一部分学生只对专业主干课程感兴趣，而对工程水文学看不到的实际用处，缺乏重视和学习积极性低。

课程中有很多计算方法（比如求矩适线

法、风浪要素的推求、波浪折射图的绘制等），需要查图查表然后手工计算。一则手工计算方法存在主观判断的因素，每个人得出的结果不完全相同，容易导致人为误差。再则手工计算方法往往费时费力，即使熟练掌握，一个案例做下来要个把小时甚至更长时间。学生做案例习题的时候，做过一次永远不想再做第二次。三则在考试环节，考试时间通常只有两个小时，很难有充足的时间对这些手工计算方法的掌握进行完整考察。

工程水文学的特点是以大量水文数据为基础，处理数据本身比较枯燥。而由数据形成的图、表和经验公式，既繁琐又抽象。学生普遍感觉就是“难”，对其学习容易失去信心，教学效果差。导致在后续学习主干课程时，基础知识不牢固，还要“返工”，回头解释之前基础课里面的内容，这些问题都亟待解决。而解决这一问题的方法就是在工程水文学教学中结合计算机编程计算。在现在计算机技术如此普及的时代，这些繁琐的手工计算过程更加显得效率低下。高效、直观的计算机技术，不仅快速算出结果，还消除手工计算中的主观性。此外，能让学生之前所学的编程知识学以致用，提高其学习兴趣。因此，对工程水文学中复杂抽象的计算过程，编程电算化是良好解决方案，也十分必要。

二、实施步骤与可行性

（一）具体步骤

首先调研行业内计算软件现状，了解编程这些软件所用语言和功能;然后根据实际情况确定开发语言和目标;其次，在学生中组建小组，通过讲解、讨论、实践的过程编写程序;再次，把软件用回课堂教学观察其效果，并改进;最后，完成教学改革并总结成果。

（二）可行性

计算机编程和计算平台[3-4]。有EXCEL、

MAPLE、MATLAB等强大并且功能丰富的可视化数据处理工具，并且学校在低年级普遍开设了VB、C、VC++等编程类课程，学生具备编程基础。

学生感兴趣。编程类课程中的练习题，一般是数组求和、排序等与专业背景联系不密切的案例，学生上完课对这些所学知识应用的机会也很少。刚刚走入编程世界的大门，有强烈使用这些使用这些工具的愿望。如同刚学会开车，特别有想开车的愿望，让其对工程计算编程刚好满足其心理。

学生课余时间较多。港口、航道与海岸工程专业高年级课程负担较少，有充足的课余时间对编程进行研究讨论。

教学条件良好。学院有自己的机房，投影、教学软件、计算软件等教学设备都比较齐备，方便安排上机实习。

学校的支持，学校多年大力支持教学改革和创新。

三、遇到的困难与解决方法

1.增加编程内容，提高了课程难度，并不是所有学生都有兴趣、有能力完成。学生刚刚学过编程类课程，让其在这门课中应用，这本身可以提高其学习兴趣。课堂上以完整的程序进行演示讲解的教学为主，理解吸收难度较低;课后兴趣小组以讨论和编写程序为主，提高其动手和实践能力。

2.工程水文学学时较少，本身只有24课时，很难在这么少的课堂教学时间中，完成大量内容的讲授。为解决这一问题：首先，课堂教学中要对内容进行取舍。重新梳理课程中的内容，分清主要知识点与次要知识点，突出重点[5]。对一个问题的行业规范推荐方法、常用方法重点讲授，对不常用的理论和方法，一语带过或者改为课下自学;其次，更多地利用课外时间。以编程爱好活动小组形式组织，每个小组独立讨论，可对同一案例采取多种不同解决路线。对积极参与和完成效果较好的学生给予成绩上的奖励;再次，调整今后专业培养方案。合理增加课程课时，增设课程设计、实践环节，使工程水文学这门课程更加完善和丰满。

3.缺少实践环节。可以开设专门的上机实习课时，对EXCEL、MAPLE、MATLAB等工具进行讲解。增加实践环节，可以提高学生对所学知识的综合运用能力，对课堂所学的计算方法有更深层次的理解，不仅巩固了知识点，而且增强了动手解决实际问题的能力。

四、结语

工程水文学其研究方法是以实测数据为基础，存在许多经验公式和表格、曲线，需要大量的手工计算，其特点非常适合结合编程来学习，用计算机辅助计算有其必要性。并且，从学校和学生的角度分析，也都具备把编程融入教学的条件和可行性。

通过把编程计算融入工程水文学的教学，将繁琐的手工计算方法电算化，不仅节省大量时间，而且激发学生学习兴趣。在这个过程中还能让学生对所学的知识点融会贯通，有更深层的理解。对于解决问题的方法不能因循守旧，应善于使用新的技术解决实际问题，这对工科学生尤其重要。

参考文献：

[1]邱大洪.工程水文学（第四版）[M].北京： 人民交通出版社，2011：5.

[2]李国芳.抓住课程特点，提高课堂教学质量——以“工程水文学”为例[J].科教导刊：中旬刊，2011（12）：86-88.

[3]徐冬梅.“工程水文学”课程教学改革探讨[J].科教文汇：下旬刊，2010（1）：114-134.

[4]杨海清，周小平.“工程水文学”选修课程教学方法探讨[J].中国电力教育，2013（7）：123-124.

[5]赖克龙.水利中专工程水文学教学的特点[J].长江水利教育，1997（3）：23-24.

（责编 张宇）