以“实验金课”为导向的水文预报虚拟仿真实验的设计与实践

摘要：水文预报虚拟仿真实验教学的设计与实践不仅是革新传统教学方式方法、打造“实验金课”的迫切需要，也是新工科背景下培养适应水利现代化和智慧水利建设人才的现实需求。针对水文预报线下实验教学中存在的时空限制，基于虚拟仿真平台以流域水文模型为核心，设计和构建水文预报虚拟仿真实验，结合动画展示产汇流过程和机理，实现虚实结合、虚实互补，有助于培养和提升学生的创新实践能力，切实提高水文预报实验教学的质量。

关键词：水文预报新安江水文模型虚拟仿真实验教学

中图分类号：G807

DesignandPracticeofVirtualSimulationExperimentsforHydrologicalForecastingOrientedby"GoldenExperimentalCourses"

DUHong

CollegeofResourcesandEnvironment，South-CentralMinzuUniversity，Wuhan，HubeiProvince，430074China

Abstract：Thedesignandpracticeofthevirtualsimulationexperimentalteachingofhydrologicalforecastingarenotonlyurgentneedstoinnovatetraditionalteachingmethodsandcreate"goldenexperimentalcourses"，butalsopracticalneedstocultivatetalentswhoadapttothemodernizationofwaterconservancyandsmartwaterconservancyconstructionunderthebackgroundofnewengineering.Inviewofthetime-spacelimitationsexistingintheofflineexperimentalteachingofhydrologicalforecasting，basedonavirtualsimulationplatform，withahydrologicalmodelofthebasinasthecore，avirtualsimulationexperimentofhydrologicalforecastingisdesignedandconstructed，andtheprocessandmechanismofrunoffproducingandconfluenceareshowedincombinationwithanimations，soastoachievethecombinationofvirtualityandrealityandthecomplementarityofvirtualityandreality，whichhelpstocultivateandenhancestudents'innovativepracticalabilitiesandeffectivelyimprovethequalityoftheexperimentalteachingofhydrologicalforecasting.

KeyWords：Hydrologicalforecasting;HydrologicalmodeloftheXin’anRiver;Virtualsimulation;Experimentalteaching

2018年教育部文件提出：“各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”，打造‘金课’，切实提高课程教学质量”[1]。在全国高校打造“五大金课”的背景下，虚拟仿真实验金课的建设已成为高校人才培养、学科建设的重要组成部分[2-4]。水文过程是一个复杂的动态演变系统[5]，气候、植被、下垫面等自然条件变化对水资源的分布状况产生影响，人类活动也直接或者间接对水资源产生影响。其中，水文过程中小尺度的微观机理可以通过真实实验呈现，而大尺度的宏观规律的真实实验无法实践，如流域水文模拟、河道洪水演进、实时洪水预报等。虚拟仿真实验解决了水文预报实验教学中的实际问题，如难以让学生经历和体验的限制，突破了大型实验仪器数量、操作过程等限制，弥补了传统教学方式缺点与不足[6-8]。因此，水文预报虚拟仿真实验教学不仅是革新传统教学方式方法、打造“实验金课”的迫切需要，也是培养适应水利现代化和智慧水利建设人才的现实需求。

1水文预报实验的教学目标

水文预报实验主要通过收集和处理流域基本资料，根据预报任务要求和流域特征构建流域水文模型，进一步对水文模型进行参数率定、验证，开展水文预报并进行精度评定和误差分析，让学生掌握水文预报工作的核心和过程。水文预报实验的教学目标如下。

（1）能够围绕预报任务和要求收集基本资料、处理基本资料，掌握产流机制、水源划分、汇流计算原理与方法。

（2）掌握新安江模型的结构、原理、计算过程，能够编程构建三水源的新安江模型，熟悉参数率定、验证过程，能够对预报结果采用相应的规范进行精度评价，对预报结果进行合理性分析和误差分析。

（3）培养发布作业预报的高度责任感，树立水文工作者的责任感、使命感和价值感；培养学生在流域变化环境条件下、缺乏资料条件下进行水文预报的创新意识和科学探索精神。

2水文预报虚拟仿真实验的设计

根据实验金课“两性一度”（高阶性、创新性和挑战度）的标准[9]，构建“产流—水源划分—坡面汇流—河网汇流”的虚拟仿真全过程，引入水文预报实验场景，使学生综合运用水文预报理论课程中学习的知识，通过交互的方式开展水文预报实验，学习流域产汇流过程的机理，熟悉产流计算、划分水源计算、汇流计算的过程和要点，理解水文作业预报过程中数据准备、水文模型构建、参数设置和调整、精度评定和误差分析。通过水文预报全过程的虚拟仿真和可视化，让学生真切地感知降水到洪水的全过程，深入理解水文预报工作的流程和标准规范。

水文预报虚拟仿真实验内容设计包括数据处理与准备、三水源新安江模型的构建、优选模型参数、预报结果精度评定。数据处理与准备主要包括采用地理信息系统GIS提取水系、流域分块等，三水源新安江模型的构建包括蒸散发计算、蓄满产流计算、三水源划分、汇流计算，优选模型参数分为手动优选和计算机优选模块，预报结果精度评定主要是对预报结果进行统计分析，根据《水文情报预报规范）》（GB/T22482—2008）的规定评价预报精度。

水文预报虚拟仿真实验设计的核心部分主要包括以下3个方面。

（1）蓄满产流和三水源划分的原理和计算流程，重点采用动画形式仿真蓄满产流过程、基于蓄水容量曲线的产流量计算过程和基于自由水蓄水库的水源划分过程，突破教学过程中的重难点内容。

（2）河道洪水演算的原理和计算流程，重点采用动画仿真河道中洪水波从河道上断面传播到河道下断面的过程，反映洪水波的推移、坦化作用，河道沿程断面的水位和流量的变化过程，帮助学生深入理解马斯京根流量演算法的原理和计算。

（3）新安江模型参数调整原理和方法，重点采用交互式手段，动态展示新安江模型参数对洪水过程的影响，帮助学生理解和识别出敏感性参数，自主探究各个模型参数对洪水过程的影响，进一步深入理解参数调整的方法，在反复调整参数寻找最优参数组合的过程中，积累参数调整经验。

水文预报虚拟仿真实验通过三维仿真技术与多方位交互，再现了流域产汇流的全过程和水文模型各个参数变化对洪水过程的影响，使学生能够全程真实感知洪水的形成、发生和发展，全程参与水文预报的数据准备、建模、调参、精度评定过程，有利于加强学生对水文预报实验原理和过程的深入理解，体会水文作业预报工作的流程，有效地培养学生的工程实践能力、创新意识和解决实际问题的能力。以新安江模型为核心的水文预报虚拟仿真实验设计如图1所示。

3水文预报虚拟仿真实验的实践

中南民族大学资源与环境学院建设有虚拟仿真实验平台，拥坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，完善了现有的实验教学体系，实现了教学资源的全方位共享。拥有高性能计算机40余台，配备有高清融合投影系统、服务器、工作站、仿真实训平台和工程制图等各型专业设备与软件，可供学生开展虚拟仿真、工程设计、生产实习、课程实验和课程设计等教学、教改活动（如图2所示）。通过虚拟仿真实验教学体系的应用，使人才培养、学科建设、科学研究、实验室与基地建设互相促进、互相支撑、相互融合，为学生实践创新能力培养、教学质量提高提供了有力支撑。

根据水文预报实验的教学目标，进行水文预报虚拟仿真实验设计，将水文预报虚拟仿真实验耦合到现有的虚拟仿真实验教学系统中，形成水文预报虚拟仿真实验模块。水文预报虚拟仿真实验的教学过程如下。

（1）教师讲解实验背景与目的、实验原理、实验软件、实验内容和实验步骤等，同时融入课程思政元素，通过水文预报在防灾减灾中应用的实际案例，引导学生认识水文预报的重要性，激发专业兴趣，体会水文工作者的价值感、责任感，树立专业自信，认识到水文人的使命担当。

（2）学生在理解了基本实验原理、方法和步骤之后，使用水环境与水资源虚拟仿真实验教学平台，通过动画仿真深入理解模型原理和计算流程。

（3）教师采用任务驱动教学法、启发式教学法和课堂讨论教学法，理论联系实践，启发和引导学生水文预报实验的原理方法的基础上，编制计算程序框图或者流程图，调动学生学习的主观能动性。学生在虚拟仿真平台上编写程序和运行计算，通过多方位交互，深入理解数据输入、参数调整、数据输出和精度评定过程，完成设定的预报任务，在教学过程中贯彻新时代水利精神和大国工匠精神，同时培养学生独立思考分析、解决问题的能力和良好的职业道德素养，提高自身综合素质能力。

（4）教师进行水文预报虚拟仿真实验总结，进一步通过与教学内容紧密联系的前沿拓展，启发学生思考水文预报方法存在的问题和目前解决的途径，激发学生的科学探索与创新意识，尤其是在流域变化环境条件下、缺乏资料条件下进行水文预报的科学探索与创新，明确未来努力和钻研的方向。

4水文预报虚拟仿真实验的特色

新工科背景下以“实验金课”为导向的水文预报虚拟仿真实验的特色在于以下3个方面。

（1）水文预报虚拟仿真实验设计将原理方法融入实验过程，采用开放共享式管理，突破时间和空间限制，虚实结合，虚实互补，引导学生构建理论到实践的完整的知识体系，使学生由“要我做实验”转变为“我要做实验”。同时，支撑多学科交叉的系统性实验，还可以与科研项目研究和生产项目紧密结合。

（2）水文预报虚拟仿真实验将科研课题、前沿拓展等转化和融入到实验教学内容中，以研促教。一方面，将知识目标和能力目标贯穿在实验教学过程中，锻炼学生解决水文预报实际问题的能力；另一方面，反映了水文预报科学前沿，采用水文预报任务驱动教学，基于虚拟仿真实验的多方位交互，使实验内容和过程带有探究性和挑战性。

（3）以学生为中心，水文预报虚拟仿真教学设计和教学过程中，围绕课堂内容的知识目标，设定一个能锻炼相应能力目标的预报问题或者任务。教师综合应用任务驱动教学、启发式教学、课堂小组讨论等多种方式方法，组织学生针对预报任务开展分小组研讨分析、编程计算等，教师在这个过程中提供答疑和适当引导，达到师生互动、生生互动、生生合作，促进学生发散性思考和开拓思路，增加学生参与度和思考协作，打通理论到实践应用的最后一公里。

5结语

水文预报虚拟仿真实验克服了真实实验无法呈现大尺度流域产汇流过程等限制，实验内容设计符合培养目标，紧密联系生产实际，同时具有科学前沿性，通过虚拟仿真和全方位交互，使学生深入理解水文预报原理和开展作业预报流程，不仅可以高效率地多次操作实验，也可以直观地展示参数对模型影响的内在原理。在注重水文预报实验教学的深v5Ey9HrWkJONbkyDcgsDBA==度和广度的同时，突破了实验的时空限制，有助于培养和提升学生的创新实践能力，切实提高了水文预报实验教学效果和质量。以“实验金课”为导向的水文预报虚拟仿真实验课程设计思路还可以推广到水利工程相关专业的实验课程的教学中，助力提升“新工科”背景下卓越工程师人才培养质量，具有十分重要的应用和推广价值。

参考文献

[1]教育部.关于全面推进现代学徒制工作的通知（教职成厅函〔2019〕12号）[R/OL].（2019-05-15）[2019-06-04].https：//baike.baidu.com/item/fr=aladdin#2.

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[3]绘制新时代加快推进教育现代化建设教育强国的宏伟蓝图：教育部负责人就《中国教育现代化2035》和《加快推进教育现代化实施方案（2018-2022年）》答记者问[J].人民教育，2019（5）：14-18.

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[9]李思成，向世昊，艾振宙.让两性一度成为实验的“催化剂”[J].物理通报，2023，42（12）：7-10.