結合編程計算的《工程水文學》教學改革

周凱

摘要：工程水文學中很多手工計算方法繁復費時，學生普遍感覺深奧難懂。為解決這個問題，提出與編程計算相結合的教學方法，并論證該教學方法的必要性和實施辦法，討論實施中會遇到的問題和解決方法，使學生能掌握該門課程的知識點，并提高學生動手解決實際問題的能力。

關鍵詞：工程水文學 編程 教學方法

工程水文學是水利工程學科港口航道與海岸工程專業的一門重要的專業基礎課程。它是水文學的一個分支，研究地球上各種水體（江、河、湖、海）的存在、循環和分布，化學和物理性質以及它們對環境的影響的一門科學。為工程規劃設計、施工建設及運行管理各個環節提供水文依據，包括有關控制或利用河川和海洋資源所建造的工程。工程水文學在河流的開發、利用與治理以及港口與航道工程建設中起著重要的作用[1]。同樣，對給排水工程、水務工程等專業學生的綜合素質和實踐能力也具有重要作用[2]，有些高校也把其作為這些專業的必修課。這門課程不論是對促進高校的學科交叉，還是擴大學生今后的就業面都具有重要的意義。

工程水文學主要包括河川水文學和海洋水文學兩大部分，包括緒論、河川水文基礎知識、河川水文測驗、水文統計基礎知識、河道工程設計水位及流量推求、海浪、潮汐、近岸海流。主要任務是水文分析計算和水文預報兩方面，研究方法有成因方法和數理統計方法[1]。水文現象是多種因素綜合作用下不斷變化的過程，帶有隨機性，水文參數可看作隨機變量，因而研究中大量地應用概率論和數理統計方法。

一、結合編程教學的必要性

工程水文學在港口、航道與海岸工程專業課程體系中起著承上啟下的作用，既對高等數學、水力學、概率論與數理統計等課程進行應用，又為港口工程、航道工程等專業課打下基礎。但在教學實踐中，學生普遍對有實際應用背景的內容感興趣，一部分學生只對專業主干課程感興趣，而對工程水文學看不到的實際用處，缺乏重視和學習積極性低。

課程中有很多計算方法（比如求矩適線

法、風浪要素的推求、波浪折射圖的繪制等），需要查圖查表然后手工計算。一則手工計算方法存在主觀判斷的因素，每個人得出的結果不完全相同，容易導致人為誤差。再則手工計算方法往往費時費力，即使熟練掌握，一個案例做下來要個把小時甚至更長時間。學生做案例習題的時候，做過一次永遠不想再做第二次。三則在考試環節，考試時間通常只有兩個小時，很難有充足的時間對這些手工計算方法的掌握進行完整考察。

工程水文學的特點是以大量水文數據為基礎，處理數據本身比較枯燥。而由數據形成的圖、表和經驗公式，既繁瑣又抽象。學生普遍感覺就是“難”，對其學習容易失去信心，教學效果差。導致在后續學習主干課程時，基礎知識不牢固，還要“返工”，回頭解釋之前基礎課里面的內容，這些問題都亟待解決。而解決這一問題的方法就是在工程水文學教學中結合計算機編程計算。在現在計算機技術如此普及的時代，這些繁瑣的手工計算過程更加顯得效率低下。高效、直觀的計算機技術，不僅快速算出結果，還消除手工計算中的主觀性。此外，能讓學生之前所學的編程知識學以致用，提高其學習興趣。因此，對工程水文學中復雜抽象的計算過程，編程電算化是良好解決方案，也十分必要。

二、實施步驟與可行性

（一）具體步驟

首先調研行業內計算軟件現狀，了解編程這些軟件所用語言和功能;然后根據實際情況確定開發語言和目標;其次，在學生中組建小組，通過講解、討論、實踐的過程編寫程序;再次，把軟件用回課堂教學觀察其效果，并改進;最后，完成教學改革并總結成果。

（二）可行性

計算機編程和計算平臺[3-4]。有EXCEL、

MAPLE、MATLAB等強大并且功能豐富的可視化數據處理工具，并且學校在低年級普遍開設了VB、C、VC++等編程類課程，學生具備編程基礎。

學生感興趣。編程類課程中的練習題，一般是數組求和、排序等與專業背景聯系不密切的案例，學生上完課對這些所學知識應用的機會也很少。剛剛走入編程世界的大門，有強烈使用這些使用這些工具的愿望。如同剛學會開車，特別有想開車的愿望，讓其對工程計算編程剛好滿足其心理。

學生課余時間較多。港口、航道與海岸工程專業高年級課程負擔較少，有充足的課余時間對編程進行研究討論。

教學條件良好。學院有自己的機房，投影、教學軟件、計算軟件等教學設備都比較齊備，方便安排上機實習。

學校的支持，學校多年大力支持教學改革和創新。

三、遇到的困難與解決方法

1.增加編程內容，提高了課程難度，并不是所有學生都有興趣、有能力完成。學生剛剛學過編程類課程，讓其在這門課中應用，這本身可以提高其學習興趣。課堂上以完整的程序進行演示講解的教學為主，理解吸收難度較低;課后興趣小組以討論和編寫程序為主，提高其動手和實踐能力。

2.工程水文學學時較少，本身只有24課時，很難在這么少的課堂教學時間中，完成大量內容的講授。為解決這一問題：首先，課堂教學中要對內容進行取舍。重新梳理課程中的內容，分清主要知識點與次要知識點，突出重點[5]。對一個問題的行業規范推薦方法、常用方法重點講授，對不常用的理論和方法，一語帶過或者改為課下自學;其次，更多地利用課外時間。以編程愛好活動小組形式組織，每個小組獨立討論，可對同一案例采取多種不同解決路線。對積極參與和完成效果較好的學生給予成績上的獎勵;再次，調整今后專業培養方案。合理增加課程課時，增設課程設計、實踐環節，使工程水文學這門課程更加完善和豐滿。

3.缺少實踐環節?？梢蚤_設專門的上機實習課時，對EXCEL、MAPLE、MATLAB等工具進行講解。增加實踐環節，可以提高學生對所學知識的綜合運用能力，對課堂所學的計算方法有更深層次的理解，不僅鞏固了知識點，而且增強了動手解決實際問題的能力。

四、結語

工程水文學其研究方法是以實測數據為基礎，存在許多經驗公式和表格、曲線，需要大量的手工計算，其特點非常適合結合編程來學習，用計算機輔助計算有其必要性。并且，從學校和學生的角度分析，也都具備把編程融入教學的條件和可行性。

通過把編程計算融入工程水文學的教學，將繁瑣的手工計算方法電算化，不僅節省大量時間，而且激發學生學習興趣。在這個過程中還能讓學生對所學的知識點融會貫通，有更深層的理解。對于解決問題的方法不能因循守舊，應善于使用新的技術解決實際問題，這對工科學生尤其重要。

參考文獻：

[1]邱大洪.工程水文學（第四版）[M].北京： 人民交通出版社，2011：5.

[2]李國芳.抓住課程特點，提高課堂教學質量——以“工程水文學”為例[J].科教導刊：中旬刊，2011（12）：86-88.

[3]徐冬梅.“工程水文學”課程教學改革探討[J].科教文匯：下旬刊，2010（1）：114-134.

[4]楊海清，周小平.“工程水文學”選修課程教學方法探討[J].中國電力教育，2013（7）：123-124.

[5]賴克龍.水利中專工程水文學教學的特點[J].長江水利教育，1997（3）：23-24.

（責編 張宇）