新工科背景下工程水文與水利計算課程教學(xué)改革探討

摘 要：工程水文與水利計算課程是水利類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。該文針對工程水文與水利計算教學(xué)中存在的問題，圍繞新工科背景下新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)以及水利事業(yè)發(fā)展新形勢的需求，以“四個面向”為導(dǎo)向，以培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才為目標(biāo)，工程水文與水利計算課程建設(shè)需有機融合課程思政、注重創(chuàng)新創(chuàng)造能力培養(yǎng)、倡導(dǎo)多元教學(xué)方式、強化理論與實踐并重，厚植學(xué)生愛國主義情懷，有效提升學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：新工科；工程水文與水利計算；教學(xué)改革；教學(xué)內(nèi)容；課程建設(shè)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）26-0053-04

Abstract： The course of Engineering Hydrology and Hydraulic Calculation is an important basic course for water conservancy engineering. Focusing on the problems in the teaching of Engineering Hydrology and Hydraulic Calculation， and cultivating innovative composite talents， the course design of Engineering Hydrology and Hydraulic Calculation should satisfy the needs of the new economy， new industries， and the new situation of water conservancy development under the background of Emerging Engineering Education. In order to cultivate students' patriotism and effectively enhance their engineering practice and innovation abilities， the construction of this course needs to organically integrate course ideology， pay attention to the cultivation of innovative and creative abilities， and advocate for diverse teaching methods strengthen the balance between theory and practice.

Keywords： Emerging Engineering Education; Engineering Hydrology and Hydraulic Calculation; teaching reform；teaching content; curriculum construction

隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，高等學(xué)校工程專業(yè)人才培養(yǎng)理念與模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。2018年教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，明確提出“形成中國特色、世界一流工程教育體系，進(jìn)入高等工程教育的世界第一方陣前列”的“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)[1-2]。當(dāng)前，我國治水的主要矛盾從人民群眾對除水害興水利的需求與水利工程能力不足，轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗣袢罕妼λY源、水生態(tài)、水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足，水利事業(yè)的發(fā)展也從以水災(zāi)害防御為主，走向解決水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全綜合問題的新階段。新工科背景下水利工程專業(yè)人才培養(yǎng)需以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)以及水利事業(yè)發(fā)展新形勢為背景，以堅持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康為導(dǎo)向，以培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才為目標(biāo)，不斷優(yōu)化水利工程人才培養(yǎng)方案和課程體系。

工程水文與水利計算課程是水利工程專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，工程水文分析的根本任務(wù)是分析河川、湖泊、水庫和河口等水體的水文現(xiàn)象，為水利工程建設(shè)與運行管理提供水文情勢分析與預(yù)測；水利計算根本任務(wù)是根據(jù)工程水文分析提供的水雨情信息，研究提出經(jīng)濟合理和安全可靠的水利工程設(shè)計方案、規(guī)劃設(shè)計參數(shù)和運行調(diào)度管理優(yōu)化方案[3]。工程水文與水利計算課程是一門應(yīng)用性很強的專業(yè)課程，要求理論與實踐并重，在課程教授過程中需通過工程專題討論和實踐教學(xué)研討，培養(yǎng)提升學(xué)生具備工程水文分析和水利計算的動手能力與實際工作能力。

一 工程水文與水利計算課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

工程水文與水利計算課程涉及工程水文分析、水利計算兩大部分教學(xué)內(nèi)容，涵蓋了水文學(xué)基礎(chǔ)理論、水文統(tǒng)計分析、水利優(yōu)化計算等多領(lǐng)域知識體系，課程知識點豐富、理論性、實踐性與研究性強，教學(xué)難度大，新工科背景下，現(xiàn)階段該課程教學(xué)內(nèi)容、方法及形式方面仍有諸多改進(jìn)之處[4-5]。

（一） 課程定位以傳授專業(yè)基礎(chǔ)知識為主，缺乏高素質(zhì)、高能力人才培養(yǎng)的認(rèn)知定位

基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求及立德樹人培養(yǎng)目標(biāo)的新要求，新工科人才需要具備國際化、復(fù)合型、創(chuàng)新型等能力。工程水文與水利計算課程體系設(shè)置與教學(xué)過程中，大部分教師教學(xué)往往以理論知識點講授為主，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中也只注重課程基礎(chǔ)知識與考試分?jǐn)?shù)。課程教與學(xué)過程中缺乏創(chuàng)新能力、科研實訓(xùn)、思維能力及思政等綜合素養(yǎng)，與新工科背景下人才培養(yǎng)目標(biāo)要求不匹配。

（二） 教學(xué)內(nèi)容缺乏更新，前沿創(chuàng)新性研究進(jìn)展講授不足

現(xiàn)行工程水文與水利計算課程教材主要基于20世紀(jì)70、80年代大量水利工程建設(shè)需求匯編而成，以解決水利工程建設(shè)與運行所需的水文分析、水利計算知識為主。隨著全球氣候變化影響和高強度人類活動影響，水利事業(yè)發(fā)展從以水災(zāi)害防御為主，轉(zhuǎn)向解決水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全綜合問題的新階段，工程水文與水利計算課程的服務(wù)對象也發(fā)生顯著變化。加之科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步，新方法、新技術(shù)、新理論不斷涌現(xiàn)。現(xiàn)行工程水文與水利計算課程教材受出版時間和篇幅限制，未能收錄當(dāng)今工程水文分析、水利計算的最新前沿進(jìn)展與成果。而工程水文與水利計算課程教學(xué)中大多依賴教材對傳統(tǒng)基礎(chǔ)知識點進(jìn)行講授，前沿創(chuàng)新性研究進(jìn)展講授不足。

（三） 教學(xué)方法單一，學(xué)生主動性與探索性學(xué)習(xí)動力不足

現(xiàn)行工程水文與水利計算課程教學(xué)，主要依靠教師語言講授和多媒體課件PPT展示，學(xué)生以課堂訓(xùn)練與課后作業(yè)為主。這種教學(xué)方法比較單一、枯燥和乏味。同時，限于課時與課堂教學(xué)規(guī)定，課堂教學(xué)過程中主要以教師講授、學(xué)生聽課為主，有關(guān)翻轉(zhuǎn)課堂、科研實訓(xùn)、前沿討論等多形式多樣化授課手段缺失，無法對工程實踐典型案例進(jìn)行深入剖析，直接影響學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

二 新工科背景下工程水文與水利計算課程建設(shè)的改革探索

（一） 服務(wù)國家重大戰(zhàn)略發(fā)展需求，課程教學(xué)積極融入課程思政元素

2016年12月，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上明確指出：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[6]”。工程水文與水利計算課程作為水利工程專業(yè)的一門核心課程，課程開設(shè)具有十分重要的理論方法與實踐指導(dǎo)意義，對本科學(xué)生專業(yè)入門、知識啟蒙和價值引領(lǐng)等具有重要作用。在工程水文與水利計算課程體系設(shè)置中，如何立足于立德樹人的教育目標(biāo)，堅持以面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康為導(dǎo)向，注重挖掘本課程的思政素材，培養(yǎng)思想過硬、技術(shù)過關(guān)的復(fù)合型創(chuàng)新人才，是一個值得深入探討與研究的重要問題[7-8]。

工程水文與水利計算課程思政內(nèi)容包括辯證思維、家國情懷、國之重器及生態(tài)文明理念等[4]。在辯證思維思政元素融入方面，積極體現(xiàn)工程學(xué)科的自然屬性特征，運用辯證唯物主義思想，研究水文現(xiàn)象的客觀自然規(guī)律，運用系統(tǒng)論、科學(xué)論等辯證思想，科學(xué)講解分析水文現(xiàn)象的確定性與不確定性、周期性與隨機性、特殊性與相似性等特征，利用統(tǒng)計分析方法研究水文現(xiàn)象時空分布特征，進(jìn)而掌握水文現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律；在家國情懷思政元素融入方面，可在課程教學(xué)內(nèi)容中有機融合大禹治水、鄭國渠和都江堰等水利工程經(jīng)典案例，闡明工程水文與水利計算的研究成果凝聚了無數(shù)古人和勞動者的心血，培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷、責(zé)任當(dāng)擔(dān)，激發(fā)學(xué)生敢于拼搏、樂于奉獻(xiàn)的水利精神；在國之重器思政融入方面，結(jié)合水利工程防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與調(diào)度內(nèi)容，講述當(dāng)代水利人在南水北調(diào)、三峽水利樞紐等國之重器工程建設(shè)的光輝典范和先進(jìn)事跡，與學(xué)生研討三峽大壩合攏、南水北調(diào)線路優(yōu)選等關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生大國工匠精神；在生態(tài)文明理念思政元素的融入方面，堅持“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明理念，課程內(nèi)容可結(jié)合中國不同歷史時期治水理念的不斷變化，按照人與自然和諧共生理念，講述在當(dāng)代水利工程建設(shè)理念及特大洪水、泥石流等自然災(zāi)害的形成機制及其防御策略。結(jié)合生態(tài)需水內(nèi)涵與特征等知識點，講述長江大保護(hù)、黃河大保護(hù)等新時期治水新理念，培育學(xué)生熱愛自然、保護(hù)環(huán)境的熱情。

（二） 更新教學(xué)理念，注重創(chuàng)新創(chuàng)造能力培養(yǎng)

工程水文與水利計算基礎(chǔ)專業(yè)知識的講解是教學(xué)過程的重點。但伴隨全球氣候變化與高強度人類活動影響，水利工程建設(shè)與運行管理面臨的新情勢、新問題不斷涌現(xiàn)，工程水文與水利計算課程服務(wù)的對象與學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)也在不斷轉(zhuǎn)變。工程水文與水利計算課程教學(xué)需要在相關(guān)經(jīng)典專業(yè)基礎(chǔ)知識講解基礎(chǔ)上，融入新理論、新方法與新技術(shù)，注重更新教學(xué)理念，注重專業(yè)基礎(chǔ)知識教授與科研實踐相結(jié)合，強調(diào)知識傳授與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合，著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，不斷提升學(xué)生理論聯(lián)系實際以及分析問題、解決問題的能力[9]。

工程水文與水利計算課程是一門理論與實踐結(jié)合強的專業(yè)課程，在教案設(shè)計過程中，為培養(yǎng)學(xué)生思考、分析和解決問題的能力與創(chuàng)新思維[5]，教師可結(jié)合課程基礎(chǔ)知識點，有機融入計算機、大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)分析和復(fù)雜理論等前沿學(xué)科的新方法、新技術(shù)，不斷拓寬學(xué)生的視野和創(chuàng)新思維。如在工程水文頻率分析方面，針對高強度環(huán)境變化下水文過程非一致性、非平穩(wěn)性變化問題，可融合非線性系統(tǒng)理論與非一致性分析方法，講解水文要素頻率非一致性、非平穩(wěn)性分析前沿進(jìn)展與理論方法；在融合大數(shù)據(jù)與計算機方法方面，可引導(dǎo)學(xué)生利用MATLAB、Python等計算機軟件，編輯水文頻率分析、水文統(tǒng)計等分析軟件，學(xué)會并運用大數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)算法在水文分析與預(yù)報中的運用；在設(shè)計洪水過程線推求以及水庫洪水特征值設(shè)計、預(yù)報調(diào)度方面，可結(jié)合分期洪水設(shè)計、無資料地區(qū)水文過程模擬與水文分析、洪水過程實時精準(zhǔn)預(yù)報等方面的最新前沿進(jìn)展；在生態(tài)流量需水預(yù)測方面，可結(jié)合當(dāng)前生態(tài)需水最新研究進(jìn)展，講述不同河流生態(tài)需水的內(nèi)涵、特征、構(gòu)成及不同生態(tài)需水預(yù)測方法的適應(yīng)性問題，介紹生態(tài)需水調(diào)度的最新研究成果；在社會經(jīng)濟需水預(yù)測方面，可結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)原理與方法，講解需水用戶與驅(qū)動要素的互饋關(guān)系以及模型構(gòu)建；在水庫興利調(diào)度方面，可結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)理論與優(yōu)化算法，講解水利工程水資源多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度的理念與建模思路，等等。同時，為提升學(xué)生國際學(xué)術(shù)視野，教師在課堂授課過程中適當(dāng)引入雙語教學(xué)，解讀相關(guān)國際最新前沿文獻(xiàn)，講解科技論文寫作要求，提升學(xué)生科研寫作水平與科研創(chuàng)新能力。

（三） 強化多元教學(xué)，不斷拓展教學(xué)手段

傳統(tǒng)的課程教學(xué)往往重點關(guān)注教學(xué)過程中“如何教”的設(shè)計理念，主要以教師為中心，單方面?zhèn)魇谥R，學(xué)生被動地接受知識。為激發(fā)學(xué)生興趣和愛好，需調(diào)整現(xiàn)有以授課為主的模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐匝芯啃越虒W(xué)的模式，突出以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的教學(xué)理念[10]，加強師生互動，注重學(xué)生參與，注重引導(dǎo)和啟發(fā)，做到 “如何教好”和“如何學(xué)好”的有機統(tǒng)一。

工程水文與水利計算課程以面向水利工程建設(shè)與運行管理實踐，強調(diào)解決實踐問題的能力。因此，工程水文與水利計算課程可采用研究性教學(xué)模式，按照“課程導(dǎo)入—目標(biāo)—前測—參與式學(xué)習(xí)—后測—總結(jié)（BOPPPS）”的有序教學(xué)結(jié)構(gòu)，通過多元教學(xué)手段，廣泛發(fā)動學(xué)生主動參與到教學(xué)過程中的各個環(huán)節(jié)，調(diào)動學(xué)生主動性思考和創(chuàng)新性思維。在課程教學(xué)大綱設(shè)計中，可設(shè)置學(xué)科前沿講解、基礎(chǔ)理論知識、專題研討和課程設(shè)計等多個模塊，運用課堂教室、多媒體技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)資源等，豐富授課、講解與考核的內(nèi)容與形式；在課程講解準(zhǔn)備階段，可向?qū)W生布置專題研討、主題任務(wù)等學(xué)習(xí)目標(biāo)，調(diào)動學(xué)生廣泛利用圖書館、知網(wǎng)、專業(yè)論壇和慕課等數(shù)字化資源，廣泛收集整理前沿文獻(xiàn)進(jìn)展，提前做好本門課程所需的基本理論知識、研究方法和計算機等能力；在課堂教學(xué)過程中，可運用翻轉(zhuǎn)課堂、小組討論、專題研討等多種形式，加強師生互動與交流，如結(jié)合工程水文頻率分析、水文“三性”審查等知識點，設(shè)置“水利工程建設(shè)利弊分析”“植樹造林對流域水循環(huán)的利弊分析”“水利工程建設(shè)的生態(tài)環(huán)境效益利弊分析”等辯題，結(jié)合變化環(huán)境下水文水資源最新前沿進(jìn)展，設(shè)置“水文頻率非一致性分析”“城市化建設(shè)對場次降水洪水過程的影響”“水庫洪水實時預(yù)報”“水利工程水資源多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度”等前沿課題討論；在課程課后學(xué)習(xí)中，教師積極組織課程組、教學(xué)助教及學(xué)生進(jìn)行課程教學(xué)歸納總結(jié)討論，關(guān)注學(xué)生對學(xué)習(xí)效果的反饋，倡導(dǎo)學(xué)生對課堂教學(xué)提出改進(jìn)意見，不斷提升教學(xué)質(zhì)量。通過多種形態(tài)的研究性教學(xué)手段，一方面不斷拓展教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；另一方面，積極培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注學(xué)科前沿，訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維，提升學(xué)生團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

（四） 強化實踐教學(xué)，不斷提升學(xué)生動手能力

工程實踐是課堂理論教學(xué)的擴展，是對學(xué)生理論知識掌握情況的檢驗，也是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要手段。工程水文及水利計算是一門工程實踐強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的授課方式以教師講授、學(xué)生做習(xí)題為主，重理論輕實踐的現(xiàn)象比較突出，學(xué)生缺乏對水利工程的感性認(rèn)知以及工程實踐經(jīng)驗，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳[11]。因此，在工程水文與水利計算課程體系設(shè)計時，需將理論與實踐融為一體，做到教、學(xué)、做、練一體化，在理論的基礎(chǔ)上完成實踐，在實踐的過程中總結(jié)學(xué)習(xí)理論。

在工程水文與水利計算課程理論知識學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強化知識推廣與運用，在該課程的前期準(zhǔn)備、授課過程以及授課后強化實踐教學(xué)，提高學(xué)生的實踐操作能力。在課程授課前，可帶領(lǐng)學(xué)生參加相關(guān)水庫、梯級電站生產(chǎn)單位的實踐教學(xué)基地，使學(xué)生對水利工程的總體布局、主體建筑物及其運行調(diào)度等具備初步的感性認(rèn)知，提升學(xué)生對工程水文與水利計算服務(wù)對象、目標(biāo)與要求等認(rèn)知與了解；在課堂教學(xué)過程中，教師可結(jié)合自身科研實訓(xùn)工作，講授與基礎(chǔ)知識點相關(guān)的工程實踐，強化教學(xué)實踐能力，并設(shè)置相關(guān)課程專題，要求學(xué)生課后查閱文獻(xiàn)資料形成讀書報告開展專題研討；課后復(fù)習(xí)與作業(yè)任務(wù)布置中，作業(yè)中，糾正以往以單個習(xí)題訓(xùn)練的模式為按照小組完成某一課程教學(xué)任務(wù)的模式，如在防洪調(diào)節(jié)計算知識板塊中，構(gòu)建水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理→由流量推求設(shè)計洪水（由徑流推求設(shè)計洪水）→水庫防洪實時的計算主線任務(wù)，在水庫興利調(diào)節(jié)計算課程任務(wù)中，設(shè)置水庫來需水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理→設(shè)計年徑流計算→水庫損失水量計算→年調(diào)節(jié)水庫興利調(diào)節(jié)計算的計算任務(wù)主線，以及在水庫水能分析計算知識模塊中，構(gòu)建水文水能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理→設(shè)計年徑流計算→保證出力計算→年調(diào)節(jié)水能計算的計算任務(wù)主線，在學(xué)生通過分組形式互幫互助完成該知識板塊的不同內(nèi)容，提升學(xué)生團隊寫作能力和實踐實訓(xùn)能力；在理論知識學(xué)習(xí)基礎(chǔ)后，開設(shè)部分學(xué)分，圍繞水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)“三性”審查分析、水文頻率分析、設(shè)計洪水過程線、水庫防洪調(diào)度和水庫興利調(diào)度等基礎(chǔ)知識點，進(jìn)行工程水文及水利計算課程設(shè)計[12]，與實際工程設(shè)計運用相結(jié)合，提升學(xué)生水文原始資料“三性審查”理解、提取、審查和處理等能力，深化洪水過程線設(shè)計、防洪方案設(shè)計與興利調(diào)度設(shè)計等專業(yè)基礎(chǔ)知識的運用與實踐，提高學(xué)生的實踐操作能力和團隊合作意識，為今后走上工作崗位從事相關(guān)的工作打下堅實的基礎(chǔ)；加強課程實踐教學(xué)訓(xùn)練，結(jié)合課程理論教學(xué)與課程設(shè)計，開展工程水文與水利計算課程實習(xí)，通過現(xiàn)場參觀、聽講、實踐與溝通交流，使學(xué)生進(jìn)一步了解與掌握國家水利工程建設(shè)的最新研究前沿與動態(tài)，熟悉水利工程設(shè)施的規(guī)劃、運行、管理和調(diào)度，開拓學(xué)生視野和提高分析問題和解決問題的能力，增強學(xué)生責(zé)任心和使命感，為國家經(jīng)濟社會建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

三 結(jié)束語

隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，新工科背景下工程水文與水利計算課程需適應(yīng)新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)以及水利事業(yè)發(fā)展新形勢的需求，以“四個面向”為導(dǎo)向，以培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才為目標(biāo)，不斷有機融合家國情懷、國之重器、生態(tài)文明建設(shè)等思政元素，厚植學(xué)生愛國主義情懷；實時更新注入學(xué)科前沿，注重強化學(xué)生創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)；強化多元教學(xué)，強調(diào)以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，不斷提升學(xué)生主動性思考和創(chuàng)新性思維能力；強化實踐教學(xué)理念，改善重理論輕實踐的教學(xué)現(xiàn)象，不斷提升學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識的運用與實踐能力。

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基金項目：廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項目“中水珠江-水文水資源大學(xué)生校外實踐教育基地”（粵教高函〔2017〕214號）；中山大學(xué)校級虛擬仿真實驗教學(xué)項目“河口水循環(huán)過程虛擬仿真實訓(xùn)”（教務(wù)〔2020〕103號）；中山大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量工程項目“基于水土交融和科教融合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)模式研究”（教務(wù)〔2021〕93號）

第一作者簡介：劉丙軍（1976-），男，漢族，湖南益陽人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向為水資源系統(tǒng)分析。