面向复合型水利人才培养的“生态水力学”课程建设研究

［摘 要］ 党的十八大以来，在“生态文明建设”“碳达峰碳中和”“黄河流域生态保护和高质量发展”以及“长江经济带高质量发展”等国家战略的指导下，面向清洁能源发展与生态环境保护的复合型水利专业人才需求，对水利专业课程教学内容与教学方法提出了更高和更新的要求。以培养具有电力特色的复合型水利人才目标为导向，详细阐述了生态水力学的学科发展与学科内涵，深入讨论了课程思政、教学设想等方面的内容，探索了“生态水力学”课程的建设思路，对促进课程教学效果、提升复合型水利人才素质具有重要参考价值。

［关键词］ 人才培养；生态水力学；课程建设；水利工程

［基金项目］ 2023年度华北电力大学“双一流”学科建设本科人才培养“水文专业建设”（XM2312343）；2024年度教育部产学合作协同育人项目“虚拟仿真教学在水环境保护课程中的应用”（240801665071319）

［作者简介］ 唐彩红（1992—），女，重庆人，博士，华北电力大学水利与水电工程学院副教授，硕士生导师，主要从事水利工程生态环境效应研究；张尚弘（1977—），男，甘肃古浪人，博士，华北电力大学水利与水电工程学院院长，教授，博士生导师（通信作者），主要从事流域生态环境影响及模拟研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）03-0057-04 ［收稿日期］ 2023-11-30

引言

近年来，我国干旱缺水、洪涝灾害、水土流失和水环境恶化等水问题还很突出，水资源利用、水电工程管理以及水生态环境保护与修复任务非常繁重。习近平总书记主持召开进一步推动长江经济带高质量发展座谈会时强调：“坚持共抓大保护、不搞大开发。”［1］在此讲话精神的指示下，高技能、创新型、复合型水利人才尤为紧缺，亟须培养大批既懂工程规划设计，又懂水资源调配、水务管理、生态环境保护和现代信息化技术的水利工程复合型人才。

生态水力学是研究水动力学和水生生态系统动力学之间相互作用关系的交叉学科，是传统水利学科在不断发展过程中，融合水生生命体的新兴学科［2］，其内容涵盖水文学、水利学、水力学、环境科学、生态学、地理学等多学科知识。传统水力学主要研究水与水工建筑物之间的基础动力过程，相较而言，生态水力学则是研究水与生态过程之间的动力过程，生态水力学在传统水力学基础上考虑了生物以及生物与水流条件的互馈作用，是传统水力学的延伸与发展，因此更为复杂［3］。其目的在于提高人类对河流、湖泊、滨海、海洋等水域生态环境保护的认识，以及为水环境治理与水生态修复工程提供科学指导。

一、复合型水利人才培养体系

华北电力大学水利专业起源于2003年，设有水文与水资源工程、水利水电工程两个本科专业，拥有“水利工程”一级学科博士、硕士授予权和博士后科研流动站，以及“土木水利”专业学位硕士授予权和“水利工程+工商管理”双学士学位复合型人才培养项目。其中，水利工程一级学科下“水文与水资源工程”入选国家和北京市一流本科专业，“水利与水电工程”入选北京市一流本科专业。经过20年的发展，华北电力大学水利学科已成功建立了“本—硕—博—博士后”贯通式人才培养体系，并获得多项教育教学荣誉与奖励。

华北电力大学依靠能源电力科学与工程“双一流”学科群的优势，积极响应国家清洁能源人才需求，创建了“水利+能源电力+生态环境”的复合型人才培养体系。依托新能源电力系统国家重点实验室、资源环境系统优化教育部重点实验室以及水利与水电工程学院虚拟仿真实验教学中心等科研平台，在课程上打通院系壁垒和专业门槛，与电力系统、能源环境、风能、太阳能、生物质等专业联合，培养既懂能源电力又懂生态环境的复合型水利人才。

二、生态水力学学科内涵

生态水力学学科经历了较长时间的发展，已经形成了具有较为可靠认同的理论框架和方法体系，研究内容包括大型底栖动物、浮游植物、浮游动物、水生植被、鱼类等水生生物，针对河湖、滨海等水域环境不同，其研究角度涵盖物种、种群、群落以及生态系统［4］；研究方法包括原型观测、模型试验、室内实验和模型模拟，其中原型观测是生态水力学研究的基础。

在气候变化、大坝建设等外界胁迫下，水生态系统物理生境环境和水生生物种群与群落结构将发生变化。拦河筑坝是河流水生态系统遭受人类活动的最大干扰，大坝建设在极大地促进了流域经济与社会发展的同时，也阻隔了河流自然连通状态，改变了河流水文、水温情势，导致河流关键生源要素和生物交换的减弱，影响鱼类洄游，对水生态系统的健康稳定产生了一定影响。在人类活动影响下，水生态系统中的生态水力学问题主要集中在流速场、压力场、温度场和浓度场的改变对敏感水生生物、典型水生生物生长繁殖的选择性和适应性［5］。

鱼类处于水生态系统食物链的顶端，其群落结构又与所处的水域生态环境密切相关，因而是生态水力学研究中的重要种群。此外，大坝建设影响最大的是重要鱼类，如长江流域的长江鲟、中华鲟、胭脂鱼、圆口铜鱼等国家保护鱼类和濒危鱼类，以及四大家鱼、刀鲚等洄游鱼类和重要经济鱼类，长江干流的乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝6座梯级水电站的建设对水文情势、水动力条件、河道形态、岸线类型、植被覆盖、水系连通等生境条件影响，以及库区水体富营养化、水温分层等现象，进一步导致的鱼类的索饵场、越冬场和产卵场的适宜性演变规律，乃至其种群大小、分布以及鱼类多样性演变都是研究重点［6-7］。

水生植被可改善水质、增强光合作用、固碳等，可为鱼类、底栖动物和鸟类等其他动物提供食物及栖息地，是水生态系统中的重要一环。生长于库区消落带的典型河岸带植被也是大坝建设的重要水生生物，评估大坝建设导致的植被栖息地适宜性和灭绝风险也受到广泛关注，如云南澜沧江漫湾水电站的建设，淹没了库区土著种水杨柳的原有栖息地，使得区域水杨柳具有较高的生态风险。湖泊及滨海湿地的水生植被对氮磷去除、防风固岸、提供食源和栖息地以及水生态环境修复工程具有重要意义。

浮游生物是重要的生产者，可反映水体富营养化状况，当水体氮磷等营养物质过剩时会导致藻类大量繁殖形成藻华，尤其是大坝建设后库区水流减缓、营养物质堆积，导致藻华更容易发生，藻类随水流的生长动力学过程及种群监测是库区水体质量监测与评估的重要内容。大型底栖动物处于水生态系统食物链的中间环节，既能作为分解者取食有机物颗粒和凋落物，同时还是鱼类及蟹类的优质食物来源，是水生态系统重要组成部分。

三、教学设想

（一）“生态水力学”教学体系建立

通过“生态水力学”课程的教学，期待达到以下教学目标：（1）了解生态学中生物个体、种群、群落的基本概念以及其相互之间的作用；（2）掌握水动力条件与水生态系统的相互作用机理，如水深、流速等水动力参数如何影响水生生物的栖息环境和产卵场；（3）掌握生态水力学模型的基本概念及其计算流程，能够判定某一环境是否适合生物栖息生长，以及特定生物的理想生境条件；（4）了解基于生态水力学的生态修复方法与工程措施。

针对复合型水利人才培养的目标和特点，围绕复合型水利人才培养实际需求，综合应用课程理论教学、野外实践教学、数值模拟软件、实验水槽参观等方式，强化全过程特色，构建理论、实践相结合的交叉学科教学体系。以全面提升学生创新精神和实践能力为宗旨，提炼思政元素，拓宽水利类专业学生获取知识信息资源的渠道，提高其就业和深造领域，培养具有创新精神、创新能力的复合型水利人才。

（二）思政元素凝练

课程思政是落实立德树人根本任务的重要举措，通过课程思政建设，将价值观融入专业知识的教学过程和能力培养中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观和价值观。“生态水力学”课程思政元素的提炼将以我国及世界悠久的水利史为导入，学习我国水利事业的悠久历史与艰苦朴素的精神以及习近平总书记关于治水的重要论述。

水利工程自古以来就是兴利除害的有效措施，水利事业的发展也见证了我国文明的发展历程。华夏文明最早起源于黄河流域，大禹治水是我国历史上首次针对水患灾害的水利工程，之后郑国渠、都江堰、京杭大运河等水利工程的建设是农业时代兴国利民的有效利器。新中国成立以来，1951年全面治理淮河，1958年丹江口水利枢纽开工，1960年新安江水电站开始发电，经过30万人10年的勤劳建设终于在1969年建成红旗渠，其“自力更生、艰苦创业、团结协作、无私奉献”的红旗渠精神响彻祖国大江南北；此后，葛洲坝枢纽、南水北调工程、溪洛渡、乌东德、白鹤滩、向家坝等大型水利工程无不彰显国之重器，无不体现水利人“功在当代、利在千秋”“功成不必在我、功成必定有我”的奉献精神［8-9］。

通过讲述我国水利事业“兴利除害、强国富民”的发展历史，以国家需求为导向，培养学生的水利认同感和求实创新、艰苦卓绝的探索精神。以黄河最后一个大坝小浪底水库调水调沙、三峡水库生态调度试验等实际水利工程生态举措为实例，结合长江经济带战略下长江禁渔、江豚保护以及水生生物多样性恢复等生态环境保护成效为切入点，深入讲述我国在水生态保护过程中的关键生态水力学过程和关键技术，培养学生创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念。

（三）教学与实践深度融合

除了课堂理论教学以外，通过指导学生参加中国“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、全国大学生水利创新设计大赛等水利与能源、生态环保交叉等相关学科创新创业竞赛，以及指导学生参与科研项目等实训，形成“学科竞赛+科研项目”渐进式教学与实践融合体系，强化和扩展课堂教学内容，培养学生既懂理论又懂实践以及发现问题、解决问题的能力，提升学生的综合素质。

除参与科研项目外，探索与水利生态环保相关企业合作，通过邀请企事业一线科学家、工程师及技术人员走进课堂，向学生介绍实际生态修复工程案例中的复杂难题，传授如何通过技术攻关解决实际问题，在此基础上，带领学生实地参观实践教学，了解课程理论在实际工程项目中的应用流程，将教学内容与科学研究、实际应用相结合，从产—学—研—用全过程教授课程内容，提升课程教学质量，提高学生深入思考和解决问题的能力。

（四）互动教学模式创建

传统本科生课程教学以多媒体幻灯片播放、教师讲授为主，按照教学大纲和教学任务进行分模块、分专题开展课堂教学。基于现有智慧教学和网络资源的丰富性与多样性，在课堂教学内容中引入和增加生态水力学相关学科前沿科研成果，补充和完善现有课程知识体系，增加课程内容深度和广度，同时增加视频、动画等计算机视觉效果，将生态水力学中的水流、泥沙/污染物、生物三者之间的相互作用关系用形象生动的形式展现，加深学生对于生态水力学专业知识的理解，同时培养和提升学生对生态水力学科研方向的兴趣。

此外，在课程教学中期，通过设置与课程内容相关的不同题目，让学生自主选择后查阅了解相关文献，并在课程后期的课堂上进行教师学生身份反转的翻转课堂，让每名学生依次在课堂上讲解所选择的小课题，其余学生和教师对其课堂内容、效果、表达方式及接收程度等方面进行提问、研讨并打分，打分结果则会占期末或平时成绩的一定比例。该教学模式将教学主体从教师变为学生，增加了学生的主动性，加强学生与教师的课堂交流互动，锻炼并提升学生自主查阅文献、幻灯片制作、课堂表达与展示能力。

（五）教学评价互馈机制建立

“生态水力学”课程为水利工程的专业选修课，“生态水力学”课程教学效果离不开学生对前期基础理论课程和专业核心课程等前置课程的掌握程度，以及对教学设计、教学模式等授课内容的学习和掌握效果。因此，在课程思政、互动式教学模式等方式的基础上，应及时了解和掌握学生的课程学习感受，建立畅通有效的学生评价和教师反馈方式，通过定期课程评价、作业反馈、问卷调查、学生讲课等形式，开展课程评价—反馈—再评价的教学改进路线，持续改进课程教学。