实验课程设计原则

为了培养山洪泥石流预警预报方面的复合型人才，南京信息工程大学水文与水资源工程专业和大气科学专业开设了《山洪泥石流预警预报》专业特色课程，其中暴雨山洪灾害的发生与防治是重要的实验项目，重点讲授山洪灾害发生的成因与机理、山洪防治的措施，实际实验中，只能对暴雨山洪进行前期的降雨测量、土壤湿度测量、河流水位流量测量的实验，而具体的山洪防治训练只能在野外空讲，很难培养具有实践动手能力的山洪防治人才，而本虚拟防治实验可以高效、精准培养学生山洪灾害防治实践的能力，实用性强。

1）前沿科研成果反哺实践教学，核心技术先进

该项目充分考虑当代大学生的成长特点和知识需求点，精心构思与设计了各个实验模块和环节，基于多年的暴雨山洪的实测数据，利用前沿科研成果反哺实践教学，采用高精度暴雨山洪模拟技术、虚拟仿真技术、人机互动方式，解决了山洪灾害实践教学危险性大、实验不可还原等难题，有利于培育山洪防治方面的人才。

2）基础理论与实践能力融合发展，创新人才培养模式，育人理念先进

本实验项目充分学习当前教育由以“教”为主转为“学”为主的改革方向。克服了教学模式的“僵化”应用，利用项目化教学模式，将理论研究与实践紧密结合，学生从模拟的视角对理论知识进行分析研究，将理论基础知识向教学实践中转化与应用，使探索性理论研究具有可操作性，促进了基础理论与实践能力的融合发展，开创了创新的人才培养模式，提升了学生的工程实践能力，增强了学生的创新创造能力，实现了一体化研究。最终达到知识传授、能力提高、视野拓宽的目的。

3）融合课程思政，立德树人，教育理念先进

将社会责任、职业道德等课程思政要素植入了实验仿真虚拟项目，让学生身临其境地感受暴雨山洪灾害的危险程度，触发了学生对自然灾害的敬畏以及科学严谨的工匠精神，并将正确的价值追求、理想信念和国家情怀有效地传递给学生，真正将立德树人融入到教学的全过程。

实验课程目标

本实验结合水文与水资源工程专业、大气科学（水文气象）培养方案的要求，根据本专业特色专业主干课程《山洪泥石流预警预报》的关键知识点，梳理出从“典型认知”—“综合训练”—“系统探索”三个层次的实验。

（1）通过暴雨山洪灾害的山洪灾害认知学习模块，帮助学生掌握暴雨山洪灾害发生的过程和原理。

帮助学生掌握暴雨山洪灾害发生的外部环境、重要过程、各过程的原理，采用虚拟现实的学习方式，帮助学生深入了解山洪发生的降雨过程、蒸散发过程、下渗过程、坡面汇流及河网汇流过程的基本原理，为系统综合实验奠定基础；

（2）通过水文气象条件设计的综合训练，显著提高学生理解不同水文气象条件对山洪灾害发生综合影响程度的能力。

学生根据自己前期的理解水平，根据暴雨山洪灾害发生的影响因素，采用对照与参数控制法，学生通过控制降雨历时、降雨强度、前期土壤含水量、前期河道流量等关键水文气象因素，理解不同因素对暴雨山洪灾害的影响程度。

（3）通过山洪灾害防治措施的综合训练，探索不同暴雨山洪防治措施的异动与防治效果，提高学生实际山洪防治的能力与水平，培养学生自主创新设计的能力。

在山洪灾害防治措施设计模块，系统随机给学生分配一种水文气象条件，学生自主设计与修改防治措施参数，探索不同植树造林措施、不同拦水坝类型、不同泄洪道对山洪灾害的防治效果与异同，最后分析归纳出不同防治措施的优缺点，并将这些实验结果应用并下一实验环节-山洪灾害综合防治设计-中去，自主设计一套防洪效果最佳的山洪防治措施。

课程要求

（1）专业与年级要求

水文与水资源工程、大气科学（水文气象方向）本科专业二年级、三年级学生。

（2）基本知识和能力要求

具有水文学、水利工程概论、山洪泥石流预警预报等基础与常识，具备统计分析和仪器操作能力。

本实验项目，既适用于在校专业学生，也可适用于相关专业学生、水利、气象、地质等研究与管理部门的技术人员，或从事与水文气象灾害相关的人员。从已使用过的学生反馈的情况来看，均能达到预期目标，具有比较好的学习效果。

实验重点与难点

本实验所在课程共有8学时的实验内容、3个实验项目，包括雨量与土壤湿度监测、水位与流量监测、山洪灾害成因与防治，目前主要通过野外实地测量与虚拟仿真实验相结合的方式培养学生实践能力，其中后两个实验环节由于其高危险性与不可重复性，无法在实验室或者野外实践进行，主要通过本虚拟仿真教学系统来实现，让学生自主研究山洪发生的特点和规律，并采取综合山洪防治对策，最大限度地削弱山洪灾害损失。

实验流程与实验方法如下图所示，指导教师可根据环节内容和教学方法指导学生完成。实验的重点在于让学生有不同气象要素对山洪的影响机理和山洪防护设计的总体思路和方法，培养学生的总结分析和探索创新能力。整个实验的难点在于：

1、 在第二环节规律性探究中，学生要对山洪灾害发生规律的总结部分，学生要掌握不同水文气象要素参数的变化对山洪灾害发生影响程度的异同。

在第三四环节的设计中，要引导学生利用第三环节的不同防治措施的山洪防治效果数据开展分析，并引导学生在第四环节中设计一套综合的山洪防治方案

实验分为四个阶段，依次引导学生完成，注意每个阶段采用的实验方法，如下图所示。

教学手段

电子课件、电子教案、知识角、教学视频等材料辅助教学，通过虚拟仿真平台完成实验教学。

成绩考核

  本实验针对考核点设计了实验成绩评价模型。以该模型为基础，系统可分别针对学生实验环节的完成情况自动评分。实验总分为100分，既考核山洪原理掌握程度，又考核实验操作过程，还针对山洪防治方案设计的优劣进行评定，实现了知识理解度、操作合理性、方案设计优劣性三位一体的综合考评体系，实现对本实验原理理解、过程训练、探索设计、课后数据深度分析的全覆盖。每个实验环节的实验成绩评价标准如下：