基于科研成果的高校地貌水文学开放实验设计分析

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：以科研促教学提升本科教学质量，在一流学科和一流专业的“双一流”建设中发挥重要作用。本文依托获批的国家级和省级科研项目，利用初步研究成果，结合地貌学、水文学的内容，设计了面向地理科学大类专业学生的开放实验。通过实验操作，激发兴趣，培养学生对特定地貌水文现象的分析理解能力，树立科研意识，以期实现教科协同育人的培养目标。
　　关键词：科研成果;地貌水文学;开放实验设计
　　中图分类号：G64 文献标识码：A
　　作为部门自然地理学的重要组成部分，《地貌学与水文学》是地理科学专业本科生必修的一门专业基础课程，共分为《地貌学》和《水文学》两部分。其中，《地貌学》重点讲述地球表面各种地貌的形态、演变过程、成因及空间分布规律;《水文学》重点讲述地球上各种水体的水文、水循环过程以及人类活动对水循环的影响。因此，《地貌学与水文学》的是后续《综合自然地理学》等核心课程学习的基础之一，在地理科学本科生的专业知识培养、地学思维的建立、以及野外调研和室内试验技能提升发挥重要的作用。
　　1 开放实验教学的现实意义
　　实践教学是创造条件使学生理论联系实际，通过动手动脑过心，不论是室内实验室活动，还是野外实习，都是在教学过程中培养并实现学生创新能力和实践能力的目标。课堂上教师的教学内容通常以学科发展历程，重要基础理论和一般规律的讲授为主，其主要特点是对复杂地貌学和水文学的现象和变化特征做抽象化、符号化的表达。但是与其他自然科学一样，地球系统科学具有组成物质的复杂性、演变特征的空间差异性、变化规律的周期性和穿时性、不同控制因子的非线性和协同性等变化属性。因此，将系统化和条例化的理论知识内化为指导现实自然地理现象的认知与理解，迫切需要开展在实践过程中的观察、分析与验证的实验教学活动。目前高等本科学校传统的《地貌学与水文学》实践教学活动包括课程的实验科目和短途的野外地貌、水文现象的考察和识别两部分。其中，课程的实验科目在教学内容、教学目标和教学学时有严格的要求，由于学校相关教学资源和条件的限制，实验科目大多以演示性与简单验证性为主，涉及综合性实验的科目相对较少。另外，有限的实习经费和不断高涨的差旅费、门票费用极大地制约了短途野外地貌水文教学活动的开展。
　　为此，以教师主持的科研项目或课题为切入点，结合地貌水文课程的教学内容，开设面向地理科学相关专业的开放实验课程，能够兼顾特定科研活动的开展和学生动手能力的协同培养，不失为一种成本较低，且具有较高可行性的有效途径。当前以科研促进教学，以高水平的科研成果提升本科教学质量，在一流学科和一流专业的“双一流”建设中发挥愈发重要的作用。笔者以获批的国家自然科学基金（41301101）和省级科技厅的科研专项课题（2016KJXX-41）为依托，使用立项的研究课题获得的初步实验成果，结合《地貌学与水文学》的研究对象与内容，设计了面向地理科学大类专业的本科生开放实验，旨在通过实验室完整的科学研究范式，培养学生对特定地貌水文现象及作用过程的分析理解能力，激发学生研究兴趣，初步建立开展科学研究的能力与意识。以期实现科研与教学相长的人才培养目的。
　　2 科研项目成果促进实践教学的案例分析
　　水文条件是地表流水地貌形成的主要驱动因子，同时水分的赋存状态决定了土壤层中的潜水与地表水之间密切的联系特征。植被特别是森林在水循环过程中发挥着重要的作用。本文列举的开放实验课程案例的探究目标为，分析树木径向生长的气候响应特征差异与河流地貌的河岸调节作用的关系。具体流程包括以下部分：
　　（1）实验数据：利用国家自然基金和省级基金课题采集到的内蒙古呼伦贝尔沙地的天然樟子松三组树木年轮样芯，分别记为HLBE、NGNE和BRT02，其中HLBE组树木生长在距离呼伦贝尔沙地内主要河流-伊敏河下游沿岸1.5km的范围，而NGNE和BRT02组树木距伊敏河上游河岸30km之外的立地。选取流域内海拉尔气象站和阿尔山气象站1953-2008年时段的多年逐月平均温度和月降水量气象数据。水文数据为伊敏河下游海拉尔水文站1956-2006年逐年径流总量。
　　（2）实验条件：Lintab6树轮宽度测量仪、SPSS和EXCEL统计软件。
　　（3）实验过程：使用Lintab6测量三组样本HLBE、NGNE和BRT02分别为40样芯、67样芯和35样芯。利用专业软件进行年代确定和树轮年表研制。使用相关系数方法查明树木年轮变化与主要月份平均温度和降水量的响应模式。分析温度和降水量的多年逐月的分布特征，年径流量的多年变化趋势与年降水量和夏季降水量的异同。
　　（4）实验结果与分析：温度和降水量的多年逐月的分布特征主要为夏季6-8月高温与高降水量同步，表明研究区域具有典型的東亚季风的雨热同期的气候。年径流总量与同期年降水总量、夏季6-8月降水总量有一致的逐年变化趋势，表明研究区域河流水量变化以降水补给为主。树木生长响应出现两种特征，其中HLBE组与上年冬季和当年春季降水显著正相关、与春季4月和初夏6月温度显著负相关;而NGNE和BRT02组与夏季降水正相关、与春季4月、夏季6-8月温度显著负相关。三组树木生长响应发生不同特征归因于地表径流的河岸调节，即在靠近江河等地表水体的地区，地下潜水常以潜水流的形式向这些水体汇集，成为地表径流的重要补给水源。特别在枯水季节，降水稀少，许多河流依赖地下潜水的补给，以至河川径流过程，成为地下潜水的出流过程。但在夏天雨季来临，洪水期多发，河流水位高于地下潜水位，潜水流的水力坡度形成倒比降，于是河水向两岸松散沉积物中渗透，补给地下潜水。汛期过后，河流水位回落，贮存在河床两岸的地下水，重又回归河流。这种调节过程通常经历整个汛期，并具有周期性规律，通常距离河流愈近，潜水位的变幅愈大，河岸调节作用愈明显。在平原地区，这种调节作用影响的范围可向两岸延伸1-2公里。因此本实验三组样本的响应差异得以阐述清楚。
　　（5）实验结论：夏季洪汛期径流河岸调节作用仅对距河较近的HLBE组有显著影响，而对距河较远的NGNE和BRT02组树木无明显影响。基于河流远近不同立地位置的树木径向生长响应关系，能够揭示丰枯水期河岸潜水与径流的水力作用关系。
　　3 开放实验的后续效果
　　开放实验的分析结果建立了河流地貌的水情、河流地表径流与沿岸潜水的交互作用关系及其对树木生长与气候因子响应关系的限制作用。本次开放实验案例能够通过科研活动的数据成果，结合地貌学和水文学的相关联系，训练学生的实验室数据获取，培养启发实验现象差异成因的分析逻辑，树立了学生能够基于数据结果实证检验项目研究区域的径流河岸调节作用规律，为后续的相关创新创业活动提供了良好的基础。参加过本次开放实验的15名本科生，利用掌握的树木年代学与水文气候要素的交互关系等理论知识和基本实践技能，获批省级大学生创新创业课题1项，校级和院级本科生科研课题2项。来实验室了解、咨询并参与在研项目的本科生逐渐增多，表明教师的科研活动取得的数据成果，在促进本科生专业课程实践教学活动中能够发挥积极的促进作用。参与开放实验课程的学生能够了解书本的理论知识与实验室科研活动的关系，在研究兴趣的提升和初步研究技能的积累方面均有收益的获得感。因此，鼓励激发从业教师积极提炼自己的研究课题成果，设计融合本科生所学相关课程基本理论的开放实验课程，实现教研相长在今后的实践教学方面有很大的提升空间和潜力。
　　参考文献：
　　[1]黄锡荃.水文学[M].北京：高等教育出版社，2017.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14765645.htm