魏玲娜　寧瑋　葛慧

摘 要：水文氣象作為水文學(xué)和氣象學(xué)交叉衍生出來(lái)的新興學(xué)科，主要研究地球上水圈與大氣圈層面上的水的運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律。由于臺(tái)風(fēng)、洪澇、干旱、山洪泥石流等極端水文氣象事件頻繁發(fā)生，水文氣象學(xué)專業(yè)順應(yīng)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求及學(xué)科發(fā)展需要產(chǎn)生。大氣科學(xué)（水文氣象方向）專業(yè)是水文氣象學(xué)科發(fā)展的初步探索，是在大氣科學(xué)大類學(xué)科中設(shè)立的一個(gè)新的方向性的本科專業(yè)。本文介紹了該專業(yè)“水文測(cè)驗(yàn)”理論與實(shí)踐課程建設(shè)情況，總結(jié)了當(dāng)前課程建設(shè)中存在的問題，借鑒了國(guó)內(nèi)外高校水文測(cè)驗(yàn)類課程教學(xué)模式和教學(xué)手段，初步探索了“水文測(cè)驗(yàn)”課程教學(xué)改革的方向。通過實(shí)踐與探索，以期不斷提高教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的水文氣象復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞：水文測(cè)驗(yàn)；水文氣象；課程建設(shè)

作者簡(jiǎn)介：魏玲娜，博士，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與環(huán)境氣象國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心講師，研究方向?yàn)樗臍庀?、水循環(huán)模擬（江蘇 南京 210044）；寧瑋，撫州市水文局廖家灣水文站（江西 撫州 344000）；葛慧，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與環(huán)境氣象國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。（江蘇 南京 210044）

基金項(xiàng)目：本文系南京信息工程大學(xué)2017年度地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：XNFZ2017）和淮河流域氣象開放研究基金（編號(hào)：HRM201304）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0568（2018）32-0049-03

一、“水文測(cè)驗(yàn)”課程建設(shè)的背景

水文氣象作為水文學(xué)和氣象學(xué)交叉衍生出來(lái)的新興學(xué)科，主要研究地球上水圈與大氣圈層面上的水的運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律。由于臺(tái)風(fēng)、洪澇、干旱、山洪泥石流等極端水文氣象事件頻繁發(fā)生，水文氣象學(xué)專業(yè)順應(yīng)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求及學(xué)科發(fā)展需要產(chǎn)生。早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)天氣局成立水文氣象處，為設(shè)計(jì)防洪建筑，從氣象資料推算可能最大降水和可能最大洪水，最早的水文和氣象相結(jié)合由此開始。[1]隨著氣象雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，降水監(jiān)測(cè)水平不斷提高，為降水短時(shí)預(yù)報(bào)與洪水預(yù)報(bào)的結(jié)合創(chuàng)造了條件，使水文氣象學(xué)得到了新的發(fā)展。[2]2002年10月，英國(guó)水文學(xué)會(huì)和皇家氣象學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)議上對(duì)水文氣象學(xué)發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)，提出了：①集合預(yù)報(bào)有助于解決天氣預(yù)報(bào)困難的問題，降尺度預(yù)測(cè)有助于解決降水預(yù)報(bào)中的特定問題；②研究洪水的水文工作者參與降水預(yù)報(bào)有利于解決氣象預(yù)報(bào)中無(wú)洪水預(yù)警的問題，可更好地進(jìn)行事后分析；③洪水模擬的發(fā)展需要不斷完善的空間降水?dāng)?shù)據(jù)，概率模型是未來(lái)水文氣象的發(fā)展方向；④研究“陸地—大氣交互作用”的新技術(shù)與遙感水文學(xué)發(fā)展；⑤實(shí)時(shí)土壤水分識(shí)別和地表水文的發(fā)展；⑥提高模型分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)降水系統(tǒng)變化速度的預(yù)測(cè)是中尺度對(duì)流系統(tǒng)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中降水預(yù)報(bào)的未來(lái)方向。[3]由于我國(guó)行政管理上氣象與水文分屬兩個(gè)部門，兩門學(xué)科的發(fā)展也是各自獨(dú)立的狀態(tài)，因此水文氣象這一邊緣學(xué)科發(fā)展緩慢，理論研究和應(yīng)用方面都很落后。為了緊跟國(guó)際發(fā)展前沿，順應(yīng)學(xué)科建設(shè)發(fā)展，將水文與氣象進(jìn)行交叉整合以解決當(dāng)前社會(huì)需求和學(xué)科發(fā)展，培養(yǎng)水文氣象專業(yè)人才以保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全是社會(huì)發(fā)展的需要。大氣科學(xué)（水文氣象方向）專業(yè)作為水文氣象專業(yè)建設(shè)的初步嘗試，2011年9月于南京信息工程大學(xué)率先成立并開始招生，截至目前共培養(yǎng)了340名本科生（包括172名已畢業(yè)的）。

為了讓學(xué)生在氣象學(xué)專業(yè)背景基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解目前與水資源密切相關(guān)的極端水文事件以及氣候等變化環(huán)境下的水文設(shè)計(jì)等實(shí)際問題，首先要求學(xué)生初步掌握水文、水資源相關(guān)概念和理論，理解水文的主要工作內(nèi)容和所采用的方法。為此，在大氣科學(xué)類課程體系下引入水文學(xué)原理以及涉及水文專業(yè)必備的“測(cè)、報(bào)、算”（水文測(cè)驗(yàn)、水文預(yù)報(bào)和水文分析與水利計(jì)算）三項(xiàng)基本技能的相關(guān)課程。其中，水文測(cè)驗(yàn)（水信息技術(shù)）作為水文學(xué)、水資源研究的基礎(chǔ)，提供了一切水文工作不可或缺的水文數(shù)據(jù)。沒有正確、及時(shí)的水信息基本數(shù)據(jù)，就不可能有正確的水情預(yù)報(bào)、水質(zhì)預(yù)報(bào)、水資源評(píng)價(jià)以及涉水工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理及防汛、抗旱的科學(xué)決策。

二、“水文測(cè)驗(yàn)”課程建設(shè)存在的問題

現(xiàn)有水文氣象專業(yè)“水文測(cè)驗(yàn)”課程沿用了大部分水文與水資源工程專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，同樣將課程分為理論課“水文測(cè)驗(yàn)學(xué)”和實(shí)踐課“水文測(cè)驗(yàn)實(shí)習(xí)”。前者的目的在于使學(xué)生掌握水信息采集和水文數(shù)據(jù)處理的基本概念、基本理論、基本方法，進(jìn)行基本資料整編技能的訓(xùn)練，了解新儀器的運(yùn)用、測(cè)驗(yàn)新方法等相關(guān)的學(xué)科發(fā)展方向。后者將水文測(cè)驗(yàn)的理論課程付諸實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，結(jié)合水文氣象專業(yè)背景，著重讓學(xué)生學(xué)習(xí)水位、流速、流量等測(cè)驗(yàn)原理、方法和數(shù)據(jù)處理，通過實(shí)習(xí)讓水文氣象本科生獲得重要的專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練，涵蓋了水信息采集時(shí)野外儀器使用培訓(xùn)和實(shí)際水文數(shù)據(jù)處理兩個(gè)重要的生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)。但具體實(shí)施過程中還存在如下問題：

1.師資和教材資源緊缺。雖然水文氣象專門人才的培養(yǎng)在國(guó)際上已有較多高等院校和研究機(jī)構(gòu)開展，但目前國(guó)內(nèi)僅有南京信息工程大學(xué)涉及。專門開展水文測(cè)驗(yàn)相關(guān)研究的人員多致力于新的測(cè)驗(yàn)技術(shù)和儀器設(shè)備的開發(fā)研制，研究成果轉(zhuǎn)化為本科教學(xué)內(nèi)容需要較長(zhǎng)一段時(shí)間的積累，而真正從事該領(lǐng)域研究又致力于本課程教學(xué)工作的一線教師儲(chǔ)備較少。另一方面，隨著技術(shù)水平的發(fā)展，測(cè)驗(yàn)手段和方法日益先進(jìn)，水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)亦在不斷更新，相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容必然要進(jìn)行同步調(diào)整。例如，我國(guó)大部分河流的流量測(cè)驗(yàn)大都還是采用流速儀測(cè)流等傳統(tǒng)方法，經(jīng)過多年的技術(shù)改進(jìn)和不斷的比測(cè)分析，目前已有不少水文站將ADCP作為常規(guī)的測(cè)流方法。因此，相應(yīng)的教材內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)都要做出調(diào)整，現(xiàn)有的教材資源無(wú)法滿足實(shí)踐需要。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段落后。相比國(guó)外大學(xué)采用的多媒體、VR技術(shù)等多種手段演示實(shí)驗(yàn)操作及水文軟件操作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，我們的差距還很大，很多實(shí)驗(yàn)還無(wú)法采用相關(guān)計(jì)算機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)模擬和演示，限于教研投入不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面存在儀器數(shù)量稀缺甚至過時(shí)、老化、更新停滯等問題，達(dá)不到讓學(xué)生更好地開展實(shí)踐操作的教學(xué)目的。

3.考核評(píng)價(jià)方式陳舊。理論課考核方式仍以筆試為主，占總成績(jī)的70%；平時(shí)成績(jī)根據(jù)課堂表現(xiàn)和作業(yè)、出勤情況打分，但比例較低，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。這樣的考核方式讓學(xué)生更多滿足于課堂理論學(xué)習(xí)，事實(shí)上降低了學(xué)生的綜合專業(yè)能力。實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)考核通常是以撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式來(lái)考核學(xué)生的掌握情況，檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。大多數(shù)學(xué)生僅僅按測(cè)驗(yàn)步驟完成實(shí)習(xí)報(bào)告，不會(huì)根據(jù)測(cè)得結(jié)果再做進(jìn)一步分析研究。這種實(shí)驗(yàn)考核的方式模式固定、方式單一，達(dá)不到評(píng)價(jià)學(xué)生分析、解決問題能力的目的。

三、“水文測(cè)驗(yàn)”課程建設(shè)的優(yōu)化路徑

1.多元化教學(xué)模式。由于“水文測(cè)驗(yàn)”具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，傳統(tǒng)的以教師課堂講授為主的專業(yè)教學(xué)模式效果有限，為了培養(yǎng)理論水平高、動(dòng)手能力強(qiáng)同時(shí)又具有自主創(chuàng)新能力的復(fù)合型水文氣象專業(yè)人才，需要在現(xiàn)有的課程體系下，結(jié)合豐富的IT技術(shù)演示、手機(jī)技術(shù)軟件操作、現(xiàn)場(chǎng)物理模型實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)一步開展多元化的教學(xué)模式探索。為了加強(qiáng)對(duì)“水文測(cè)驗(yàn)”相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法的講解，可以依托互聯(lián)網(wǎng)資源收集更多關(guān)于水文科學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作的專業(yè)視頻，添加到課堂教學(xué)中，在課堂上通過概念的可視化和現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室的記錄演示加深感性認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。除了視頻資源外，還可以借鑒伯明翰大學(xué)地理學(xué)院本科生水文教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，利用已有的可提供水文氣象方面虛擬現(xiàn)實(shí)信息和實(shí)時(shí)監(jiān)控信息的手機(jī)應(yīng)用程序，[4]如氣象雷達(dá)App、meteoearth等可以實(shí)時(shí)獲得衛(wèi)星云圖，查看詳細(xì)的天氣狀況，而長(zhǎng)江委水文監(jiān)測(cè)App可實(shí)時(shí)獲取水位、流量、降水等要素信息，讓學(xué)生探索天氣、水文數(shù)據(jù)空間和時(shí)間上的自然規(guī)律。此外，物理模型演示也是公認(rèn)的水文學(xué)教學(xué)的有效方式。[5-6]例如，在講授土壤持水能力時(shí)可以采用家用清潔海綿吸水這一簡(jiǎn)單的模型演示，對(duì)田間持水量、凋萎系數(shù)等一些基本的概念進(jìn)行解釋說(shuō)明。更復(fù)雜的模型還有瑞典烏普薩拉大學(xué)在多年的授課過程中開發(fā)出來(lái)的一套移動(dòng)的物理模型，可用于解釋地表、地下水及其對(duì)土壤不飽和水含量的影響。[7]通過現(xiàn)場(chǎng)物理模型操作示范可以激發(fā)學(xué)生的探索精神，引導(dǎo)學(xué)生展開討論，從而加深對(duì)基礎(chǔ)理論的理解。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。從水文測(cè)驗(yàn)理論學(xué)習(xí)的角度，可以借鑒天津農(nóng)學(xué)院開發(fā)的“河道斷面流速及流量監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”，學(xué)生可以從空中俯瞰河流的全貌，在測(cè)流斷面進(jìn)行流量的測(cè)驗(yàn)（包括斷面測(cè)量和流速的測(cè)量），系統(tǒng)界面中給出流量測(cè)驗(yàn)的步驟操作過程、流速儀的安裝和使用過程等。斷面和流速的測(cè)量結(jié)束后，虛擬仿真系統(tǒng)提示進(jìn)行流量的計(jì)算。[8]通過這種互動(dòng)和漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，結(jié)合工程實(shí)踐，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生能更直觀地理解教學(xué)內(nèi)容，克服理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和相互交流，給學(xué)生提供廣闊的乃至立體的學(xué)習(xí)空間，從而提高了學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)變能力。從測(cè)驗(yàn)實(shí)習(xí)的角度，可以借鑒西班牙拉古納大學(xué)在土木、水文、地質(zhì)和火山科學(xué)中創(chuàng)新的教學(xué)方法。[9]考慮到目前采用的單站駐點(diǎn)的實(shí)習(xí)方式，針對(duì)不同的測(cè)站開展的實(shí)習(xí)內(nèi)容有所區(qū)別，實(shí)習(xí)站點(diǎn)普遍存在設(shè)備陳舊、測(cè)驗(yàn)方法單一的問題，而且由于實(shí)習(xí)時(shí)間有限、在站培訓(xùn)內(nèi)容少，無(wú)法全面掌握綜合應(yīng)對(duì)各地或各時(shí)期不同水情的測(cè)驗(yàn)技能。為了與水文氣象信息化情勢(shì)接軌，現(xiàn)有測(cè)驗(yàn)實(shí)習(xí)內(nèi)容亟待更新，需要涵蓋更多新的測(cè)驗(yàn)技術(shù)和方法，開發(fā)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)彌補(bǔ)測(cè)站設(shè)備的不足，針對(duì)實(shí)際需求讓學(xué)生完成一些在站實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成的內(nèi)容。例如，開發(fā)虛擬仿真ADCP測(cè)流實(shí)驗(yàn)過程訓(xùn)練，讓學(xué)生熟練掌握ADCP測(cè)流的方法，了解實(shí)際操作過程中的注意事項(xiàng)、故障排查與處理等，極大地減少了野外測(cè)流的高成本、高消耗和涉水危險(xiǎn)的狀況。

3.讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。由于一般的水文、氣象觀測(cè)和分析難以清楚地揭示其物理過程和相互關(guān)系，需要在野外或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)用特定的程序、裝置和設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的、有控制的觀測(cè)和試驗(yàn)[9]。為此，可以開發(fā)小的動(dòng)手項(xiàng)目，讓學(xué)生在課堂外進(jìn)行理論應(yīng)用。比如可以讓學(xué)生做簡(jiǎn)單的滲透實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)測(cè)量方案，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。還可以結(jié)合教師的科研專題，指導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從一開始收集資料到數(shù)據(jù)分析處理、具體的方法選用，再到后面的結(jié)果討論分析等。這一系列過程讓教學(xué)更多地連接到外面的世界，鞏固了學(xué)生的基本知識(shí)，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，有利于學(xué)生建立完整的知識(shí)體系，引導(dǎo)學(xué)生提出解決問題的方案或建議，提高解決問題的能力。

綜上所述，本文針對(duì)新興的水文氣象專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)，總結(jié)了“水文測(cè)驗(yàn)”課程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，初步提出了未來(lái)教學(xué)改革的方向：綜合媒體視頻演示、手機(jī)軟件操作、現(xiàn)場(chǎng)物理模型演示等教學(xué)手段，采用多元化的教學(xué)模式，讓學(xué)生使用更多的開放教育資源；建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生熟悉測(cè)驗(yàn)技術(shù)，獲得一些無(wú)法完成的野外業(yè)務(wù)工作訓(xùn)練，將教學(xué)更多地從教室連接到外面的世界；設(shè)計(jì)一些小的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或是結(jié)合科研課題或創(chuàng)新類項(xiàng)目，讓學(xué)生參與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐過程中鞏固所學(xué)，提升自主創(chuàng)新思維能力。要完成以上的改革探索需要更多的教育資金投入和教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)，這對(duì)于提高實(shí)踐教學(xué)水平，培養(yǎng)具備工程實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作和綜合創(chuàng)新能力的本科學(xué)生，解決氣候變化與人類活動(dòng)的加劇導(dǎo)致的水資源的短缺帶來(lái)的洪澇、干旱等現(xiàn)實(shí)問題具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] H.L.Ferguson.Recollections of Hydrometeorology in CANADAs MeteorologicalService[EB/OL].http：//www.cmos.ca/Hydrometeorology_Recollections.

[2] 楊文峰， 周輝， 李明， 等. 水文氣象預(yù)報(bào)研究述評(píng)[J].陜西氣象， 2007，（5）：14-18.

[3] Dale M. Meteorology and hydrology-towards closer collaboration [J]. Weather， 2003， 58（2）：92–93.

[4] Van Loon A. Using videos， apps and hands-on experience in undergraduate hydrology teaching[C].EGU General Assembly Conference. EGU General Assembly Conference Abstracts， 2016.

[5] Gates， A. E.， Langford， A. P.， Hodgson， R. M.， and Driscoll， J.J. Ground-water-simulation apparatus for introductory and advanced courses in environmental geology[J]. J.Geosci.Educ， 1996，（44）：559–564.

[6] Werner， A. and Roof， S. R. Using Darcy flow tubes to teach concepts of ground-water geology[J]. J. Geol. Educ.， 1994，（42）：220–224.

[7] A.Rodhe.Physical models for classroom teaching in hydrology[J].Hydrol.Earth Syst. Sci， 2012，（16）：3075–3082.

[8] 韓娜娜，王仰仁，周青云，葉瀾濤.多元化水文測(cè)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)研究與應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇， 2018，（8）：199-200.

[9] Santamarta J C， Tomás R， Hernández-Gutiérrez L， et al. Innovative teaching methods and strategies in civil， hydrology and geological engineering in volcanic subjects[C].International Conference on Information， Business and Education Technology ICIBIT，2013.

責(zé)任編輯 秦俊嫄