以“實驗金課”為導向的水文預報虛擬仿真實驗的設計與實踐

摘要：水文預報虛擬仿真實驗教學的設計與實踐不僅是革新傳統教學方式方法、打造“實驗金課”的迫切需要，也是新工科背景下培養適應水利現代化和智慧水利建設人才的現實需求。針對水文預報線下實驗教學中存在的時空限制，基于虛擬仿真平臺以流域水文模型為核心，設計和構建水文預報虛擬仿真實驗，結合動畫展示產匯流過程和機理，實現虛實結合、虛實互補，有助于培養和提升學生的創新實踐能力，切實提高水文預報實驗教學的質量。

關鍵詞：水文預報新安江水文模型虛擬仿真實驗教學

中圖分類號：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門課程的教學內容，淘汰“水課”，打造‘金課’，切實提高課程教學質量”[1]。在全國高校打造“五大金課”的背景下，虛擬仿真實驗金課的建設已成為高校人才培養、學科建設的重要組成部分[2-4]。水文過程是一個復雜的動態演變系統[5]，氣候、植被、下墊面等自然條件變化對水資源的分布狀況產生影響，人類活動也直接或者間接對水資源產生影響。其中，水文過程中小尺度的微觀機理可以通過真實實驗呈現，而大尺度的宏觀規律的真實實驗無法實踐，如流域水文模擬、河道洪水演進、實時洪水預報等。虛擬仿真實驗解決了水文預報實驗教學中的實際問題，如難以讓學生經歷和體驗的限制，突破了大型實驗儀器數量、操作過程等限制，彌補了傳統教學方式缺點與不足[6-8]。因此，水文預報虛擬仿真實驗教學不僅是革新傳統教學方式方法、打造“實驗金課”的迫切需要，也是培養適應水利現代化和智慧水利建設人才的現實需求。

1水文預報實驗的教學目標

水文預報實驗主要通過收集和處理流域基本資料，根據預報任務要求和流域特征構建流域水文模型，進一步對水文模型進行參數率定、驗證，開展水文預報并進行精度評定和誤差分析，讓學生掌握水文預報工作的核心和過程。水文預報實驗的教學目標如下。

（1）能夠圍繞預報任務和要求收集基本資料、處理基本資料，掌握產流機制、水源劃分、匯流計算原理與方法。

（2）掌握新安江模型的結構、原理、計算過程，能夠編程構建三水源的新安江模型，熟悉參數率定、驗證過程，能夠對預報結果采用相應的規范進行精度評價，對預報結果進行合理性分析和誤差分析。

（3）培養發布作業預報的高度責任感，樹立水文工作者的責任感、使命感和價值感；培養學生在流域變化環境條件下、缺乏資料條件下進行水文預報的創新意識和科學探索精神。

2水文預報虛擬仿真實驗的設計

根據實驗金課“兩性一度”（高階性、創新性和挑戰度）的標準[9]，構建“產流—水源劃分—坡面匯流—河網匯流”的虛擬仿真全過程，引入水文預報實驗場景，使學生綜合運用水文預報理論課程中學習的知識，通過交互的方式開展水文預報實驗，學習流域產匯流過程的機理，熟悉產流計算、劃分水源計算、匯流計算的過程和要點，理解水文作業預報過程中數據準備、水文模型構建、參數設置和調整、精度評定和誤差分析。通過水文預報全過程的虛擬仿真和可視化，讓學生真切地感知降水到洪水的全過程，深入理解水文預報工作的流程和標準規范。

水文預報虛擬仿真實驗內容設計包括數據處理與準備、三水源新安江模型的構建、優選模型參數、預報結果精度評定。數據處理與準備主要包括采用地理信息系統GIS提取水系、流域分塊等，三水源新安江模型的構建包括蒸散發計算、蓄滿產流計算、三水源劃分、匯流計算，優選模型參數分為手動優選和計算機優選模塊，預報結果精度評定主要是對預報結果進行統計分析，根據《水文情報預報規范）》（GB/T22482—2008）的規定評價預報精度。

水文預報虛擬仿真實驗設計的核心部分主要包括以下3個方面。

（1）蓄滿產流和三水源劃分的原理和計算流程，重點采用動畫形式仿真蓄滿產流過程、基于蓄水容量曲線的產流量計算過程和基于自由水蓄水庫的水源劃分過程，突破教學過程中的重難點內容。

（2）河道洪水演算的原理和計算流程，重點采用動畫仿真河道中洪水波從河道上斷面傳播到河道下斷面的過程，反映洪水波的推移、坦化作用，河道沿程斷面的水位和流量的變化過程，幫助學生深入理解馬斯京根流量演算法的原理和計算。

（3）新安江模型參數調整原理和方法，重點采用交互式手段，動態展示新安江模型參數對洪水過程的影響，幫助學生理解和識別出敏感性參數，自主探究各個模型參數對洪水過程的影響，進一步深入理解參數調整的方法，在反復調整參數尋找最優參數組合的過程中，積累參數調整經驗。

水文預報虛擬仿真實驗通過三維仿真技術與多方位交互，再現了流域產匯流的全過程和水文模型各個參數變化對洪水過程的影響，使學生能夠全程真實感知洪水的形成、發生和發展，全程參與水文預報的數據準備、建模、調參、精度評定過程，有利于加強學生對水文預報實驗原理和過程的深入理解，體會水文作業預報工作的流程，有效地培養學生的工程實踐能力、創新意識和解決實際問題的能力。以新安江模型為核心的水文預報虛擬仿真實驗設計如圖1所示。

3水文預報虛擬仿真實驗的實踐

中南民族大學資源與環境學院建設有虛擬仿真實驗平臺，擁堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，完善了現有的實驗教學體系，實現了教學資源的全方位共享。擁有高性能計算機40余臺，配備有高清融合投影系統、服務器、工作站、仿真實訓平臺和工程制圖等各型專業設備與軟件，可供學生開展虛擬仿真、工程設計、生產實習、課程實驗和課程設計等教學、教改活動（如圖2所示）。通過虛擬仿真實驗教學體系的應用，使人才培養、學科建設、科學研究、實驗室與基地建設互相促進、互相支撐、相互融合，為學生實踐創新能力培養、教學質量提高提供了有力支撐。

根據水文預報實驗的教學目標，進行水文預報虛擬仿真實驗設計，將水文預報虛擬仿真實驗耦合到現有的虛擬仿真實驗教學系統中，形成水文預報虛擬仿真實驗模塊。水文預報虛擬仿真實驗的教學過程如下。

（1）教師講解實驗背景與目的、實驗原理、實驗軟件、實驗內容和實驗步驟等，同時融入課程思政元素，通過水文預報在防災減災中應用的實際案例，引導學生認識水文預報的重要性，激發專業興趣，體會水文工作者的價值感、責任感，樹立專業自信，認識到水文人的使命擔當。

（2）學生在理解了基本實驗原理、方法和步驟之后，使用水環境與水資源虛擬仿真實驗教學平臺，通過動畫仿真深入理解模型原理和計算流程。

（3）教師采用任務驅動教學法、啟發式教學法和課堂討論教學法，理論聯系實踐，啟發和引導學生水文預報實驗的原理方法的基礎上，編制計算程序框圖或者流程圖，調動學生學習的主觀能動性。學生在虛擬仿真平臺上編寫程序和運行計算，通過多方位交互，深入理解數據輸入、參數調整、數據輸出和精度評定過程，完成設定的預報任務，在教學過程中貫徹新時代水利精神和大國工匠精神，同時培養學生獨立思考分析、解決問題的能力和良好的職業道德素養，提高自身綜合素質能力。

（4）教師進行水文預報虛擬仿真實驗總結，進一步通過與教學內容緊密聯系的前沿拓展，啟發學生思考水文預報方法存在的問題和目前解決的途徑，激發學生的科學探索與創新意識，尤其是在流域變化環境條件下、缺乏資料條件下進行水文預報的科學探索與創新，明確未來努力和鉆研的方向。

4水文預報虛擬仿真實驗的特色

新工科背景下以“實驗金課”為導向的水文預報虛擬仿真實驗的特色在于以下3個方面。

（1）水文預報虛擬仿真實驗設計將原理方法融入實驗過程，采用開放共享式管理，突破時間和空間限制，虛實結合，虛實互補，引導學生構建理論到實踐的完整的知識體系，使學生由“要我做實驗”轉變為“我要做實驗”。同時，支撐多學科交叉的系統性實驗，還可以與科研項目研究和生產項目緊密結合。

（2）水文預報虛擬仿真實驗將科研課題、前沿拓展等轉化和融入到實驗教學內容中，以研促教。一方面，將知識目標和能力目標貫穿在實驗教學過程中，鍛煉學生解決水文預報實際問題的能力；另一方面，反映了水文預報科學前沿，采用水文預報任務驅動教學，基于虛擬仿真實驗的多方位交互，使實驗內容和過程帶有探究性和挑戰性。

（3）以學生為中心，水文預報虛擬仿真教學設計和教學過程中，圍繞課堂內容的知識目標，設定一個能鍛煉相應能力目標的預報問題或者任務。教師綜合應用任務驅動教學、啟發式教學、課堂小組討論等多種方式方法，組織學生針對預報任務開展分小組研討分析、編程計算等，教師在這個過程中提供答疑和適當引導，達到師生互動、生生互動、生生合作，促進學生發散性思考和開拓思路，增加學生參與度和思考協作，打通理論到實踐應用的最后一公里。

5結語

水文預報虛擬仿真實驗克服了真實實驗無法呈現大尺度流域產匯流過程等限制，實驗內容設計符合培養目標，緊密聯系生產實際，同時具有科學前沿性，通過虛擬仿真和全方位交互，使學生深入理解水文預報原理和開展作業預報流程，不僅可以高效率地多次操作實驗，也可以直觀地展示參數對模型影響的內在原理。在注重水文預報實驗教學的深v5Ey9HrWkJONbkyDcgsDBA==度和廣度的同時，突破了實驗的時空限制，有助于培養和提升學生的創新實踐能力，切實提高了水文預報實驗教學效果和質量。以“實驗金課”為導向的水文預報虛擬仿真實驗課程設計思路還可以推廣到水利工程相關專業的實驗課程的教學中，助力提升“新工科”背景下卓越工程師人才培養質量，具有十分重要的應用和推廣價值。

參考文獻

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[9]李思成，向世昊，艾振宙.讓兩性一度成為實驗的“催化劑”[J].物理通報，2023，42（12）：7-10.