“水文预报”课程互动式教学方法研究

冯仲恺，牛文静，王金文，孙怀卫

1.华中科技大学 水电与数字化工程学院，湖北 武汉 430074；2.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010

关键字：水文预报；教学方法；课堂互动；综合素质

水文预报需要综合运用水文学、水力学、气象学等多学科交叉理论方法，深入研究目标区域水文情势的基本特征情况、时空分布规律与未来演化特性，着力构建适用的水文模型或预报方法，根据历史或实时信息对水文要素(如水位、流量、洪水过程)的可能变化过程做出定量或定性的预报，从而为决策者科学制订合理可行的调度方案提供精确的系统输入信息[1-2]。经过几十年的持续滚动建设，我国在不同地区(如区域、省市、流域)、不同水体(如河流、湖泊、海洋)和不同断面基本建成了涵盖洪水预报、冰情预报、水量预报、水质预报在内的立体化预报业务体系，使得水文预报在防汛抗旱、水污染治理、水资源配置、水电能源开发、气候变化评估等诸多领域发挥重要作用。

作为水文学及水资源、水利水电工程等多个基础学科的核心课程[3]，“水文预报”课程具有经验性概念较多、理论公式推导复杂、模型选取与构建困难等鲜明特征，使得初学者很难快速掌握核心知识点、形成相对完备的理论体系。然而，传统的集中式教学方法往往过于注重授课内容的完整性与系统性，未能充分考虑不同学生的基础差异与个人爱好[4-5]，在一定程度上忽视了专业知识与工程需求的有机协同，既降低了学生的课堂听课兴趣与主动学习热情，又使得学生难以充分理解所学知识的实际用途，导致学生存在理论基础差、实践能力弱等问题，影响了我国水文预报领域的人才队伍建设，亟待探索和发展更为科学有效的“水文预报”课程教学方法。为此，本文立足金沙江、乌江、红水河、澜沧江等特大流域实际需求，结合一线预报人员工程经验与资深教师授课心得，详细总结了“水文预报”课程特点与授课过程存在的问题，在此基础上针对性地提出了“水文预报”课程互动式教学方法，试图引导学生由被动学习转向主动学习，由单纯理论学习转向理论—实践有机联动，以期为我国水文预报人才培养提供一种行之有效的实用方法。

一、 “水文预报”课程特点

1. 经验性概念与方法较多

流域水文过程受到多种物质流、信息流与能量流的综合影响，属于一类具有高度非线性、随机性与不确定性的强耦合复杂时变系统。目前尚无通用的理论模型能够精确刻画不同流域水文过程的时空演化规律。因此，在长期探索过程中，水文工作者结合自身对水文预报工作内容的思考与体会，先后提出了符合不同流域水文特性的经验性概念与方法，如降雨径流经验相关法、相应水位(流量)法等。这些方法在实际工作中通常可以取得较好的效果，但在表现形式、参数数目、应用场景等方面往往存在较大差异，需要学生在课程学习中认真听讲并及时复习相关内容，才能对相关知识点有着较为清晰的认识。

2. 理论推导与数据处理相对复杂

一方面，“水文预报”课程在不同章节均会涉及诸多复杂的理论推导，如产流中的水源结构划分、霍顿下渗曲线，汇流中的地貌瞬时单位线、等流时线，以及河道流量演算中的圣维南方程、马斯京根矩阵解法；另一方面，不同章节还会涉及大量的数据处理工作，概念性水文预报模型参数优选便是其中的典型代表，而且模型参数的通用性欠佳。例如，由日尺度水文数据优选的新安江模型参数不能直接应用于场次洪水，需要根据计算时段做一定的转换处理。综上，“水文预报”课程相关理论推导与数据处理较为复杂，要求初学者具有较强的知识储备与数据敏感性，这在很大程度上加大了学习难度。

3. 模型选取与构建较为困难

水文预报可按照预见期差异大致分为超长期预报(一年以上)、长期预报(一年以内)、中期预报(2～5天以上、10～15天以内)、短期预报(数小时至数天)与实时预报(分钟级别)，而不同预见期下水文预报模型所涉及的物理机制与构建过程较为复杂。例如，以神经网络为代表的数据驱动模型在中长期预报业务中应用较为广泛，此类模型的难点在于因子辨识、拓扑结构、网络参数优选等方面。而具有较强物理含义的概念性水文模型在短期与实时预报中应用较多，其中新安江模型适用于湿润、半湿润地区，而陕北模型在干旱、半干旱地区的性能更为优越，此类模型的难点在于参数优选、模型结构、逻辑流程等方面。因此，需要学生认真学习并仔细体会课程内容，才有可能全面深入掌握各类预报模型的要点与难点。

二、 课程教学过程中存在的问题

前已述及，“水文预报”课程本身具有抽象概念较多、理论推导与模型构建相对复杂等特点，再加之客观存在的实践环节薄弱与学习压力繁重等局限，导致课程教学过程中面临以下问题。

1. 课程内容相对枯燥，难以调动学生学习热情

“水文预报”课程内容相对枯燥，不少章节都会涉及数目众多、形式复杂的抽象概念、公式推导与经验性图表，不可避免地增大了课程学习难度。在这种情况下，一方面要求学生具有较好的高等数学、线性代数、物理学等多学科知识储备；另一方面也需要学生课前自主预习基础知识、课上紧跟授课思路、课后及时复习重难点内容，否则一旦出现信息中断，就很难跟上课堂后续进度，掌握和理解关键知识点更是困难。

2. 实践环节稍显薄弱，阻碍学生动手能力的培养

作为“水文预报”课程内容的重要环节，工程实践能够有效促进学生对所学知识的融会贯通、增强学生的工程应用意识与动手实践能力。然而，在实际教学工作中，由于缺乏先进的工程实践与生产任务锻炼，学生未能系统性地思考“水文预报”课程内容整体框架和工程应用情景，在很大程度上降低了学生的实践能力和创新精神，使得学生难以科学处理实际工程问题，进而会对学生在行业的顺利发展造成不利影响。

3. 课程学习时间受限，影响了学生个性拓展和主动学习兴趣

除“水文预报”课程外，学生还需在有限时间内同时学习其他专业课程(如水电站、水电能源经济运行、水文学原理)，学业任务相对繁重，在很大程度上挤占了“水文预报”课时。再加之枯燥的课程内容、乏味的授课模式和多样的外部诱惑，极易导致自制力较差的学生失去主动学习兴趣，在课堂上开始随波逐流、不思进取，希冀通过考前突击来完成学业。而这种不良风气会快速在课堂上蔓延开来，严重影响班级的整体学习氛围，需要在授课过程中密切关注此类问题。

三、 互动式教学方法

针对授课过程中存在的问题，本文紧密围绕“水文预报”课程特点，从教学手段、实践环节、兴趣引导等方面出发，提出了“水文预报”课程互动式教学方法，切实增强学生的学习热情、创新意识与实践能力，力求为我国水文预报领域培养更为优越的专业人才。

1. 实现课程内容科学组织与教学方式趣味化

首先将课程内容总体划分为产流、汇流、河道演算、流域水文模型与预报业务(如枯季径流预报、水库水文预报)等几大环节。在授课过程中尽可能采用图片、动画、视频等现代教学方法来形象生动地展示核心内容，同时注重与课程内外相关内容的互相对照。例如，线性水库分别在地下径流汇流、新安江模型地表径流汇流等多个章节出现，马斯京根法演算公式可视为特殊的加权平均法(三个参数视为非负的权重系数)，河道相应水位预报曲线图与枯水区域预报曲线有共通之处，水文模型参数率定方法可类比为最优化理论中的迭代算法，实时洪水预报偏差修正与统计学中的多元线性回归法密切相关。此外，还需要与学生及时沟通，根据学生的实际情况来动态调整课程内容和授课方法。综上，多元化的课堂内容和趣味化的教学方式可以增强学生对所学内容的理解程度，提高理论水平。

2. 加强立体化实验教学与工程实践环节

水文预报实验教学环节可大致分为物理试验与数值试验两大类：安排模型搭建、实地走访、视频学习等环节，注重启发式培养学生的动手能力，加强学生对降雨—径流物理形成机制的理解。而后将班级同学分为若干兴趣小组，分别研发不同水文模型(如新安江模型、水箱模型)，提高学生的自学能力。利用物理模型与数值模型来交叉验证目标流域的气象水文特性，协助学生理解水文动力过程的复杂性。此外，鼓励学生参与创新实验项目来增加锻炼机会，努力为学生提供机会到水电站、水文局等单位进行实践，聆听一线工程人员对水文预报的工作心得，通过生产实习等环节来加深对水文预报专业问题的理解程度。同时还邀请国内外资深专家、知名学者为学生介绍最新研究进展，提高学生的学术敏感性与探索热情。综上，启发式的实验教学与立体化的工程实践可以切实增强学生的动手实践能力、提高解决问题能力。

3. 注重培养学生的主动学习兴趣与积极性

一方面，根据课程进度适时设置阶段性目标，将内容繁多的课程内容分解为若干相对简单的微课程，并通过网站、讨论组等形式在线指导学生快速完成相关任务，通过提高学生的成就感来增强其学习热情与动力。另一方面，在授课过程中注重采用互动式教学手段，在讲授相关模型与原理之前，抛出匹配的实际问题供学生思考，并对学生的答案进行客观公正的点评，通过师生共同探讨总结归纳出相应的不足与缺陷，从而科学引导学生理解课程难点、消化吸收核心知识点，同时根据学生总体水平与学习能力差异，个性化地布置难度适宜的研究课题，引导学生课后自行查阅文献资料来获得答案，从而帮助学生掌握学习技巧与能力。例如，在研发新安江模型时，可首先给定模型参数与历史数据，指导学生分阶段地研发蒸散发计算、产流计算、分水源计算、汇流计算等四大业务模块来熟悉模型构建流程，而后再尝试编制单纯形法、遗传算法、粒子群算法等方法来优选模型参数。综上，通过巧妙采用任务分解与互动式教学方法，能够有效增强学生的学习主动性与积极性。

四、 结论

准确的径流预报信息对提高水资源与水能资源整体利用效率至关重要。我国近年来规划兴建了以南水北调、引江济汉为代表的大型调水工程和以乌江、金沙江为代表的水电能源基地，因而在未来很长时间内都会对水文预报专业人才有着巨大的需求。为此，本文结合笔者在本科教学与研究生培养过程中的心得体会，系统总结了“水文预报”课程特点以及授课过程中存在的课程内容枯燥、实践环节薄弱、学习兴趣较低等客观问题，提出了趣味化教学方式、启发式实践环节和培养学习兴趣等有利措施，着力发展形成一种提高水文预报课程教学质量的互动式教学方法，为我国培养更多具有深厚理论功底与较强动手能力的水文预报专业人才。