土木工程專業(yè)工程水文學(xué)課程教學(xué)方法探討

土木工程專業(yè)工程水文學(xué)課程教學(xué)方法探討土木項目專業(yè)項目水文學(xué)課程教學(xué)辦法探討

中圖分類號：G642；TU11文獻標志碼：A文章編號：1005-2909〔2022〕03-0041-06

項目水文學(xué)是水利類和土木項目類專業(yè)的一門必修專業(yè)根底課程，是將水文學(xué)的根本理論與辦法應(yīng)用于項目建設(shè)與管理的一門技術(shù)學(xué)科。課程波及水文學(xué)原理、水力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)等根底知識，概念抽象且應(yīng)用性較強，土木項目專業(yè)學(xué)生前期根底知識的了解寬泛籠統(tǒng)，課時安頓少，學(xué)習(xí)難度較大。學(xué)生普通反映教學(xué)內(nèi)容干燥，學(xué)習(xí)積極性不高，效果差。

因此，對于大土木專業(yè)的學(xué)生而言，需要教《《在教學(xué)過程中結(jié)合學(xué)生的專業(yè)情況，從水文知識的需要角度出發(fā)，將水文學(xué)知識、理論和辦法與土木專業(yè)知識相結(jié)合，旁征博引，通過實際項目案例來表明課程與專業(yè)的相關(guān)性以及在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。課堂教學(xué)中既要注重對根本原理、根本概念的描述，又要注重原理、辦法在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用，同時，還需要運用現(xiàn)代信息技術(shù)伎倆設(shè)計出更具新意的課件以吸引學(xué)生，從而提升學(xué)生對該課程的認識以及實際應(yīng)用能力。

一、課程教學(xué)中存在的問題

在授課過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對水文學(xué)課程的學(xué)習(xí)普遍感覺難度很大，特別是對于大土木項目專業(yè)的學(xué)生，由于前期未接觸水文學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)及水力學(xué)等根底課程，學(xué)生對很多根本概念含糊。只有少數(shù)學(xué)生能掌握課程的主要內(nèi)容，一局部學(xué)生能聽懂課堂內(nèi)容，但不能靈活運用所學(xué)的理論知識解決實際問題，知識遷移能力差，創(chuàng)新性及實際操作能力較弱。面對不同專業(yè)的學(xué)生，由于根底不同，教學(xué)難度較大。因此，教與學(xué)的效果存在一定的差別，就當前的教學(xué)過程而言，主要存在如下問題。

〔一〕課程自身的抽象性

該課程波及面較廣、內(nèi)容多，不僅包含理論推導(dǎo)及試驗研究，而且計算復(fù)雜、實踐性強，與標準和項目實際聯(lián)系密切，系統(tǒng)性和邏輯性欠佳，對于沒有水文學(xué)相關(guān)前期知識的學(xué)生而言，這無疑加大了學(xué)習(xí)的難度。另一方面，該課程的根本假定多、公式多，設(shè)計過程中既要考慮實際數(shù)據(jù)的可靠性，又要考慮理論辦法對這些實際數(shù)據(jù)處理的可行性，最終還需要結(jié)合多種指標來判定結(jié)果的實用性。由此可見，水文學(xué)的資料統(tǒng)計和預(yù)報結(jié)果并不唯一，計算分析中需要融入項目經(jīng)驗。如在講解洪水位確實定波及的“頻率〔P〕〞時可以引入“重現(xiàn)期〔T〕〞，舉例“某水庫的設(shè)計洪水位千年一遇，設(shè)計頻率那么為P=0.1%；假設(shè)某城市發(fā)生的是五十年一遇洪水，洪水的設(shè)計頻率那么為P=2%〞；講解“各類庫容與洪水位的對應(yīng)關(guān)系〞時，可結(jié)合三峽項目圖片來講解“總庫容、興利庫容、防洪庫容〞與各級水位之間的關(guān)系。

〔二〕教材的同一性

項目水文學(xué)作為水利水電項目專業(yè)及橋涵專業(yè)的必修課，波及的內(nèi)容多且繁雜。目前，為了實現(xiàn)大土木專業(yè)的寬泛性和拓展性，土木項目專業(yè)的課程培養(yǎng)計劃中增加了項目水文學(xué)課程，但未及時出版針對土木項目專業(yè)特點的?項目水文學(xué)》相關(guān)教材，培養(yǎng)計劃、教學(xué)大綱也與水利項目專業(yè)及橋涵專業(yè)大同小異，教學(xué)的內(nèi)容、難點及重點也根本一致，同一化趨勢明顯。

〔三〕教學(xué)計劃的單一化

目前，各專業(yè)課程的授課學(xué)時不斷縮減，在縮減的課時內(nèi)講解與以往相同的知識點，教學(xué)難度增大，學(xué)生處于被動接受狀態(tài)，依賴性較強，不足思考，也沒有足夠的時間去思考。項目水文學(xué)是一門實踐性很強的課程，水利專業(yè)的實驗課學(xué)時約為理論課學(xué)時的1/3，11次作業(yè)，屢次課堂討論。而對于土木項目專業(yè)的學(xué)生，教學(xué)大綱中未考慮實驗課，即使教師在課堂上有實驗案例的講解，也只是紙上談兵，無法培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。

〔四〕學(xué)習(xí)辦法不當

按照慣例，學(xué)生一般采用傳統(tǒng)辦法根據(jù)既定的、已知的條件來求解相應(yīng)的水文學(xué)問題。根據(jù)水利項目專業(yè)及橋涵專業(yè)的水文學(xué)教學(xué)情況可知，學(xué)習(xí)該課程需要學(xué)生有很強的項目背景及項目經(jīng)驗，大多數(shù)的公式及辦法均是半理論半經(jīng)驗的推導(dǎo)，因此課程的系統(tǒng)性、理論性、邏輯性及嚴密性相對于一般的專業(yè)根底課程要差。土木項目專業(yè)的學(xué)生前期一般未接觸水利、水力等專業(yè)課程，且由于當前培養(yǎng)計劃設(shè)計中短少相關(guān)的實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生對水文學(xué)相關(guān)的實際項目了解甚少，很難把握課程的學(xué)習(xí)節(jié)奏，也難以找到適合自己的學(xué)習(xí)辦法。大多數(shù)學(xué)生認為學(xué)習(xí)難度大、干燥、無用，課堂教學(xué)死氣沉沉，無法形成正常的教學(xué)互動，一定程度上影響了教學(xué)效果。因此，教師應(yīng)因材施教，不僅要在課程上講解水文學(xué)的理論知識，還應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的項目背景、通俗易懂且形象生動的項目案例來調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并在教學(xué)過程中通過圖表法、流程圖法、程序設(shè)計、動畫視頻等方式提高學(xué)生的理解力及能動性。

二、課程新教學(xué)模式初探

項目水文學(xué)課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握水文學(xué)的根本概念、根本理論和相應(yīng)的水文學(xué)計算辦法，具備分析和解決實際項目中相關(guān)水文學(xué)問題的能力。該課程純理論分析較多，但大多基于經(jīng)驗，如流域產(chǎn)匯流計算中包含了產(chǎn)流和匯流計算，波及降雨、蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)匯流等根本概念、原理和變化規(guī)律，又十分強調(diào)應(yīng)用辦法的掌握，如產(chǎn)流計算的降雨徑流相關(guān)圖法、流域蓄水容量曲線法和初損后損法等，匯流計算的時段單位線法和瞬時單位線法等。

課時的大幅度縮減導(dǎo)致某些教學(xué)內(nèi)容一帶而過，課程教學(xué)的難點、重點不突出，前后章節(jié)內(nèi)容之間聯(lián)系不緊密，學(xué)生很難把握該課程學(xué)習(xí)的主線和重點。另外，教師教學(xué)中為了保證根本知識點的連貫性，人為增加了一些內(nèi)容來加強前后章節(jié)之間的聯(lián)系，最終適得其反，增大了學(xué)生對該課程的理解難度及學(xué)習(xí)負擔(dān)。因此，針對項目水文學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合課程的特征及土木項目專業(yè)學(xué)生的特點，組織學(xué)生查閱波及水文學(xué)問題的相關(guān)文獻及項目案例，通過分組課堂討論、視頻演示的方式鼓勵學(xué)生，提高學(xué)習(xí)的主動性，讓學(xué)生真正看到專業(yè)的開展前景，感受到課程與專業(yè)的相關(guān)性以及在實踐中的重要地位。

〔一〕多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合

項目水文學(xué)課程內(nèi)容由于包含了較多的抽象概念、時空概念和動態(tài)演化過程，教學(xué)相對其他專業(yè)根底課程難度大。僅僅依靠傳統(tǒng)的板書教學(xué)很難清晰地展示上述概念及動態(tài)演化過程，日益成熟的多媒體為該課程的教學(xué)提供了重要的教學(xué)伎倆，可實現(xiàn)抽象概念直觀化、時空概念明確化以及動態(tài)演化過程透明化，課堂教學(xué)效果顯著增強。

因此，為了充沛展示多媒體教學(xué)的優(yōu)越性，教師需不斷提高運用教學(xué)軟件制作課件的能力，將傳統(tǒng)教學(xué)無法敘述的課程內(nèi)容生動形象展現(xiàn)出來，以吸引學(xué)生的注意力，提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。如：講解產(chǎn)匯流計算中的“降雨徑流形成過程〞，設(shè)計三維動畫來模擬蒸發(fā)、水汽輸送、降雨、下滲、地面徑流及地下徑流形成的整個過程，以幫忙學(xué)生形成直觀感受，提高學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)課堂教學(xué)的良性互動。在此根底上，教師通過對徑流形成過程進一步講解，并請學(xué)生就視頻演示及理論進行討論，強化學(xué)生對該問題的理解和熟知程度。相對于傳統(tǒng)教學(xué)模式，該辦法能更為生動地展示水文學(xué)中的抽象概念及各類時空動態(tài)演化過程，學(xué)生學(xué)習(xí)效率提高，課堂教學(xué)效果明顯增強，到達了事半功倍的效果。

對于一些復(fù)雜的需要演算、推導(dǎo)的根本理論和計算公式，仍然需要考慮傳統(tǒng)教學(xué)模式。如：新安江模型的講解，由于波及公式多，推導(dǎo)過程繁瑣且長，假設(shè)一味地用多媒體演示，會出現(xiàn)整篇公式的情況，學(xué)生看得眼花繚亂，難以搞清推導(dǎo)過程。因此，可采用板書的形式帶領(lǐng)學(xué)生一步步推導(dǎo)，這樣教學(xué)節(jié)奏相對較慢、條理性更強，學(xué)生有足夠的理解和消化時間，對知識點的掌握也更扎實。

〔二〕教學(xué)計劃多樣化

教師使用多媒體軟件進行教學(xué)時，在課件準備中需要查閱大量的文獻資料，并整理糅合相關(guān)信息，然后根據(jù)學(xué)生的特點進行內(nèi)容整合，使得理論、試驗及項目案例有機組合，形成適用于土木項目專業(yè)的、不局限于現(xiàn)有教材的、針對性強的多源信息重組教案。

由于項目水文學(xué)波及大量計算，手算時間長且易出錯，可引入數(shù)學(xué)處理軟件如Excel、Matlab等處理計算過程并形成相應(yīng)的過程圖形。新的數(shù)據(jù)處理辦法不僅穩(wěn)固了課堂教學(xué)內(nèi)容，帶動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，拓展了學(xué)生的知識面，讓學(xué)生認識到各類辦法的后續(xù)有利效應(yīng)及開放性，增強了學(xué)生有效掌握該課程內(nèi)容的信心。如“適線法〞：主要用于推求指定頻率的設(shè)計年徑流量或指定頻率的設(shè)計時段徑流量，適線時需要考慮全部的經(jīng)驗點數(shù)據(jù)，計算過程中要求學(xué)生能將理論與實踐有機結(jié)合，其操作性非常強。講解過程中，首先讓學(xué)生了解“適線法〞的根本原理、適線時的數(shù)據(jù)選擇要點：當曲線與數(shù)據(jù)點擬合不佳，應(yīng)側(cè)重考慮中下部的數(shù)據(jù)點，且適當考慮上部的數(shù)據(jù)點、CsCV的合理取值以及計算結(jié)果的合理性驗證辦法等；然后，應(yīng)基于Excel、Matlab軟件對“適線法〞進行詳細講解，讓學(xué)生盡快認識和熟悉頻率格紙、適線法的制作及運用，為后續(xù)設(shè)計洪水的推求過程打下根底。可通過下列幾種計劃來增強教學(xué)過程的適用性。

〔1〕Excel表法。通過Excel表格統(tǒng)《各類水文要素的變化：三個統(tǒng)計參數(shù)，相關(guān)分析，頻率，單位線法來推求設(shè)計洪水過程線，分析法求時段單位線等，以上均可采用Excel表格來計算。

如下為“設(shè)計凈雨推求設(shè)計洪水〞的過程，引入Excel列表，如圖1所示。某流域已知地面凈雨深〔B列〕、單位線流量〔C列〕及地下徑流〔H列〕，根據(jù)計算公式得到不同時刻的地面徑流為單位線流量*地面凈雨深*0.1，運用Excel單元格功能將各段凈雨的地面徑流過程求解，即可得到地面凈雨4mm、10mm及30mm產(chǎn)生的地面徑流，分別列于圖1中的D列、E列及F列。匯總各時段凈雨的地面徑流過程即可求出總地面徑流過程，運用Excel函數(shù)SUM求出各時刻的地面徑流G列，得到總地面徑流過程?？偟孛鎻搅骷由系叵聫搅鞯贸龈鲿r刻的設(shè)計洪水H列，即可求出設(shè)計洪水過程。

〔2〕圖解法。如“適線法〞采用手動配線時，首先將理論頻率線與經(jīng)驗頻率線均標示于頻率格紙上，假設(shè)理論曲線與點據(jù)擬合不好，那么根據(jù)配線原那么調(diào)整理論曲線的參數(shù)，兩者的相關(guān)性到達最大即可；采用圖解法分析“超滲產(chǎn)流〞時，首先要獲得累積雨量過程線及下滲能力曲線，在此根底上作圖求解；超滲產(chǎn)流的初損后損法包含初損和后損兩個階段，初損值確實定可以根據(jù)流域的大小由實測資料分析，建立初損值與流域起始蓄水量、初損期的平均雨強間的關(guān)系圖；后損是初損的延續(xù)，由于與初損量關(guān)系密切，需建立后損率與初損量及初期平均降雨強度之間的關(guān)系圖，然后求得后損率。降雨過程的徑流過程流程如圖2所示，由暴雨資料推求設(shè)計洪水的計算過程如圖3所示。

〔3〕項目實例法。“由暴雨資料推求設(shè)計洪水〞的項目背景很強，對土木項目專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)難度較大，為了提高教學(xué)效果，采用由簡入繁的教學(xué)辦法，特別是選用適宜的實際項目案例，有針對性地講解由暴雨資料推求洪水位的過程。推求辦法及演示完畢后，可安頓學(xué)生推求某已知實際項目暴雨資料的設(shè)計洪水，按照暴雨資料分析→產(chǎn)流計算→設(shè)計凈雨→流域的產(chǎn)匯流計算→設(shè)計洪水分析的步驟逐步完成設(shè)計洪水的演化計算。

〔三〕寓教于學(xué)的互動教學(xué)

項目水文學(xué)是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，對前修課程未波及水力學(xué)的土木項目專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)過程中容易厭學(xué)，積極性不高。因此，教學(xué)中應(yīng)充沛考慮教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)目標與學(xué)生自主學(xué)習(xí)之間的關(guān)系，使得學(xué)生在教師教授的辦法、軟件的運用中獲取自主學(xué)習(xí)的能力，充沛發(fā)揮每個學(xué)生舉一反三的能力和發(fā)明性。另外，教學(xué)中還可以根據(jù)教學(xué)要求對學(xué)生進行分組，制定相應(yīng)的任務(wù)書，并要求分組學(xué)生在課后通過多媒體事先熟悉教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求，下次課堂教學(xué)中分組互動探討任務(wù)書的指定內(nèi)容，各組學(xué)生的集思廣益將使得課程氛圍越發(fā)活潑，實現(xiàn)了教師“教〞與學(xué)生“學(xué)〞的雙向互動，教學(xué)效果顯著，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚。目前，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為當前高校教學(xué)的一項重要伎倆，可實現(xiàn)教師與學(xué)生實時互動交流答疑，教師可隨時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動向及疑難問題，可在后續(xù)教學(xué)中針對性地解答或調(diào)整課程的教學(xué)安頓，使得學(xué)生對知識的掌握更為全面。

因此，在保證完成教學(xué)大綱要求的前提下，適當增加體現(xiàn)水文學(xué)研究現(xiàn)狀、最新研究成果及項目應(yīng)用概況的內(nèi)容，以反映該學(xué)科的前沿動態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。由于該課程教學(xué)實踐環(huán)節(jié)的不足，可要求學(xué)生課后針對性地閱讀或調(diào)研，自行查閱與項目水文學(xué)相關(guān)的最新研究進展〔理論、試驗及項目應(yīng)用等〕。與此同時，激勵學(xué)生對調(diào)研獲得的資料信息進行交流討論，更進一步了解該課程的理論、技術(shù)及最新成果。一般而言，項目類教師大多有相應(yīng)的項目研究工程，可邀請局部學(xué)生參與到科研工程中來，按照甲方的要求完成工程研究任務(wù)。該辦法可稱為科研型教學(xué)法，是非常適合不同層次學(xué)生的教學(xué)辦法。激勵學(xué)生創(chuàng)新，將已有的新理論、新思想引入到學(xué)生熟悉的領(lǐng)域中，激勵學(xué)生自主創(chuàng)新，而不被教科書或別人的觀點所束縛，是課程學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。

〔四〕啟發(fā)式與反應(yīng)式教學(xué)

課程教學(xué)均是基于教學(xué)大綱，教師教授新課前要明確下次課的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)重點及教學(xué)難點，激勵學(xué)生根據(jù)教師的提綱形成自己的看法和見解，根據(jù)教學(xué)需要適時設(shè)置提問，啟發(fā)學(xué)生積極思考，引《а《生建立詳細的思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生明確每項內(nèi)容需要講解的內(nèi)容、需要解決的問題以及解決問題的辦法，使學(xué)生對新課的教授內(nèi)容更有條理性。

顯而易見，在啟發(fā)式教學(xué)中教師只起到引導(dǎo)作用。如產(chǎn)流機制的學(xué)習(xí)，課堂上可以通過問題的設(shè)置來展開，如“降雨為何有時能使河水位上漲，有時河水位卻保持不變〞。對此，需要從降雨入滲過程開始講解，引入雨水損失、截留、填洼及蒸發(fā)概念，特別是采用圖形的方式分析降雨入滲機理，強調(diào)入滲到地面的雨水會由于基質(zhì)〔包氣帶〕對水分進行分配；基質(zhì)〔包氣帶〕的飽和程度對水分分配產(chǎn)生較大的影響，需著重了解基質(zhì)的物理特征即結(jié)構(gòu)、含水率〔飽和狀態(tài)或水分動態(tài)〕對雨水的再分配原理；重分配過程中由于包氣帶的賦存狀態(tài)導(dǎo)致不同類型徑流的產(chǎn)生，哪些情況會產(chǎn)生不同形式的徑流呢？最終徑流的分流使得河水位變化不同表現(xiàn)為不同的形式。接下來講解產(chǎn)流的根本條件，這就是典型的啟發(fā)式教學(xué)，通過思維導(dǎo)圖的方式逐漸剖析知識點要點，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和自主性。

另外，每次授課都需要基于已有的根底知識，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，加深對課程內(nèi)容的理解，以此引出本次教學(xué)的重點及難點。通過學(xué)生自主思考，充沛活潑學(xué)生的思維，在新問題的不斷提出與解決過程中啟發(fā)學(xué)生接受新的知識點，增強學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生覺得學(xué)習(xí)該課程是有用的。

每次課結(jié)束前，需要對當堂教學(xué)內(nèi)容進行精煉總結(jié)，讓學(xué)生對零散信息進行融會貫穿，形成整體性知識點，這也是對主要內(nèi)容的再一次提煉；也可基于圖表、框圖的思維導(dǎo)圖方式引導(dǎo)學(xué)生對課堂內(nèi)容進行總結(jié)。思維導(dǎo)圖是一種簡單卻又極其有效的思維工具，即以某關(guān)鍵詞為中心以輻射線的形式連接課堂講解的關(guān)鍵內(nèi)容，層層相套，呈現(xiàn)一種放射性的立體結(jié)構(gòu)，形成學(xué)生個人記憶的數(shù)據(jù)庫，這是知識點從平面到立體的形成過程，也是一種精煉且形象直觀的課程教學(xué)總結(jié)方式，使得零散知識點更有層次感及邏輯性，學(xué)生印