依托科研试验基地的农业水利工程专业研究性实验教学设计

骆文广， 陈 欢

（武汉大学a.水利水电学院；b.水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

0 引 言

开展全面素质教育是高校教育改革的重要战略方向［1-2］。近年来，围绕科研成果与教学结合，课堂学习与实践并重，知识积累能力与创新能力培养训练等目标进行了诸多教学改革探索，但对于实践性教学、特别是创新教学的定位还很不明晰，尤其对于实践性试验教学内容的研究仍然相对缺乏［3-4］。我国高等院校农业水利工程专业是研究农业水利工程领域的相关学科，其目的是培养卓越的创新精神、实践能力和国际视野的水利类通用型高级人才［5］。该专业以灌溉排水工程为教学核心，但受教学条件以及科研环境等诸多因素影响，灌溉排水工程教学活动中实践教学环节多以参观实习等形式开展，不能实现系统性农田灌溉排水工程实践的教学，也无法展开较为全面的实践性实验教学。

我校为探索我国长江中下游地区农业水循环和水土环境演变规律，研究开发适合于该地区现代农业生产方式的现代农业水利技术与管理模式，在我国粮食主产区、长江中下游江汉平原兴建了中国农谷屈家岭科研试验基地。该基地以“中国农谷”核心区屈家岭管理区（国营五三农场）为依托，通过先进科研仪器辅助开展现代农业水利技术研究工作，其内部基础条件符合农业水利工程专业的实践实验教学。因此，本文通过探讨依托科研试验基地开展研究性实验教学的可行性，阐述研究性教学实验的重大目标，设计合理的研究性实践教学实验内容，以期丰富农业水利工程专业灌溉排水工程实践知识的培养途径。

1 研究性教学实验的可行性

1.1 试验基地基础条件

武汉大学屈家岭科研试验基地位于湖北省荆门市屈家岭管理区，地理位置东经112°51′5″，北纬30°51′30″，平均海拔35 m，距离管理区政府所在地约3 km（见图1）。基地自主管理区域7.2 hm2（108 亩，见图2），扩大监测区域200 hm2（3 000 亩）。试验基地研究适应长江中下游地区和现代农业生产方式的现代农业水利技术，开展包括农业水循环、作物需耗水、节水灌溉、农田排水、作物水肥管理、农业面源污染控制、土壤环境、设施农业、人工湿地、智慧水利、智慧农业等农业水利学科主要方向的野外观测和科学研究，具有非常典型的学科代表性。

图1 武汉大学屈家岭科研试验基地的位置示意

图2 武汉大学屈家岭科研试验基地

试验基地配备了气象观测、农田小气候、水土作物理化分析、土壤水、地下水、地表水定位监测、植物生理生态、灌溉排水机械、数据管理、农业机具、交通运输、实验办公和信息采集与管理等12 个类别、数百台总价1 500 余万元的实验设备，可针对现代农业水利问题的复杂性和新要求开展多学科交叉的农业水利基础理论研究，揭示现代农业生产方式下的农田耗水机理及现代农业生产方式下长江中下游地区农业水循环的变化过程。试验基地目前已经可以提供长时间系列、定点的第一手观测实验数据。

由此可见，该基地基础设施条件已经满足农业水利工程专业对农田灌溉工程的综合生产实习等实践教学需要，可用于进一步强化学生将理论知识应用于实践的能力，并检验学生对理论知识消化的情况。通过在试验基地开设教学实践实验课程，开展学生的学-用-做相结合体验式的实践教学环节，可以使其充分认知农田灌溉工程的概念，深刻体会理论知识与实践相结合的乐趣，极大提高学生的实践能力。

1.2 试验基地科研内容

试验基地内可综合运用微气象学、作物生理学、农学、水利学、遥感等学科基础理论，针对我国长江中下游地区主要作物水稻在植株、田间、区域等不同空间尺度及不同时间尺度的需水、耗水机理与作物水-产量关系，通过水稻试验田蒸发蒸腾量计算理论与方法和实时监测技术，探求农田高效用水机制，为我国水资源高效利用提供理论技术支持。试验基地内科研仪器可长期观测的内容包括：作物从叶片到区域的多尺度蒸发蒸腾量、灌溉排水量、农田水肥管理、叶面积指数、株高、茎粗、干物质量、籽粒产量、光合特性等生理生态指标以及对氮、磷、钾等养分的吸收量，土壤水、热、盐状况及土壤氮、磷、钾和含量以及农田地下水状态、大田及温室最高气温、最低气温、湿度、风速、太阳辐射、日照时数、气压等气象要素。

农田水稻作物生长周期内水循环过程，特别是单个田块见水量转换过程的观测，是农业水利工程专业学生重点学习的内容之一［6-7］。通过实地观测单个田块的作物根系层土壤中流、田间深层渗漏水量、田间地表积水蒸发和地表径流排水量等流出作物根系层边界的水量的实验观测过程，学生可以更加清晰地了解稻田作物生长过程中的水量交换规律，这一理论知识讲授和实验技能培训的结合能够进一步加强知识“学”与“用”的贯通［8-9］。在实践中将整个水稻作物生长过程中的耗水概念具象化，及时跟进作物生长各个环节中水量耗散情况，将课堂学习的理论知识用于实践指导学习，以理论联系实践并以实践加深对理论的理解与掌握，这样的教学方式能够激发学生的学习热情和探索欲望，有助于培养学生分析问题、解决问题的能力［10］。

本试验基地建设了21 块7 m ×8 m 水稻试验田［见图3（a）］，试验田之间以水泥田埂相互分隔，且全部试验田块均设置了灌排水量测量设施。同时，在每一个试验田的进水口安装了一个水表［见图3（b）］，通过分管闸门控制水田进水量；在试验田尾端出口处则安装了地下排水管道，将试验基地东、中、西3 个单元的7 块试验田排放水收集到尾水池，通过尾水池中三角堰以及水位监测器，测量每块试验田中平均排水量［见图3（c）］。

图3 试验基地水稻试验田基本情况

由此可见，通过试验基地内水稻试验田基本可以实现农田灌排水量的监测，直观认识农田内水量的时空变化。试验基地内还有其他科学仪器，可以辅助监测田间其他因素导致的水量变化，能够较为全面地辅助学生了解水稻生长周期内水量交换过程以及变化规律。这样既可提升农业水利工程专业教学质量，又将理论与实践创新结合，能够切实提高学生的实践技能。

2 研究性教学实验的意义和目的

随着我国科技水平发展速度越来越快，越来越多的科技手段运用到农业生产中，这就要求熟练掌握科学且精细的农田灌溉知识，这是农业水利工程开展实践教学活动的目的之一，也是新时代新工科发展的迫切需求［11］。研究性教学作为一种新的教学理念，对学生专业知识的培养具有重要的指导作用，符合实践教学的要求，可激发学生的学习内在动力，拓宽学生的科学视野，了解学科前沿的专业知识，初步掌握本专业的仪器设备使用，为以后学生在农业水利工程专业学习过程中增强自我创新意识、创新精神和创新能力奠定基础［12］。

对水稻田水量交换监测的研究性教学依托本专业基础知识，拓展专业特色，强调创设与现实相近的教学情境，并通过解决开放性问题，锻炼学生自我学习能力和思维创造力，特别是能够触发学生的学习激情和无穷兴趣，从而提高学生的学习积极性和主动性［9］。具体而言，结合科研试验基地水稻田水量交换的研究性教学内容，将水稻田水量具象化，根据其组成和功能不同分为外源水量变化以及田间自身水量变化两部分，指导学生通过专业实验设备，监测分析清楚每一部分水量的变化规律，将每一部分过程情景与专业课程知识串联，并以学生为中心，按照科学研究的模式来分析、解决这些问题［13］。因此，为了拓展农业水利工程专业学生的研究性教学途径和内容，本次研究基于武汉大学中国农谷试验基地已有试验条件，开展设计了在稻作生长期内进行试验田间水量观测的实验教学内容。通过具体的实践经历，达到认知南方稻作生产的田间水量转换观测系统的教学目的［14-15］。

2.1 认知田间水量转换的观测方法

基于试验基地内现有的研究性实验基础条件，通过让学生参与观测水稻生长期间外源水量变化要素即降雨量、灌溉水量、排水量、田间需水量，以及田间自身水量变化要素即腾发（植物蒸腾和棵间蒸发）、渗漏、植物生长耗水等，在了解和掌握农田灌溉基本概念的基础上，进一步认知田间水量组成部分及转换过程的规律。

2.2 掌握气象及蒸渗的仪器使用方法

试验基地内拥有观测基地小区域气象的自动观测系统。通过组织学生参观学习自动气象观测站的操作，以便其掌握基地小气象站自动观测气象的方法。另外，在基地试验田内还安装了一套高精度的蒸渗仪，可以自动监测稻田的蒸发和渗漏量。学生在参观学习该仪器操作后，可以掌握野外基地稻田试验田的蒸渗量。

2.3 了解水稻生长所需水量转换意义

在总结各组学生试验观测成果的基础上，解析田间水量转换的复杂性。组织学生学习农田作物需水耗水量的概念及内容，讨论农田水量转换与水稻生长期内耗水量的关系，以及稻田生产水管理的作用，加深学生对南方稻作生产田间水量转换意义的知识积累。

3 研究性实践教学的实验内容设计

3.1 教学实验内容

3.1.1 水稻试验田外源水量变化实验

（1）试验田的灌排水量监测。试验田块灌排水系统分为进水系统和排水系统两个部分，其中进水系统通过试验基地的泵房抽水管网输送水量，在进水实验中经由水表监测进水水量。在本实验教学中，需要实时记录每块试验田的水表水量变化值。

排水系统通过试验田块的排水管网与排水收集水池连通，排水量变化通过水池出口处三角堰量测。在本试验教学中，需要实时记录试验田排水过程中通过自动水位计实时记录的三角堰堰上水位变化值并使用相关数值计算排水流量量，最后统计出试验田排水水量。

（2）试验田间的储水量监测。试验田块土壤表层储水量的计算，主要是通过5 点监测法来量测田间水层水深，并根据试验田面积进行估算。在试验田的5点分别设置水位监测杆，并在监测杆上设置水位尺（见图4）。在本实验教学中，需要实时记录每块试验田的水层水位变化值。

图4 试验基地水稻试验田水位监测示意

3.1.2 水稻试验田自身水量变化试验

（1）试验基地气象监测。在试验基地设置了标准气象场，可以通过气象站收集到风向、风速、降雨、日照和蒸发等基础气象资料。这些气象数据通过GSM 自动传输传到基地数据处理服务器，由此得到人为可设时长的自动监测常规气象数据。小型气象站如图5 所示。在本实验教学中，需要了解各装置的气象收集功能，以及到基地数据处理中心学习和掌握气象资料数据库的功用，并收集本次实验教学中所需的气象资料。

图5 试验基地小型气象站

（2）试验田的蒸散量（即耗水量）监测。在试验基地安装了一台高精度的自动称重式蒸渗仪，可以模拟水稻生长环境。该系统通过计算机、数据采集器、控制卡、模拟量采集卡、通信模块以及数据采集软件，实现了田间蒸散量的自动采集工作，该采集设备如图6所示。在本实验教学中，需要采集到重量、土壤水势、渗漏量等数据，并了解其组成和作用。最后整理分析出本次实验教学中所需的试验田蒸散量资料。

图6 试验基地的高精度自动称重式蒸渗仪

3.1.3 水稻试验田水量交换分析

根据水稻试验田间水量守恒可知，水稻作物生长的田间耗水量满足如下关系：

水稻生长的田间耗水量＝灌水量（水表监测）＋降雨量（气象站监测）－排水量（三角堰监测）－田间储水量（田间水位尺监测）－自然蒸发量（气象站监测）－土壤渗透量（高精度蒸渗仪监测）。

水稻作物的田间耗水主要是植物蒸腾和棵间蒸发以及作物生长耗水，其中植物蒸腾和棵间蒸发可以通过高精度蒸渗仪在水稻生长环境下监测得到，所以最后可以计算得到水稻作物生长耗水量。

通过对试验过程中的数据收集和分析，在本实验教学中学生能够主动学习了解水量平衡规律；教师可以组织学生开展实验期间水稻生长耗水量的计算分析工作，从而使其掌握水稻试验田的水量交换过程，并探讨试验田水稻所需水量变化与水稻生长的关系。

3.2 教学实验安排

试验基地水稻种植时间一般为6 月初，本实验教学实施应安排在水稻生长期间，预计总共耗时5 天，建议安排时间在6 月21 日～25 日。

第1 日 到达基地，参观试验基地的试验田；并听取专业教师关于试验设计内容以及观测过程中的要求和安排的讲解。

第2 日 参观试验田的灌水监测系统、排水监测系统并学习操作方法，并安装试验田水层监测尺；在老师的指导下，安排实验教学分组，并进行实验，记录实验成果。

第3 日 在教师指导下，参观小气象站并学习相关操作方法，开展相关实验，记录所需实验数据。

第4 日 在教师指导下，参观高精度蒸渗仪并学习操作方法，开展相关实验，记录所需实验数据。

第5 日 在教师组织下，分组计算实验过程中水稻耗水量，分析试验过程中稻田水量转换规律，并在此基础上开展相关讨论。

4 结 语

（1）科研试验基地可作为实施实践教学的重要场所，为实践教学提供了丰富多样的教学内容。农业水利工程专业学生更需要实践性教学，而在传统的参观实习等基础性实践教学基础上开展更加专业的研究性实验教学，将更加能激发学生对专业知识学习的热情，进一步培养学生的创新能力，并提高其适应生产、适应社会的能力。

（2）在科研基地开展研究性教学利于学生创新能力的培养，使学生不再局限于课本上的复杂操作方法，而是积极探索新的最佳操作方案。通过人人参与和切身感受，既能触发学生的学习主观能动性，还能给学生提供一个展示自己创新思维的平台。通过交流学习，相互支持和帮助，在学习专业知识的基础上提高学生的协助能力和团队意识。

（3）通过本研究性实验教学，既可以让学生了解和掌握稻田水量交换的专业性知识，实现专业知识积累。又能通过解决实际生产问题，提高学生对专业知识的认同感，可达到实践教育的目的。