基于流域模型實(shí)踐的“生態(tài)水文學(xué)”課程設(shè)計(jì)與教學(xué)模式探索

摘 要：生態(tài)水文學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)與水文過程之間關(guān)系的基礎(chǔ)學(xué)科，然而傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往更聚焦于理論訓(xùn)練，而不是實(shí)際操作，這一問題導(dǎo)致學(xué)生對水文生態(tài)動力學(xué)的認(rèn)識欠缺，缺少開展科研分析的內(nèi)驅(qū)力。本文基于流域模型實(shí)踐探究“生態(tài)水文學(xué)”課程內(nèi)容與教學(xué)方法，提出基于理論基礎(chǔ)、模型實(shí)操以及科研創(chuàng)新的三階段式教學(xué)模式，該模式利用整合流域建模、情景模擬與創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生由被動的知識接收者變成主動的問題處理者。本研究有望提高學(xué)生對模型應(yīng)用的熟練程度，推動學(xué)生提升研究參與積極性，加速學(xué)術(shù)成果匯聚，為促進(jìn)以實(shí)踐為導(dǎo)向、創(chuàng)新為關(guān)鍵驅(qū)動的課程改革提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：生態(tài)水文學(xué)；流域模型；課程設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)；科研創(chuàng)新

1 概述

生態(tài)水文學(xué)是地理學(xué)、水文學(xué)與生態(tài)學(xué)相融合的跨學(xué)科研究領(lǐng)域，目標(biāo)是研究生態(tài)系統(tǒng)與水文循環(huán)之間的動態(tài)響應(yīng)機(jī)制［1］，其理論框架為氣候變化適應(yīng)和流域水資源管理等應(yīng)用研究提供了極為重要的支撐。該學(xué)科重點(diǎn)關(guān)注水循環(huán)在植被、土壤、水等復(fù)雜介質(zhì)間的互動機(jī)制，自身展現(xiàn)多尺度屬性，引發(fā)其知識體系較為抽象的問題。普通的教學(xué)模式一般難以助力學(xué)生把零碎的理論概念整合進(jìn)對水文生態(tài)系統(tǒng)的理解學(xué)習(xí)中，掣肘了應(yīng)對實(shí)際挑戰(zhàn)所需的系統(tǒng)思維的發(fā)展［2］，現(xiàn)有的教學(xué)操作面臨三大挑戰(zhàn)：（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)僅圍繞室內(nèi)參數(shù)測量展開，缺少流域尺度過程模擬與調(diào)節(jié)訓(xùn)練；（2）建模工具大多簡化為結(jié)果呈現(xiàn)平臺，限制學(xué)生被動操作預(yù)設(shè)界面，無法深度介入數(shù)據(jù)搜集、模型架構(gòu)、參數(shù)校準(zhǔn)、情景分析的全鏈條進(jìn)程；（3）教學(xué)目標(biāo)依然以知識轉(zhuǎn)移作為核心要點(diǎn)，未顧及科研思維的內(nèi)化質(zhì)量，導(dǎo)致學(xué)生缺少創(chuàng)新積極性，難以把課程成果轉(zhuǎn)化成科學(xué)探究與探索性研究能力［3］。

因?yàn)榱饔蚰Ｐ涂蓪α饔騼?nèi)水文與污染物的遷移過程做定量化模擬，所以在近些年成為解決上述問題的合理工具［4］，這些模型引導(dǎo)學(xué)生更順暢地理解陸面與河道水系間的相互作用，并借助基于場景的模擬去研究不同環(huán)境和管理?xiàng)l件方面的結(jié)果。但在現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)踐活動中，其教育價(jià)值沒有得到充分展現(xiàn)，教學(xué)往往過分突出模型結(jié)果的直觀演示，而沒察覺到模型構(gòu)建過程中參數(shù)物理意義（如徑流系數(shù)、峰值流量）與潛在生態(tài)水文機(jī)制之間更深層次的聯(lián)系。同時(shí)，學(xué)生對流域模型的參與始終局限于機(jī)械操作，缺少運(yùn)用這些工具解決現(xiàn)實(shí)問題的主動意識［5］，這種“學(xué)習(xí)與應(yīng)用的分離”極大地破壞了理論與實(shí)踐之間的密切聯(lián)系，無法展現(xiàn)流域模型在培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣方面的教育潛力。

本研究把流域模型實(shí)踐作為主要教學(xué)策略執(zhí)行，對生態(tài)水文學(xué)開展創(chuàng)新型課程設(shè)計(jì)與教學(xué)模式的探索活動。通過把生態(tài)水文機(jī)制與模型參數(shù)融合在一起，引導(dǎo)學(xué)生對生態(tài)與水文的相互作用有更深刻的認(rèn)識；通過整合數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建、情景模擬等課程體系，提升學(xué)生對流域模型的實(shí)操水平和技術(shù)；以前沿研究主題設(shè)計(jì)為途徑，研究加速了從課程作業(yè)到科研項(xiàng)目的過渡，增進(jìn)了學(xué)術(shù)參與度和實(shí)際應(yīng)用成果。

2 課程設(shè)計(jì)

2.1 課程目標(biāo)重構(gòu)

本研究憑借流域模型與學(xué)科知識的深度結(jié)合，打破了傳統(tǒng)“生態(tài)水文學(xué)”課程多聚焦基礎(chǔ)概念教學(xué)的局限，由此搭建具有創(chuàng)新特點(diǎn)的課程目標(biāo)體系，如表1所示。

2.1.1 知識傳遞：從理論學(xué)說到參數(shù)剖析

傳統(tǒng)課程更多地把重心放在水文循環(huán)、生態(tài)過程等基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)上，本研究的課程設(shè)計(jì)會聚焦流域模型的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，如徑流曲線系數(shù)、蒸散發(fā)系數(shù)等。通過對這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能正確理解水文循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)間的科學(xué)問題，探究徑流曲線數(shù)怎樣體現(xiàn)下墊面產(chǎn)流特征，以及蒸散發(fā)系數(shù)怎樣揭示植被與土壤體系的生態(tài)作用。

2.1.2 能力培養(yǎng)：從現(xiàn)象過程到系統(tǒng)建模

本課程的重點(diǎn)是使學(xué)生憑借模型模擬解決生態(tài)水文學(xué)的實(shí)際問題，同時(shí)具備刻畫水文與生態(tài)現(xiàn)象的基礎(chǔ)能力。空間數(shù)據(jù)庫的建立、參數(shù)敏感性分析與校準(zhǔn)驗(yàn)證等都是流域建模實(shí)踐的一部分，這些實(shí)踐引導(dǎo)學(xué)生思考怎樣將現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境問題（如土地利用變化和氣候變化）轉(zhuǎn)換為基于模型的操作任務(wù)，還借助情景模擬以及數(shù)據(jù)分析所得結(jié)果，提高學(xué)生的問題診斷與決策能力。

2.1.3 素養(yǎng)提升：科研思維的提升進(jìn)階

在課程的收尾階段，教師將引領(lǐng)學(xué)生參與創(chuàng)新性課題的設(shè)計(jì)，學(xué)生通過閱讀文獻(xiàn)，將自主提出議題、搜集數(shù)據(jù)、構(gòu)建模型，并憑借模型輸出結(jié)果開展分析。著力引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成系統(tǒng)性建模思維，使學(xué)生把理論認(rèn)識與實(shí)際運(yùn)用關(guān)聯(lián)起來，提出符合國家戰(zhàn)略需求的科學(xué)問題，在此基礎(chǔ)上，教師要引領(lǐng)學(xué)生借助數(shù)據(jù)分析給出相關(guān)的流域水文管理建議，為后續(xù)開展相關(guān)政策制定提供參考。2.2 教學(xué)內(nèi)容模塊化設(shè)計(jì)

2.2.1 理論模塊

更新后的理論模塊需要以生態(tài)水文學(xué)基礎(chǔ)理論教學(xué)為基礎(chǔ)，逐步探索并剖析流域模型基本要義。課程把理論認(rèn)知與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，講述水循環(huán)主要部分［6］，在此基礎(chǔ)上洞察流域水文模型怎樣把這些過程轉(zhuǎn)化成可計(jì)算的模塊：把降水與徑流之間的關(guān)系對應(yīng)徑流計(jì)算方程，以及借能量平衡方程說明蒸散發(fā)過程，并通過空間離散化手段處理下墊面特征差異［4］。然后剖析模型運(yùn)行的數(shù)據(jù)驅(qū)動進(jìn)程：整合降雨觀測模擬數(shù)據(jù)、土壤類型分布剖面圖、土地利用原始數(shù)據(jù)及數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）等，把流域劃分成具備均一特性的模擬單元——水文響應(yīng)單元，直觀展示地形、土壤、土地利用的空間非均一性，同時(shí)思考參數(shù)賦值如何影響水文過程模擬結(jié)果的呈現(xiàn)。

2.2.2 實(shí)踐模塊

實(shí)踐模塊的課程設(shè)計(jì)將圍繞數(shù)據(jù)采集、模型架構(gòu)、模擬應(yīng)用實(shí)施系統(tǒng)性教學(xué)，先指導(dǎo)學(xué)生采集流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括DEM、土地利用類型圖、降雨及溫度等氣象數(shù)據(jù)，土壤質(zhì)地剖面數(shù)據(jù)以及農(nóng)業(yè)管理措施中的灌溉制度、施肥周期等屬性數(shù)據(jù)。然后開展數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，采用地理信息系統(tǒng)工具完成空間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、缺失氣象數(shù)據(jù)插值、土壤水力參數(shù)計(jì)算等標(biāo)準(zhǔn)化操作，在模型運(yùn)行階段，依靠DEM自動生成河網(wǎng)與子流域邊界，依靠土壤與土地利用疊加分析明確水文響應(yīng)單元，在模型生成結(jié)果后，實(shí)施參數(shù)敏感性分析，篩選關(guān)鍵參數(shù)并明確其敏感性等級。借助優(yōu)化算法篩選參數(shù)組合，采用納什效率系數(shù)、相關(guān)性系數(shù)等指標(biāo)衡量徑流量模擬精度，并借助可視化手段對比模擬值與實(shí)測值，實(shí)踐模塊采用完整的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模流程開展訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理到模型可靠性驗(yàn)證的全鏈條技術(shù)能力。

2.2.3 創(chuàng)新模塊

創(chuàng)新模塊讓學(xué)生可以憑借模型進(jìn)行研究分析，并通過開放式課題研究把模型結(jié)果轉(zhuǎn)化成創(chuàng)造性的研究成果。教師安排實(shí)操性選題，要求學(xué)生以流域水文模型輸出數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用地理信息系統(tǒng)的可視化界面呈現(xiàn)情景模擬成果，同時(shí)輔導(dǎo)學(xué)生按照學(xué)術(shù)期刊標(biāo)準(zhǔn)分析模型驗(yàn)證的結(jié)果，對比情景模擬的圖，形成可供借鑒的決策支持報(bào)告，最終開辟成果轉(zhuǎn)化路徑，選定優(yōu)秀課題報(bào)告轉(zhuǎn)化成學(xué)術(shù)文稿。該模塊憑借全周期訓(xùn)練，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜水文生態(tài)矛盾的科研素養(yǎng)，更把學(xué)生原創(chuàng)成果持續(xù)充實(shí)到課程案例庫，造就教學(xué)和科研互促互益的良性互動。

3 “理論—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”三階段式教學(xué)模式

三階段式教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)流域建模與生態(tài)水文知識的緊密結(jié)合，借助“理論—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”階段式教學(xué)手段，構(gòu)建起一套完整的生態(tài)水文學(xué)教學(xué)體系（見圖1）。

圖1 “理論—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”三階段式教學(xué)模式

課程以理論基礎(chǔ)階段的生態(tài)水文過程機(jī)制和關(guān)鍵物理參數(shù)引入，使學(xué)生全面掌握水文循環(huán)及其環(huán)境影響因素等知識點(diǎn)。借助整合流域模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，學(xué)生可更透徹地領(lǐng)會模型參數(shù)及其物理意義。模型實(shí)踐階段以“數(shù)據(jù)獲取—模型構(gòu)建—情景模擬”為核心內(nèi)容，建立生態(tài)水文概念與流域模型實(shí)際應(yīng)用間的關(guān)鍵聯(lián)系，采用這種方法，學(xué)生可以依托理論知識和實(shí)踐技能的基礎(chǔ)，培養(yǎng)對生態(tài)水文學(xué)應(yīng)用特性方面的理解。教師讓學(xué)生在開放式數(shù)據(jù)庫及相關(guān)科研網(wǎng)站獲取模型所需的數(shù)據(jù)資料，采用地理信息系統(tǒng)和遙感平臺對數(shù)據(jù)開展初步預(yù)處理，在模型構(gòu)建期間，恰當(dāng)?shù)剌斎肽Ｐ退钄?shù)據(jù)設(shè)立對應(yīng)數(shù)據(jù)庫，模型運(yùn)行成功后，通過參數(shù)篩選、敏感性評估等方法，協(xié)助學(xué)生掌握流域水文過程的定量模擬途徑。在情景模擬及分析過程中，引導(dǎo)學(xué)生評估不同情景（如農(nóng)業(yè)集約化程度、氣候變化條件等）對水文循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的影響。在科研創(chuàng)新階段，推動學(xué)生依靠流域模型開展自主鉆研，并強(qiáng)化生態(tài)水文學(xué)知識的實(shí)際操作。采用開放式課題設(shè)計(jì)，學(xué)生不僅可以開展生態(tài)水文過程探索，還能借助模型結(jié)果制訂科學(xué)合理的環(huán)境管理計(jì)劃。三階段式教學(xué)模式具備提升學(xué)生的數(shù)據(jù)分析與模型應(yīng)用能力、培養(yǎng)其科學(xué)研究思維的潛力。在教學(xué)實(shí)施階段，學(xué)生可以借由流域模型提出科學(xué)假設(shè)，驗(yàn)證生態(tài)水文機(jī)理，并提出面向?qū)嶋H問題的應(yīng)對辦法［7］。科研創(chuàng)新環(huán)節(jié)看重研究成果的社會服務(wù)價(jià)值，為水文與環(huán)境管理部門提供支撐決策的依據(jù)。

總之，三階段式教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)流域建模與生態(tài)水文知識的深度融合，有目的性地加強(qiáng)了學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解，提高了學(xué)生的模型操作能力。該教學(xué)模式通過實(shí)踐課題的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行全面分析、創(chuàng)新研究和實(shí)際應(yīng)用，成功地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，為培養(yǎng)生態(tài)水文學(xué)及相關(guān)學(xué)科人才提供了一個(gè)可復(fù)制的框架。這種模式不僅使學(xué)生奠定了堅(jiān)實(shí)的學(xué)術(shù)和實(shí)踐基礎(chǔ)，而且還使他們具備了應(yīng)對實(shí)際生態(tài)水文挑戰(zhàn)的必要技能。

4 教學(xué)實(shí)施案例：以“農(nóng)業(yè)集約化對流域水文生態(tài)過程的影響”為例

農(nóng)業(yè)集約化的加劇引發(fā)流域水文過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)顯著變動，對流域水資源可持續(xù)管理造成深遠(yuǎn)影響。該案例的核心要素是借助SWAT模型模擬農(nóng)業(yè)集約化對流域水文過程產(chǎn)生的影響，并綜合模擬結(jié)果給出生態(tài)修復(fù)和管理方面的相關(guān)建議［8］。案例采用的核心分析工具是SWAT模型，它能夠模擬流域內(nèi)的徑流、蒸散發(fā)、地下水補(bǔ)給等關(guān)鍵水文進(jìn)程。首先，依托DEM數(shù)據(jù)開展子流域劃分，并結(jié)合土地利用和土壤數(shù)據(jù)明確水文響應(yīng)單元；其次，將氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，采用水文站實(shí)測數(shù)據(jù)做校準(zhǔn)與驗(yàn)證，實(shí)施模型參數(shù)的優(yōu)化，其能夠較好地反映研究區(qū)域的水文特征。

在情景模擬與分析階段，課程擬設(shè)置三類情景：基準(zhǔn)情景，設(shè)置常規(guī)施肥量及灌溉面積；現(xiàn)狀情景，設(shè)置施肥量增加35%、灌溉面積擴(kuò)大20%；極端情景，設(shè)置施肥量增加75%、灌溉面積擴(kuò)大50%［9］。基于三類情景的模擬結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生分析化肥增量施用與灌溉擴(kuò)張導(dǎo)致的徑流量、徑流系數(shù)以及洪峰流量數(shù)據(jù)的差異，證實(shí)人類活動對水文過程的主導(dǎo)作用。

5 結(jié)論與展望

本研究初步探討了基于流域模式實(shí)踐的“生態(tài)水文學(xué)”課程體系，制定了“理論基礎(chǔ)—模型實(shí)踐—科研創(chuàng)新”三階段式教學(xué)模式。通過綜合流域模型實(shí)踐、情景模擬及創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)，該模式把焦點(diǎn)從傳統(tǒng)的知識教授調(diào)整到教學(xué)與實(shí)踐培養(yǎng)當(dāng)中，同時(shí)凸顯技能進(jìn)步和科研創(chuàng)新，強(qiáng)化學(xué)生對生態(tài)水文耦合機(jī)制的系統(tǒng)認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生構(gòu)建模型、情景分析和科學(xué)決策的能力，帶動課程成果向科研創(chuàng)新和社會環(huán)境實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化實(shí)施，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）在理論基礎(chǔ)方面，教師引導(dǎo)學(xué)生掌握流域模型參數(shù)的生態(tài)水文含義，進(jìn)而明確模型參數(shù)的生態(tài)水文意義。學(xué)生可在抽象理論與流域過程模擬之間構(gòu)建密切的聯(lián)系，帶動對流域水文過程及其主要環(huán)境影響的系統(tǒng)把握。

（2）在模型實(shí)操方面，教師組織學(xué)生開展具備數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建、情景推演等內(nèi)容的綜合性訓(xùn)練，顯著增強(qiáng)了學(xué)生應(yīng)對實(shí)際流域水文生態(tài)問題的能力。

（3）在科研創(chuàng)新方面，該模式借助成果轉(zhuǎn)化機(jī)制和開放式項(xiàng)目設(shè)計(jì)帶動了學(xué)生的科研內(nèi)驅(qū)力，部分項(xiàng)目已進(jìn)一步發(fā)展至學(xué)術(shù)出版物或決策支持報(bào)告階段，為構(gòu)建一個(gè)融合研究、教育和社會服務(wù)的教學(xué)機(jī)制提供了參考借鑒。

不僅如此，本研究還分析了未來“生態(tài)水文學(xué)”課程改革的重點(diǎn)方向，其中一個(gè)核心關(guān)鍵是結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來校準(zhǔn)模型參數(shù)，進(jìn)而極大提升模型模擬的準(zhǔn)確性。未來需要開發(fā)可實(shí)現(xiàn)開放獲取的教育平臺，籌建完備的流域案例數(shù)據(jù)庫、模型工具包和在線培訓(xùn)模塊，更有利于知識的擴(kuò)散，同時(shí)加大創(chuàng)新教學(xué)方法的可擴(kuò)展空間。

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基金資助：北京市高等教育學(xué)會面上項(xiàng)目，新工科背景下生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程人才培養(yǎng)模式研究（MS2023215）

*通信作者：孫鋮（1994— ），女，漢族，吉林延吉人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)榱饔蛩|(zhì)模擬與環(huán)境效應(yīng)。