河流动力学课程实习的实践探索与新模式

李志威，周美蓉，邓珊珊，夏军强   

(武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072)

[摘  要]课程实习是河流动力学专业方向的实践教学与人才培养的重要环节，是了解河流、认识河

流和观测河流的重要方式。当前水利类院校港口航道与海岸工程专业本科生在河流认知实习过程中，存在参观听讲多、主动参与度低和科研内涵少等常见问题。要解决这些长期积累的问题，需要在实习任务上适当结合当前科研课题，主动设置河流野外考察与观测任务，组织学本科生实际操作仪器与设备，获取第一手实测数据,和整理分析数据和撰写高质量的考察实习报告。这个新模式有望实现课程实习与科研实践相互促进。

[关键词]课程实习；实践教学；人才培养；野外观测；河流动力学

[基金项目]2021年武汉大学一流本科专业培育项目“港口航道与海岸工程专业教材建设与实践探索”（2021ZG209）

[作者简介]李志威（1984-），男，湖北云梦人，博士，武汉大学水利水电学院副研究员，主要从事河流动力学研究与教学。

[中图分类号] G642.0     [文献标识码] A        

课程实习的实践环节对于港口航道与海岸工程的河流动力学专业方向的本科生，全面掌握和深入融会课程知识、培养创新思维和提高科研能力具有至关重要的作用[1-5]。专业实习与野外考察是工科类专业教学过程中重要的综合性实践环节，不仅是培养学生掌握专业技能、锻炼动手能力以及适应职业发展的有效途径，而且是培养学生协作精神、科研兴趣和创新意识的重要平台[6-9]。本科生在学习工程流体力学、河流动力学、河床演变学等主干专业课之后，通过野外考察河流、河床泥沙取样、水深流速测量、无人机航测等观测项目的训练，使学生将专业基础课上学习的河流演变理论与实际观测相结合，达到更加深入理解书本内容，初步培养发现问题、分析问题和解决问题的综合能力[10]。

通过引入当前长江与黄河生态保护大保护和黄河流域生态保护与高质量的新发展理念，并结合指导教师折科研项目需求，在实习地点设置若干科研小任务，引导本科生主动参与长江和黄河和长江的河流原型观测和采样工作，提升专业实习的积极性和获得感。同时，可增长本科生对自然河流的感性认识，了解河流水环境和水生态现状，更好适应未来研究生学习和就业岗位要求[11]。因此，本论文以最新的河流保护与治理理念，旨在提高本科生的学习兴趣，结合当前教师正开展的科研任务，吸引本科生投入其中，体验认识河流的重要性，增强保护河流的责任心，了解观测河流的最新技术。最终目标是通过参与河流水文观测的科研实践实习活动，有利于增长本科生的科研素养和学术兴趣，值得其它工科专业的专业实习尝试和推广。

一、野外考察实习存在的问题

１  对河流动力学野外实习教学不够重视

河流动力学的课程实习教学一直被认为只是理论教学的辅助环节，在一些高校水利水电类专业的人才培养计划中，往往只设置一学期的《河流动力学》理论课程，没有设置独立的河流动力学野外实习教学课程。对于设置河流动力学野外实习教学，也面临经费短缺导致实习时间短和内容设置少等问题。部分老师对河流动力学野外实习认识不足，一些新入职的青年教师，也缺乏野外考察和教学实习经验。而一些野外实习教学经验丰富的教师面临教学和科研双重压力，很难抽出较多的时间投入到野外教学实践。学生在实习过程中则处于被动地位，导致学生在野外实习过程中缺乏积极性和主动性，具体表现是按照规既定时间和路线参观，聆听教师和实习点工作人员讲解，实习教学的效果一般欠佳。

２  缺乏探索性的野外实习教学内容

现有河流动力学野外实习教学的内容大部分处于“认知”层次，实习的内容单调、浅显和零散，没有结合专业知识的综合考虑野外实习教学内容。教学模式比较单一，主要以学生听教师讲解为主，缺乏对学生独立设计和动手实践能力的有效训练，而且对学生缺少科研兴趣引导，不利于学生积极思考自然河流现象及当前存在生态环境问题。同时，缺少借鉴国外一流大学河流地貌学的实习教学案例，教师对河流动力学野外实习仍停留在讲授知识，没有形成以学生为中心，提出较为综合的、具有探索性的野外实习教学内容。而且，对于即将进入研究生阶段学习的大四本科生，其科研实践能力未难能得到充分锻炼，对水文观测数据获取的观测方法及技术缺乏了解。

３  缺乏良好的河流综合野外实习基地

由于以往河流野外实践教学主要以大江大河和水库大坝为对象，每年实习之前都需要与当地河道管理部门联系和协调时间，。若是在汛期，由于防汛任务紧张，则学生实习时间和计划难以得到保证与实施。而且大江大河在河长制的严格管理之下，较难以进行实习教学基地的建设和维护，学校也缺少充足经费进行支持管理。因此，选择距离学校合适距离较近的中小河流的山区和冲积河段，尽量减少人工干扰和水利工程影响，有利于长期建立一个相对固定、可针对不同实践内容的河流动力学实习基地。一般要求实习河段既有卵石河段，也有沙质河段，水质清澈，生态良好，而且实习时间内河道水深不超过1m，平均流速小于0.5m/s，有利于安全地开展水下测量与取样作业。

二、野外考察实习教学模式改革与探索

1  实习准备工作

首先，根据学校课程实习要求和目标，撰写实习大纲和实习手册，确定实习内容、观测仪器和实验耗材等。其次，根据实习班级人数，划分成若干小组，每组6-8人为宜，每个小组安排一名课题组的研究生作为技术指导和一名成员作为组长，协调和负责小组内分工与协作任务。再次，联系实习地点的食宿和车辆，注意实习期间的天气和交通情况，作好相应的应急预案。最后，确定实习出发时间和考察实习的时间段，一般野外工作时间2-3天为宜，后续数据整理与分析1周左右。为了使得河流实习与观测数据可作为科研用途，最好结合实习带队教师的科研课题任务，开展相应的实验内容设置与实习任务分配，这样可以做到实习教学与科研观测相结合，有利于本科生在实际上科研中得到锻炼和提升兴趣。

2  实习内容与野外测量

根据实习目标与观测内容，对各实习小组及路线进行优化组合，形成相对稳定的实习任务与足够安排任务的时间安排。在实习观测过程中，教会本科生掌握仪器使用与操作、测量与取样、数据记录等必备环节。

（1）河流基本特性与河床测量。在实习观测之前，由于带队教师讲解实习地点的河流地貌历史与现状，河流类型与形态，水文特性与输沙特征，滨河植被和水生态状况等。观测内容可包括：床沙粒径及级配、河床结构、河床坡降、水深、流速、河段形态等。观测仪器需包括：皮尺、钢尺、全站仪或RTK、无人机、笔记本电脑等。

（2）河流水流泥沙测量。观测内容可包括：水深、流速、悬移质含沙量、推移质输沙率等。观测仪器需包括：流速仪（直流式、旋桨式、声学多普勒ADV或ADCP），根据河道水流特性与水深，可选择和携带不同流速仪。悬移质含沙量采用取水样，带回实验室过滤、烘干和称重测量。推移质输沙率可采用坑测法或推移质采样器（如Helly-Smith sampler）。

（3）河道形态与地形测量。传统野外测量方法主要通过全站仪、经纬仪、RTK等测绘仪器对研究河段进行人工测绘，但是河流形态多变，地形复杂，测量精度及测量区域受人为因素和自然条件约束较大，耗费时间长。近年来采用无人机技术航测技术，因其成本低、可操作性强、获取影像分辨率高等优点，是获取高分辨率低空影像数据的野外测量地形方式法。因此，野外河流实习可以采用大疆DJI无人机低空航测，获取河流景观、表面流场和河谷地形。

（4）河流水环境与水生态调查。当前河流生态保护与修复的理念正是河流动力学的本科生需要了解交叉学科知识，。单纯从书本上阅读相关知识，难以真正理解水环境改善的紧迫性和水生态修复的重要性。野外测量内容可包括：常规水质指标（水温、电导率、浑浊度、pH值、溶解性固体、悬浮性固体、总氮、总磷、总有机碳、生化需氧量、化学需氧量、叶绿素a等），水生植物和滨河植被调查（植物种类、植株高度，植被覆盖度，覆盖面积和植被物种多样性等），并作好标本取样，观测滨河植被群落与分布。若有科研需求，可以安排水生态调查，可包括浮游生物和、底栖动物和鱼类，具体内容包括种类组成分布，主要类群及优势种，总生物量及密度。水生态调查、取样和室内检测需要研究生指导和后续鉴定分析。

    每个小组约10人，负责一项实习观测任务，做好数据记录和整理，形成小组实习日志，要求图文并茂，具有可读性和科学性。

3  实习后工作任务

考察实习结束后，限定时间，要求每个小组提交一份考察成果报告及实习感受，也可以开展小组成果汇报与交流活动。成果报告一般包括：实习日程安排及任务、小组成员及分工、测量方法及仪器、原始数据及分析方法、主要结果及结论、和参考文献。成果报告要紧密结合授课所学河流动力学相关专业内容，并进行适当扩展，如水环境和水生态。实习感受主要是参加实习的见闻、收获与体会等。每位组员侧重不同的专题进行撰写，各组组长负责分工，最终合成一份完成高质量的实习报告。

4  考察实习的教学经验

根据近年笔者带考察实习的实践教学经历，总结如4点教学经验：（1）本科生实习兼顾科研任务能够吸引学生兴趣，调动学生积极性，增强学生的责任心；（2）对于部分即将进入研究生阶段的学生，考察实习和野外测量所掌握仪器与观测方法，有助于提高实际动手能力；（3）考察实习附带的科研任务，形成获取观测数据，安排即将读研的学生撰写中文论文，有利于提前锻炼他们分析数据，制作图表和文字表达能力；（4）考察实习有助于增进学生们对河流认识与科研热爱，为后续研究生科研阶段打下一定基础和将来职业发展打下一定基础和做好做好一些铺垫。

三、总结

通过对野外考察的实践教学的总结和探索思考，逐渐形成了河流动力学课程实习的新模式：教师将科研课题任务融入实习教学中，做到具体指导、全程参与、严格要求和注重成效，确保实习有内涵、有深度和有意义，高质量地完成实习目标和兼顾科研任务，进一步增强课程实习教学环节在河流动力学专业方向的创新型人才培养和科研素养培育中的重要作用。

河流动力学课程实习新模式的特色之处在于，引入当前大江大河生态保护的新理念，在实习地点设置科研任务，引导毕业本科生主动参与河流原型观测和生态采样等实践工作活动，提升野外实习的积极性趣味性和获得感，增长本科生的河流知认识，了解河流地貌与水生态现状，更好适应未来研究生学习和就业岗位。同时，结合当前教师正开展的科研任务，吸引众多学生投入其中，体验认识河流的重要性，观测河流的最新技术和保护河流生态的责任感。而且，让大四本科生通过野外专业实习，提前接触河流水文观测方法与技术，有利于增长毕业生的学术兴趣和科研能力，值得其它工科专业的专业实习推广与借鉴。

[参考文献]

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[9]王海娟，姜海波，李淼. 工科专业本科毕业实习实践教学改革研究—以石河子大学水利水电工程专业为例[J]. 教育教学论坛, 2018, (7): 153-154.

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[11]管东生，汤叶涛，彭逸生. 生态学课程野外实习教学改革和实习基地建设探讨—以本科环境科学专业为例[J]. 高教论坛, 2017, (12): 18-20.

Practical exploration and new model of river dynamics course practice on river dynamics

Li Zhiwei, Zhou Meirong, Deng Shanshan, Xia Junqiang

(1. School of water Water resources Resources and hydropowerHydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072)

Abstract: cCourse practice is an important linkage in the practical teaching and talent training of river dynamics specialty. It Course practice activity is an vitalimportant way to understand, comprehendunderstand and observe rivers. At present, there are many common problems in the river cognition practice of undergraduates majoring in port, waterway and coastal engineering in water conservancy colleges, such as more visits and lectures, low active participation and less scientific research connotation. To solve these long-term accumulated problems, we need to actively set up river field observation tasks in combination with current research topics, organize undergraduates  to actually operate instruments and equipments, obtain first-hand data, sort out and analyze data, and write the high-quality practice report. This new model is expected to achieve the mutual promotion of course practice and scientific research.

Key words: Course practice; Practical teaching; Personnel training; Field observation; River dynamics