基于模型嵌入的水文与水资源工程专业研究型教学体系构建

黄金柏 方红远 李帆 王景才 解阳阳

摘  要 为构建研究型专业课程教学体系，将水文学及水资源领域的科研工具——模型及相关成果引入专业课程教学，通过模型工具的运用，实现多门课程的复杂计算问题及相关知识在教学次序上的有效衔接，提升专业课程中复杂计算问题的教学质量，培养学生科研兴趣和创新能力。针对教学效果的调查结果表明，模型工具的引入有利于教学与科研的紧密对接，有助于学生对课程中复杂计算问题的理解，有助于培养和提升学生的创新能力，从而为构建专业科研成果反哺教学的科学模式提供参考。

关键词 研究型教学体系;水文与水资源工程专业;模型工具;复杂计算问题

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）04-0053-04

Development of Research Teaching System for Major of Hydro-logy and Water Resources Engineering by Embedding Model Tools//HUANG Jinbai， FANG Hongyuan， LI Fan， WANG Jingcai， XIE Yangyang

Abstract The main objective of this paper is to develop a major research course teaching system. The models and the related out-comes in the scientific research activities of Hydrology and Water Resources Engineering were adopted to the teaching to solve the computational problems in major courses. The related knowledge points of multiple courses were effectively connected in the process of teaching order through the model application. To improve the tea-ching effect of the computational problems in professional courses and to cultivate undergraduates’ interest and innovative ability for scientific research. The results of the investigation on the teaching effect indicates that： the adoption of model tools enhances the connec-tion between teaching and scientific research activities; and is helpfulfor undergraduates to understand the complex computational pro-blems in major courses; and is helpful to train and promote the inno-vative ability. A reference for how to explore the scientific model of professional research activities feeding back teaching is to be pro-vided.

Key words research teaching system; major of hydrology and water resources engineering; model tools; complex computational problems

0 前言

培養高素质创新型人才是创新型国家建设和发展的需要[1]。培养大学生的创新能力是提高人才培养质量的重大举措[2-3]。科研教学互动、创新教育教学理念和方式，是引导学生创新意识、培养创新能力、激发创新行为的重要措施[4]。以科研促进教学，实现二者良性互动，才能提高学生的创新能力，培养创新型专业人才[5-6]。对学生来讲，将前沿科学研究成果及时引入教学过程，在对知识体系良好学习掌握的前提下，通过科研成果的介绍与探讨学习，对激发学生学习兴趣和培养科学探索精神必然是有益的[7]。适时地将科学研究成果转化为教学资源融入教学工作中，可促进教学水平与教学质量的提高。许多高等教育工作者在科研如何更好地反哺教学以及构建研究型教学体系方面做了大量探索。

本文依托扬州大学水文与水资源工程专业教学团队开展科研工作中的各种水文与水资源模型及相关成果，筛选专业课程中可运用模型计算解决的复杂计算问题，并将各适用于模型计算的知识点在教学顺序上进行合理整合，构建模型嵌入的水文与水资源工程专业研究型教学体系，以期为该专业研究型教学体系的科学构建提供参考。

1 教学体系构建

课程模块划分  根据水文与水资源工程专业培养方案，根据课程内容可以将专业课程划分为水文类课程和水资源类课程（以下称水文课程模块和水资源课程模块）。如此划分并不是将水文与水资源类课程进行简单分割，只是两模块的课程侧重于水文学及水资源学科不同的研究方向，而当前与之对应的科学研究中广泛采用模型工具的功能也存在差别。将水文学及水资源领域的科学研究手段及相关成果——模型工具引入并服务于专业教学过程中，将专业课程划分为水文课程模块和水资源课程模块，应用模型工具解决各课程复杂计算问题的教学针对性更强，教学方案和思路设计也更加明晰。

水文课程模块主要包括水文学原理、环境水力学、河流动力学、城市水文学、水文水利计算等课程，模型主要包括流域产汇流模型、污染物扩散和输移（水质）模型、城市雨洪模型、泥沙运移模型。水资源课程模块主要包括水资源系统分析、水资源学、水资源规划与利用等课程，与该模块课程相关的模型主要是水资源优化和管理模型，如数学规划模型、多水库联合调度模型等。

课程内容筛选  适于利用模型工具解决的课程教学内容多是课程的复杂计算问题，即课堂教学难点问题。在常规课堂教学中，由于受到教学手段和时间的限制，复杂计算问题教学一般难以达到良好的教学效果。模型工具基于其计算高效、可视化效果好等优点，适于解决专业课程教学中的计算难点问题，并有利于提高课堂效率，培养学生科研兴趣和研究性思维[8-10]。根据各门课程教学次序和进程，筛选课程中可与模型计算结合的复杂计算问题。

对于水文课程模块，课程教学次序首先为专业基础课水文学原理，其课程教学过程中应用产汇流模型;其后的河流动力学课程，主要应用泥沙运移模型;环境水力学，其课程内容主要运用污染物随流扩散和输移模型;城市水文学课程，引入并应用城市雨洪模型，对排水管网进行设计计算;水文水利计算课程，由于涉及水文过程以及与水文过程耦合的陆面过程计算问题，引入产汇流、泥沙和污染物运移模型，城市雨洪模型以及分布式水文模型。

对于水资源课程模块，水资源系统分析课程中，主要引入和运用数学规划模型，如线性优化模型、非线性优化模型、动态规划模型、多目标优化模型以及层次分析模型，解决课程中的各类优化问题;引入流域（区域）水资源管理模型、水库联合调度模型，解决水资源学和水资源规划与利用课程中的复杂计算问题。

教学体系设计思路  研究型教学体系和课程教学方案的设计，在合理整合水文课程模块和水资源课程模块各门课程复杂计算问题的基础上，注重学生的主体参与性，突出学生对模型计算和结果分析与处理等环节的实践训练，强化学生对模型功能的认识，特别是对计算过程的理解和掌握，使学生对课程的基本理论、算法建立、结果处理等环节在思维逻辑中有完整的认识和整合过程，从而不但使各门课程复杂计算问题与模型工具在教学时间和次序上实现有效衔接，而且有利于学生对各门课程相关知识在思维中进行衔接、加工和整理。这样就可以使学生结合模型工具运用过程能对各门课程复杂计算问题进行积极思考并加强实践能力培养，从而有利于学生加深对课程复杂计算问题的认识、理解、求解等完整的过程理解，有利于培养学生解决工程复杂问题的能力和参加科研活动的兴趣。

基于模型工具嵌入式应用的水文与水资源工程专业研究型教学体系方案设计如图1所示。

2 教学实践

教学实践过程示例  水文与水资源工程专业教学团队基于所构建模型嵌入教学的专业研究型教学体系（图1）开展教学工作。在各门课程的课堂教学过程中，对于复杂计算问题，介绍计算公式、算法建立以及与之相关工程实际问题，并对求解步骤和过程进行简单讲解，使学生在掌握与复杂计算问题相关课程基本理论和知识的基础上，对该问题的算法建立与求解过程有基本的了解;接下来，讲解引入模型的功能、结构、算法实现过程，模型运用和操作以及结果整理与分析等内容;而后，对模型计算过程进行演示，并对结果处理进行介绍。基于上述教学环节和过程，可使学生对复杂计算问题基本理论、求解方法以及模型计算过程在思维中进行加工、整合。

以环境水力学课程中污染物随流分散问题为例，对复杂计算问题相关知识和模型计算教学过程进行简要介绍：课堂教学首先介绍随流分散的基本知识，重点讲授一维随流剪切分散方程的建立过程，以及针对复杂计算问题的算法建立和求解过程;接下来，介绍科研实际工作中基于某研究河段的水流和水质条件构建污染物一维随流分散模型的过程（请见国家计算机软件著作权：河流污染物随流分散模型软件V1.0;2019SR0967310，2019.08）;而后，简单介绍模型计算过程（演示）以及结果处理（图示）过程。以下给出一维随流分散方程基础方程式及模型算法建立过程（课堂教学主要内容）。

1）基础方程式（课程基础知识）：

式中，t为时间因子（s），x为水流方向的空间因子（m），h为断面平均水深（m），q为断面单宽流量（m2/s），n为河道糙率，I为河床的坡度，u为断面平均流速（m/s），C为某污染物浓度（mg/L），K为河流纵向分散系数（m2/s）。

2）差分式（算法建立主要环节）：

式中，i为计算断面的编号，n为计算时间离散点的编号，其他因子与前述相同。

3）参数率定和定解条件（实现模型算法的必要条件）。基于科研活动中对污染物一维随流分散模拟所开展河段的水流条件（水深、流速、流量等）及污染物浓度的测量和调查结果，设定模型计算的定解条件（初始条件和边界条件），并率定模型计算的主要参数，如随流分散系数和河道糙率等，相关内容在此略去。

4）模型开发。利用计算机软件Fortran开发一维随流剪切分散模型（计算程序），即实现所建立算法的数值计算功能。

结合课程基本理论（基础方程式等）和随流分散计算问题对模型的算法建立和实现过程进行全面解读，使一维随流剪切分散问题基本知识和模型功能在学生思维中整理和融合，增强学生对感性材料进行加工并转化为理性认识的能力。

学生主体参与实施  教学方案的实施重视学生的主体参与性，以分组的形式让学生完成模型计算以及结果处理及分析等工作。在此过程中，学生个体行为自主性和思维独特性将得到很好的发挥。经过对课程复杂计算问题结合模型计算的切身体验，学生运用课程知识解决实际问题的能力、独立思考和判断的能力、合作学习和沟通的能力得到全面培养和提升。

3 教学效果评价

调查内容  跟踪模型嵌入教学的水文与水资源工程专业研究型教学体系在教学中的实施过程，对各门课程教学效果进行调查和评估。教学效果调查以对学生开展问卷调查的方式进行，调查项目包括“模型运用对课程计算难点问题学习和掌握是否有帮助”“对学生解决专业复杂计算问题能力的提升是否有帮助”“对学生参与专业科研活动兴趣是否有帮助”“对学生创新思維和能力的培养是否有帮助”四个方面。为各单项调查内容设置分值25分、总分100分，并为各单项指标评价和总体评价设置不同的分值区间，对应“非常满意”“满意”“基本满意”“一般”“不满意”五个标准。

效果评价  调查结果表明：大部分学生对各单项评价结果都达到“满意”或以上，其中“对学生解决专业复杂计算问题能力的提升是否有帮助”“对学生创新思维和能力的培养是否有帮助”“对学生参与专业科研活动兴趣是否有帮助”三个分项的评价结果多达到“非常满意”，总体评价分值达90分以上。并有部分学生根据自身的学习体会，针对引入模型教学实施过程的某些环节提出改进建议。

根据问卷调查结果并结合对个别学生的谈话可知，对于数学基础相对较弱的少数学生，模型引入虽然提升了课堂教学效率，但他们对复杂计算问题的基本知识（公式、算法等）与模型的结构和功能不能在短时间内有很好的理解，这为如何改进该研究型教学体系提出新的课题。

4 结语

本文对基于模型工具构建水文与水资源工程专业研究型教学体系进行了探讨，并针对教学效果进行了调查和评价，结果表明：该研究型教学体系的实施，较好地解决了课堂教学过程中学生对复杂计算问题难以理解的问题，提升了教学效率和质量，有利于培养学生的科研兴趣、创新思维和创新能力，得到学生的普遍认可;有利于实现水文学及水资源领域的科研成果與专业教学的紧密融合，提升科研反哺教学的水平。

实现专业研究型教学体系的科学构建，须遵循当代教学规律的发展，在对专业领域最新科研成果和专业课程的特点和难点进行深入解读与剖析的基础上，适时地引入科研成果服务专业教学;须凝聚专业教学团队的集体智慧，结合专业发展趋势和行业对创新型人才的需求，及时修订专业培养方案，长期探索并构建与时俱进的专业研究型教学体系，服务于高质量创新型专业人才的培养。本文提出的模型工具嵌入的水文与水资源工程专业研究型教学体系的构建，是对如何提升科研成果服务于专业教学活动的一次大胆尝试，相关工作处于初期探索阶段，不足之处在所难免，敬请同行专家不吝批评指正，将持续改进。■

参考文献

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