水文与水资源工程专业实践教学的改革与探索-
发布时间:2014-04-04 08:46 来源:未知 点击:
水文与水资源工程专业实践教学的改革与探索
史文娟,张建丰,沈冰，宋孝玉
（西安理工大学陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西西安 710048）
摘 要：实践教学环节是高等学校人才培养的重要组成部分。结合经济发展趋势和社会对工程人才素质的需求，我校充分利用水文及水资源国家重点学科优势，构建水文与水资源工程专业工程实践能力体系，改革实验教学内容，搭建高水平实验平台，探索服务水文与水资源工程专业本科生实践教学和教师研究生科学研究的实验管理模式，取得良好效果。2012年我校水文与水资源工程本科专业顺利通过中国工程教育认证专业评估，有效期6年。为高等学校本科专业实验教学改革与探索提供了思路。
关键词：工程实践能力体系；高水平实验平台；实验管理模式；改革与探索
高等学校实践教学是本科教学工作的重要组成部分，是培养学生创新意识、实践动手能力和工程素质的重要环节。国家明确提出建立创新型国家的任务，社会经济高速发展对高等工程人才素质也提出了更高要求。高等教育作为培养高素质创新人才的摇篮，是支撑国家创新体系和经济建设的基础。为适应当前国家和社会发展对高素质工程人才的需求，我国高等教育目前也进行了“卓越工程师”和“拔尖人才”培养模式的探索与实践。实践教学环节作为高素质工程人才培养的重要组成部分，如何充分发挥高等学校科研和学科优势，将优秀科研成果应用于本科生培养，提高学生创新能力和工程实践能力，成为目前高等教育研究的课题之一。西安理工大学水文与水资源学科是国家重点学科，有着较强的师资队伍和科研条件，多年来利用科研和学科优势在本科生实践能力培养方面做了积极探索，在工程实践能力体系建设、实践课程内容改革、高水平实验平台建设和科研实验仪器管理等方面进行了改革与实践，在本科生创新能力和工程实践能力培养方面取得一定成效。
一、转变思想，构建工程实践能力培养体系
随着我国经济高速发展，高等教育由原来的“精英教育”进入“大众化教育”，高等学校也需要转变思想，积极探索人才培养新模式，满足新形势下不同程度学生需求，适应社会和经济发展对人才素质的需求，培养学生创新意识和工程实践能力。水文与水资源工程专业是为国家水利基础性行业培养人才，其主要目标是培养能在水利、水务、能源、交通、城市建设、农林、环境保护、地质矿产等部门从事水文、水资源及水环境方面勘测、评价、规划、设计、预测预报和管理等工作及相应的教学和科学研究的高级专门人才。该专业的核心专业课程《水文学原理》、《水环境化学》、《水文气象学》、《水文信息采集与处理》、《地下水水文学》、《地下水利用》及院级任选修课《水情测报系统》等，这些都是实践性很强的课程，只有将实验教学环节与理论知识体系有机结合起来，才能使学生更牢靠更系统地掌握本专业的知识体系，也才能顺利达成专业的培养目标。西安理工大学2004年开始了“完全学分制”改革试点工作，水文与水资源专业根据学分制下不同层次学生的需求，转变观念、提高认识、优化模式、提高质量和效率，重新制定培养计划，构建工程实践能力培养体系，加强学生实践环节，培养学生创新能力和工程实践能力，如图1所示。
图1.工程实践能力培养体系
工程实践能力培养体系分为四个层次，第一层次将校内实验室参观和校外工程参观相结合，使学生对本专业有一个基本认识；第二层次通过实验课程、专业课程实习及课程设计等校内外实践环节，将课内与课外相结合，理论与实践相结合，加强学生专业基本知识和工程实践基本技能培养；第三层次通过生产实习、社会实践、课外科技活动，加强学生专业知识初步应用能力，使学生基本理论与工程实际进一步融合；第四层次通过毕业设计，通过解决工程实际问题，培养学生系统解决实际问题的能力。通过四个层次的训练，校内与校外相结合，理论与实践相相结合，加强学生创新能力和工程实践能力培养。
二、发挥学科优势，改革实践教学内容与管理模式
实践教学具有直观性、实践性、综合性和创新性等特点，有利于培养学生的创新思维和实践动手能力，在高素质创新人才培养中具有不可替代的作用。我校充分发挥国家重点学科和省部共建重点实验室优势，改革实践教学内容和管理模式，加强学生创新思维和实践动手能力培养。
1.建立专业教学实验平台，开设重点实验。根据水文与水资源工程专业教指委的基本要求，建立水文与水资源工程专业教学实验平台，使学生掌握专业基础理论知识，掌握必要的工程技术、测试方法、先进设备和基本研究方法，对于加深学生对课堂内容的理解，提高学生动手能力，培养学生分析、解决实际问题、观测、统计、考察、判断、设计能力及创造性思维能力，适应生产和科研的需要都具有非常重要的作用。同时根据专业和课程特点，结合学科优势，开设重点实验，加强学生知识理解和工程实践能力。以《水文学原理》为例，作为水文与水资源工程专业必修的专业基础课，主要内容包括水文循环基本规律及降雨径流关系等。其中，下渗不仅直接决定地面径流量的大小，同时也影响土壤水分的增长，以及表层流与地下径流的形成。如果能将径流的形成过程和下渗的物理过程及水循环各子要素降水、下渗、径流、蒸发之间的转换关系以实验的形式直接展示给学生，同时以实验的方式让学生掌握坡面降水量、径流量、下渗量的测定方法，不仅有利于学生认识水循环各子要素之间的相互转换关系，有利于对天然条件下的下渗空间分布及与充分供水条件的下渗区别的理解，而且对于产汇流的分析与计算和整个课程核心内容的掌握均有重要作用。此外，对于水循环要素中的关键环节——下渗的不同阶段（渗润、渗漏、渗透阶段）能让学生通过实验亲自观测和验证，使学生理解下渗的不同阶段；掌握下渗率和下渗能力的测定方法；了解下渗的空间变异性及天然下渗与充分供水下渗的区别。因此根据该课程的内容和特点，结合教师科研成果，我校自行研制实验仪器，开设了“下渗实验”和“水文循环规律实验”。通过这两个实验，不仅让学生对抽象的理论知识有了感性认识，加深了学生对教学内容的理解，而且提高了学生实验动手能力、分析能力、现场监测能力及适应社会的能力。同样，针对《地下水水文学》这门专业基础课程的特点，开设了“地下水含水层水文地质参数测定”、“多孔介质渗流特性实验”、“潜水模拟实验”、“承压水演示实验”。通过这些实验，使学生认识承压水和潜水的补给、赋存、消耗和转化特征。了解地下水的形成、储存、运动、补给、消耗等特征的变化规律，帮助学生更深入地理解地下水的基本原理，为今后从事相关学科的实际工作或科学研究打下基础。
2.根据社会需求，及时更新实验仪器设备。《水情测报系统》课程是水文与水资源工程专业的专业课，相关的实验基础是水资源与环境实验室在学科建设中已建成的GIS实验室，内有一台服务器及10个终端，为满足学生工作需求，在GIS实验室的基础上配备了中心站接收电台一套、终端站设备（自记雨量计、自记水位计、前置数采器及数传电台）六套、水情测报与洪水调度软件一套。为本科生开设了“水情自动测报与洪水调度系统软件操作实验”及“水情自动测报系统结构认识、采集和信息传输”两个实验。在2012年水文与水资源工程专业认证过程中，这套实验系统受到了评估专家的高度评价，认为水情测报系统与生产应用基本一致且系统完整，学生在学校就提前掌握了这套操作规程，培养了学生的实践动手能力，避免了用人单位的再次培训。这也改变了用人单位对毕业生质量以及毕业学校的看法，使得我校本科生成为用人单位最愿意接收学生。
3、结合重点学科和实验室优势，将大型学科仪器用于教学。我校的水文及水资源学科具有20多台较先进的大型仪器，包括通量塔、质谱仪、原子吸收分光光度计、紫外分光光度计等。这些大型仪器，特别是一些进口仪器的维修费用比较昂贵，如果仪器被损坏，不仅影响实验室承担的国家项目研究，也会带来较大的经济损失，因此平时由专人管理，只对教师、研究生开放，主要用于科研工作，有些仪器存在着利用率低等问题。这些年，我校充分发挥学科和实验室优势，积极探索大型仪器管理模式，努力尝试对本科生开放，将大型仪器用于本科实验教学，使本科生能接触使用先进仪器。实验过程中，由实验教师和仪器管理教师共同指导，仪器管理教师给出每台仪器的详细操作说明手册和注意事项，讲解仪器的操作规范，实验教师结合新仪器修定实验讲义，下发给学生，严把实验预习关；操作过程中，双人指导，严格要求，尽量避免仪器误操作。合理安排实验教学时间，在科研使用仪器不冲突的情况下，逐步加大大型仪器在本科实验教学中的使用频率。充分发挥学科建设大型仪器设备的潜能，提高和改善本科生实验教学效果和质量。此外，根据仪器的功能，相应拓宽实验内容，一些验证性实验改为综合性实验。实验内容增多后，老师只给要领，很多具体的细节要学生自己琢磨、摸索，同组几位同学需要相互讨论、相互配合，不仅改变了以往抄抄实验原理、写写实验结果的实验报告模式，而且培养了学生创新思维的能力和相互协作的团队精神，对以后的工作有着潜移默化的影响。
三、结语
我国经济高速发展，科学研究日新月异，学生在学校不仅是学习经典的基础理论，更应汲取新知识的营养，了解学科最新的发展动向，加强自身工程实践能力培养。我校通过四层次实践环节培养体系，发挥国家重点学科和省部共建重点实验室优势，改革实验内容和管理模式，让学生在本科阶段就接触到本学科的一些先进的仪器，了解一些前沿性的知识，加强学生创新思维和工程实践能力的培养，取得一定成效，为高等学校的实验室建设与改革，高素质工程技术人才的培养提供了一定思路。
基金项目：西安理工大学水利水电学院教改项目。
作者简介：史文娟,1972年，女，陕西武功，博士， 副教授，硕士生导师，主要从事水文与水资源方面的教学与科研工作。
参考文献
[1]全国高等农林院校教学管理工作联合会编.高等农林院校教育教学改革实践与探索[M].北京:中国农业大学出版社,2011.
[2]林家栋.教育教学改革实践与探索[M].北京:中国农业大学出版社,2009.
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[7]施菊华.构建以培养创新人才为目标实践教学体系的思考[J].沈阳农业大学学报（社会科学版）,2010,12(4):442-444.
[8]屈树新,沈如.探索大型分析设备在本科教学中的应用[J].实验技术与管理,2005,22(1O):30-33.
[9]赖芸.充分发挥大型仪器设备资源优势的几点思考[J].实验室研究与探索,2006,25(
史文娟,张建丰,沈冰，宋孝玉
（西安理工大学陕西省西北旱区生态水利工程重点实验室，陕西西安 710048）
摘 要：实践教学环节是高等学校人才培养的重要组成部分。结合经济发展趋势和社会对工程人才素质的需求，我校充分利用水文及水资源国家重点学科优势，构建水文与水资源工程专业工程实践能力体系，改革实验教学内容，搭建高水平实验平台，探索服务水文与水资源工程专业本科生实践教学和教师研究生科学研究的实验管理模式，取得良好效果。2012年我校水文与水资源工程本科专业顺利通过中国工程教育认证专业评估，有效期6年。为高等学校本科专业实验教学改革与探索提供了思路。
关键词：工程实践能力体系；高水平实验平台；实验管理模式；改革与探索
高等学校实践教学是本科教学工作的重要组成部分，是培养学生创新意识、实践动手能力和工程素质的重要环节。国家明确提出建立创新型国家的任务，社会经济高速发展对高等工程人才素质也提出了更高要求。高等教育作为培养高素质创新人才的摇篮，是支撑国家创新体系和经济建设的基础。为适应当前国家和社会发展对高素质工程人才的需求，我国高等教育目前也进行了“卓越工程师”和“拔尖人才”培养模式的探索与实践。实践教学环节作为高素质工程人才培养的重要组成部分，如何充分发挥高等学校科研和学科优势，将优秀科研成果应用于本科生培养，提高学生创新能力和工程实践能力，成为目前高等教育研究的课题之一。西安理工大学水文与水资源学科是国家重点学科，有着较强的师资队伍和科研条件，多年来利用科研和学科优势在本科生实践能力培养方面做了积极探索，在工程实践能力体系建设、实践课程内容改革、高水平实验平台建设和科研实验仪器管理等方面进行了改革与实践，在本科生创新能力和工程实践能力培养方面取得一定成效。
一、转变思想，构建工程实践能力培养体系
随着我国经济高速发展，高等教育由原来的“精英教育”进入“大众化教育”，高等学校也需要转变思想，积极探索人才培养新模式，满足新形势下不同程度学生需求，适应社会和经济发展对人才素质的需求，培养学生创新意识和工程实践能力。水文与水资源工程专业是为国家水利基础性行业培养人才，其主要目标是培养能在水利、水务、能源、交通、城市建设、农林、环境保护、地质矿产等部门从事水文、水资源及水环境方面勘测、评价、规划、设计、预测预报和管理等工作及相应的教学和科学研究的高级专门人才。该专业的核心专业课程《水文学原理》、《水环境化学》、《水文气象学》、《水文信息采集与处理》、《地下水水文学》、《地下水利用》及院级任选修课《水情测报系统》等，这些都是实践性很强的课程，只有将实验教学环节与理论知识体系有机结合起来，才能使学生更牢靠更系统地掌握本专业的知识体系，也才能顺利达成专业的培养目标。西安理工大学2004年开始了“完全学分制”改革试点工作，水文与水资源专业根据学分制下不同层次学生的需求，转变观念、提高认识、优化模式、提高质量和效率，重新制定培养计划，构建工程实践能力培养体系，加强学生实践环节，培养学生创新能力和工程实践能力，如图1所示。
图1.工程实践能力培养体系
工程实践能力培养体系分为四个层次，第一层次将校内实验室参观和校外工程参观相结合，使学生对本专业有一个基本认识；第二层次通过实验课程、专业课程实习及课程设计等校内外实践环节，将课内与课外相结合，理论与实践相结合，加强学生专业基本知识和工程实践基本技能培养；第三层次通过生产实习、社会实践、课外科技活动，加强学生专业知识初步应用能力，使学生基本理论与工程实际进一步融合；第四层次通过毕业设计，通过解决工程实际问题，培养学生系统解决实际问题的能力。通过四个层次的训练，校内与校外相结合，理论与实践相相结合，加强学生创新能力和工程实践能力培养。
二、发挥学科优势，改革实践教学内容与管理模式
实践教学具有直观性、实践性、综合性和创新性等特点，有利于培养学生的创新思维和实践动手能力，在高素质创新人才培养中具有不可替代的作用。我校充分发挥国家重点学科和省部共建重点实验室优势，改革实践教学内容和管理模式，加强学生创新思维和实践动手能力培养。
1.建立专业教学实验平台，开设重点实验。根据水文与水资源工程专业教指委的基本要求，建立水文与水资源工程专业教学实验平台，使学生掌握专业基础理论知识，掌握必要的工程技术、测试方法、先进设备和基本研究方法，对于加深学生对课堂内容的理解，提高学生动手能力，培养学生分析、解决实际问题、观测、统计、考察、判断、设计能力及创造性思维能力，适应生产和科研的需要都具有非常重要的作用。同时根据专业和课程特点，结合学科优势，开设重点实验，加强学生知识理解和工程实践能力。以《水文学原理》为例，作为水文与水资源工程专业必修的专业基础课，主要内容包括水文循环基本规律及降雨径流关系等。其中，下渗不仅直接决定地面径流量的大小，同时也影响土壤水分的增长，以及表层流与地下径流的形成。如果能将径流的形成过程和下渗的物理过程及水循环各子要素降水、下渗、径流、蒸发之间的转换关系以实验的形式直接展示给学生，同时以实验的方式让学生掌握坡面降水量、径流量、下渗量的测定方法，不仅有利于学生认识水循环各子要素之间的相互转换关系，有利于对天然条件下的下渗空间分布及与充分供水条件的下渗区别的理解，而且对于产汇流的分析与计算和整个课程核心内容的掌握均有重要作用。此外，对于水循环要素中的关键环节——下渗的不同阶段（渗润、渗漏、渗透阶段）能让学生通过实验亲自观测和验证，使学生理解下渗的不同阶段；掌握下渗率和下渗能力的测定方法；了解下渗的空间变异性及天然下渗与充分供水下渗的区别。因此根据该课程的内容和特点，结合教师科研成果，我校自行研制实验仪器，开设了“下渗实验”和“水文循环规律实验”。通过这两个实验，不仅让学生对抽象的理论知识有了感性认识，加深了学生对教学内容的理解，而且提高了学生实验动手能力、分析能力、现场监测能力及适应社会的能力。同样，针对《地下水水文学》这门专业基础课程的特点，开设了“地下水含水层水文地质参数测定”、“多孔介质渗流特性实验”、“潜水模拟实验”、“承压水演示实验”。通过这些实验，使学生认识承压水和潜水的补给、赋存、消耗和转化特征。了解地下水的形成、储存、运动、补给、消耗等特征的变化规律，帮助学生更深入地理解地下水的基本原理，为今后从事相关学科的实际工作或科学研究打下基础。
2.根据社会需求，及时更新实验仪器设备。《水情测报系统》课程是水文与水资源工程专业的专业课，相关的实验基础是水资源与环境实验室在学科建设中已建成的GIS实验室，内有一台服务器及10个终端，为满足学生工作需求，在GIS实验室的基础上配备了中心站接收电台一套、终端站设备（自记雨量计、自记水位计、前置数采器及数传电台）六套、水情测报与洪水调度软件一套。为本科生开设了“水情自动测报与洪水调度系统软件操作实验”及“水情自动测报系统结构认识、采集和信息传输”两个实验。在2012年水文与水资源工程专业认证过程中，这套实验系统受到了评估专家的高度评价，认为水情测报系统与生产应用基本一致且系统完整，学生在学校就提前掌握了这套操作规程，培养了学生的实践动手能力，避免了用人单位的再次培训。这也改变了用人单位对毕业生质量以及毕业学校的看法，使得我校本科生成为用人单位最愿意接收学生。
3、结合重点学科和实验室优势，将大型学科仪器用于教学。我校的水文及水资源学科具有20多台较先进的大型仪器，包括通量塔、质谱仪、原子吸收分光光度计、紫外分光光度计等。这些大型仪器，特别是一些进口仪器的维修费用比较昂贵，如果仪器被损坏，不仅影响实验室承担的国家项目研究，也会带来较大的经济损失，因此平时由专人管理，只对教师、研究生开放，主要用于科研工作，有些仪器存在着利用率低等问题。这些年，我校充分发挥学科和实验室优势，积极探索大型仪器管理模式，努力尝试对本科生开放，将大型仪器用于本科实验教学，使本科生能接触使用先进仪器。实验过程中，由实验教师和仪器管理教师共同指导，仪器管理教师给出每台仪器的详细操作说明手册和注意事项，讲解仪器的操作规范，实验教师结合新仪器修定实验讲义，下发给学生，严把实验预习关；操作过程中，双人指导，严格要求，尽量避免仪器误操作。合理安排实验教学时间，在科研使用仪器不冲突的情况下，逐步加大大型仪器在本科实验教学中的使用频率。充分发挥学科建设大型仪器设备的潜能，提高和改善本科生实验教学效果和质量。此外，根据仪器的功能，相应拓宽实验内容，一些验证性实验改为综合性实验。实验内容增多后，老师只给要领，很多具体的细节要学生自己琢磨、摸索，同组几位同学需要相互讨论、相互配合，不仅改变了以往抄抄实验原理、写写实验结果的实验报告模式，而且培养了学生创新思维的能力和相互协作的团队精神，对以后的工作有着潜移默化的影响。
三、结语
我国经济高速发展，科学研究日新月异，学生在学校不仅是学习经典的基础理论，更应汲取新知识的营养，了解学科最新的发展动向，加强自身工程实践能力培养。我校通过四层次实践环节培养体系，发挥国家重点学科和省部共建重点实验室优势，改革实验内容和管理模式，让学生在本科阶段就接触到本学科的一些先进的仪器，了解一些前沿性的知识，加强学生创新思维和工程实践能力的培养，取得一定成效，为高等学校的实验室建设与改革，高素质工程技术人才的培养提供了一定思路。
基金项目：西安理工大学水利水电学院教改项目。
作者简介：史文娟,1972年，女，陕西武功，博士， 副教授，硕士生导师，主要从事水文与水资源方面的教学与科研工作。
参考文献
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[7]施菊华.构建以培养创新人才为目标实践教学体系的思考[J].沈阳农业大学学报（社会科学版）,2010,12(4):442-444.
[8]屈树新,沈如.探索大型分析设备在本科教学中的应用[J].实验技术与管理,2005,22(1O):30-33.
[9]赖芸.充分发挥大型仪器设备资源优势的几点思考[J].实验室研究与探索,2006,25(
