水文學(xué)及水資源專業(yè)研究生運(yùn)籌學(xué)教學(xué)探索

摘要：運(yùn)籌學(xué)是水文學(xué)及水資源專業(yè)研究生的一門重要基礎(chǔ)課程。針對(duì)目前運(yùn)籌學(xué)教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容不科學(xué)、實(shí)踐教學(xué)不足、教學(xué)方法不合理等問題，提出在水文學(xué)及水資源專業(yè)研究生運(yùn)籌學(xué)教學(xué)中，應(yīng)擴(kuò)展運(yùn)籌學(xué)教學(xué)內(nèi)容尤其是現(xiàn)代優(yōu)化理論與算法的教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)科應(yīng)用實(shí)例教學(xué)和軟件教學(xué)。通過這些教學(xué)改革，獲得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：水文學(xué)及水資源專業(yè)；運(yùn)籌學(xué)；教學(xué)內(nèi)容與方法

中圖分類號(hào)：G643；O22文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2012）06009303提高研究生教育質(zhì)量一直是高校研究生教育工作的重中之重，如何培養(yǎng)高層次、高質(zhì)量的研究生對(duì)中國(guó)科技發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步至關(guān)重要［1-2］。運(yùn)籌學(xué)是水文學(xué)及水資源專業(yè)研究生的一門重要基礎(chǔ)課程，加強(qiáng)其教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，“量身定做，因材施教”，對(duì)提高學(xué)生質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

一、運(yùn)籌學(xué)教學(xué)中存在的問題

運(yùn)籌學(xué)作為一門管理數(shù)學(xué)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的多種行業(yè)中。水文學(xué)及水資源專業(yè)與運(yùn)籌學(xué)結(jié)合緊密，如水資源配置時(shí)需要線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方面的知識(shí)［3］；地下水?dāng)?shù)值模擬參數(shù)選取時(shí)經(jīng)常需要應(yīng)用諸如遺傳算法等現(xiàn)代優(yōu)化理論［4］，分布式水文模型參數(shù)率定時(shí)需要現(xiàn)代優(yōu)化算法［5］；流域區(qū)域水資源管理中經(jīng)常應(yīng)用多目標(biāo)規(guī)劃、線性規(guī)劃等理論；水庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行、地下水水源地優(yōu)化運(yùn)行經(jīng)常用到多目標(biāo)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、先行規(guī)劃等方面的理論［6］。在研究生運(yùn)籌學(xué)教學(xué)中，中國(guó)大多高校目前存在的問題主要集中在教學(xué)內(nèi)容不科學(xué)、實(shí)踐教學(xué)不足、教學(xué)方法不合理等方面［7-11］。

（一）教學(xué)內(nèi)容不科學(xué)

隨著現(xiàn)代優(yōu)化理論與算法的發(fā)展，運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容不斷增加，但由于教學(xué)課時(shí)有限，不可能涵蓋運(yùn)籌學(xué)的所有內(nèi)容，需要根據(jù)專業(yè)要求合理地選擇教學(xué)內(nèi)容才能滿足教學(xué)需要。首先，當(dāng)前中國(guó)高校運(yùn)籌學(xué)教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容的選擇帶有一定的隨意性，存在著因教師的專業(yè)背景不同而教學(xué)內(nèi)容不同現(xiàn)象；其次，教學(xué)內(nèi)容偏重理論知識(shí)與公式推導(dǎo)，輕視或忽略實(shí)際應(yīng)用與能力培養(yǎng)，學(xué)生缺乏解決實(shí)際問題的能力。（二）實(shí)踐教學(xué)不足

中國(guó)高校研究生在實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)）教學(xué)中，往往是教師先設(shè)置好上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，再讓學(xué)生具體操作，這種方法導(dǎo)致學(xué)生缺乏實(shí)踐想法，難以達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的。缺乏實(shí)例（文獻(xiàn)）教學(xué)和文獻(xiàn)閱讀特別是英文文獻(xiàn)閱讀能力的培養(yǎng)是導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐教學(xué)不足的另一原因。運(yùn)籌學(xué)軟件教學(xué)內(nèi)容少且單一，學(xué)生不知道怎樣根據(jù)自己的特點(diǎn)和愛好使用相關(guān)軟件，諸如Excel、Matlab、DPS統(tǒng)計(jì)軟件［12］、Lingo、Lindo、WinQSB［13］等。

（三）教學(xué)方法不合理

不少高校在運(yùn)籌學(xué)教學(xué)中還存在著“填鴨式”“灌輸式”教學(xué)，在實(shí)際教學(xué)中沒有發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性，無(wú)法進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。另外，板書教學(xué)存在信息量少、課堂效率低等缺點(diǎn)；多媒體教學(xué)在理論推導(dǎo)的時(shí)候會(huì)引起學(xué)生思路跟不上或注意力分散等缺點(diǎn)；需要進(jìn)行多媒體加板書式教學(xué)，增加文獻(xiàn)討論課，促進(jìn)教師與學(xué)生互動(dòng)、學(xué)生與學(xué)生互動(dòng)，以提高教學(xué)質(zhì)量。

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

平建華，等水文學(xué)及水資源專業(yè)研究生運(yùn)籌學(xué)教學(xué)探索

二、教學(xué)內(nèi)容改革

加強(qiáng)現(xiàn)代數(shù)學(xué)及現(xiàn)代理論優(yōu)化算法諸如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬退火、禁忌搜索等算法和耗散論、博弈論的介紹與應(yīng)用，以提高學(xué)生在今后科研和工作中應(yīng)用現(xiàn)代優(yōu)化理論與方法的能力，提高學(xué)生科研創(chuàng)新能力，拓寬學(xué)生知識(shí)面。

三、實(shí)例教學(xué)

在闡述運(yùn)籌學(xué)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，結(jié)合具體的水文水資源學(xué)科實(shí)例，既重視基本概念和原理的講述，又注重水文水資源學(xué)科的應(yīng)用。實(shí)例教學(xué)有助于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高其自學(xué)能力，有利于今后畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的確立。

線性規(guī)劃法在求解水文地質(zhì)參數(shù)［14］、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度［15］、水資源配置［16］、水源地優(yōu)化運(yùn)行［17］等方面都有廣泛應(yīng)用。目標(biāo)規(guī)劃在水資源配置［18］、水庫(kù)調(diào)度［19］、地下水資源管理［20］方面應(yīng)用較多。動(dòng)態(tài)規(guī)劃在水庫(kù)水電站優(yōu)化調(diào)度［21］、水資源優(yōu)化配置［22］、水資源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行［23］、水質(zhì)-水量聯(lián)合調(diào)度［24］、污水處理［25］等方面有很多運(yùn)用?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)優(yōu)化算法也有大量的應(yīng)用實(shí)例，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、水資源系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算、水電站優(yōu)化運(yùn)行、水文預(yù)報(bào)等方面，遺傳算法應(yīng)用于參數(shù)優(yōu)化、水資源系統(tǒng)優(yōu)化決策、水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)等方面。

在講述耗散論、突變論、協(xié)同論、博弈論時(shí)，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例介紹其在水文學(xué)及水資源學(xué)科中的應(yīng)用。

四、運(yùn)籌學(xué)軟件教學(xué)

Excel（或其他背景下）的spreadsheet將所要解決的實(shí)際問題進(jìn)行概念描述、數(shù)據(jù)處理、建立并求解模型，使運(yùn)籌學(xué)的理論與方法變得易于理解和使用，推動(dòng)了運(yùn)籌學(xué)方法在科研和生產(chǎn)中的應(yīng)用［26］。吳忠、江濱［27］應(yīng)用基于Excel的spreadsheet舉例求解了線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃和非線性規(guī)劃；鄭蕉、涂傳清［28］應(yīng)用Excel解決了多目標(biāo)規(guī)劃問題并進(jìn)行了靈敏度分析；海心［29］應(yīng)用Excel求解了動(dòng)態(tài)規(guī)劃問題；晶晶［30］應(yīng)用Excel中的隨機(jī)函數(shù)模擬了多服務(wù)臺(tái)單對(duì)列排隊(duì)系統(tǒng)，提供了Excel解決排隊(duì)論的實(shí)例；付木亮、余小飛［31］應(yīng)用Excel結(jié)論了網(wǎng)絡(luò)最短路問題的求解；Excel在決策分析、存儲(chǔ)論、隨機(jī)模擬等方面也有大量的應(yīng)用［32］。在教學(xué)中，介紹了各種基本規(guī)劃的原理后，實(shí)驗(yàn)課運(yùn)用Excel實(shí)例教學(xué)，使學(xué)生加深了對(duì)基本原理的理解，并掌握應(yīng)用軟件求解優(yōu)化問題的方法。

Matlab（MatrixLaboratory）是矩陣實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)稱，它是由美國(guó)MathWorks公司研制開發(fā)的一套高性能的集數(shù)值計(jì)算、算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、信息處理、圖形顯示等于一體的可視化數(shù)學(xué)工具軟件，目前已有8.0版本。相對(duì)于C或Fortran等語(yǔ)言，Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的表達(dá)式與數(shù)學(xué)和工程中常用的形式十分相似，應(yīng)用十分方便。Matlab中包含多個(gè)功能強(qiáng)大的“工具箱”，如主工具箱（Matlabmaintoolbox）、控制系統(tǒng)工具箱（controlsystemtoolbox）、優(yōu)化工具箱（optimizationtoolbox）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（neuralnetworktoolbox）、小波工具箱（waveletoolbox）等，這些工具箱在解決線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方面都有廣泛的應(yīng)用［33-34］，在應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火、蟻群算法等現(xiàn)代算法中也有大量的應(yīng)用。教學(xué)過程中，結(jié)合Matlab在優(yōu)化管理方面的應(yīng)用，使學(xué)生迅速掌握Matlab求解優(yōu)化問題的技術(shù)，提供學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

另外，國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的DPS統(tǒng)計(jì)軟件、Lingo、Lindo、WinQSB都可以作為運(yùn)籌學(xué)教學(xué)軟件使用。

五、結(jié)語(yǔ)

通過以上教學(xué)內(nèi)容與方法上的改革，學(xué)生既加深了對(duì)運(yùn)籌學(xué)理論的理解又掌握了運(yùn)籌學(xué)在水文水資源學(xué)科中的應(yīng)用，熟悉了一些運(yùn)籌學(xué)專業(yè)軟件的應(yīng)用。總之，在水文學(xué)及水資源專業(yè)研究生運(yùn)籌學(xué)教學(xué)中，教師要不斷地探索新的理論知識(shí)和技術(shù)方法，推動(dòng)教學(xué)改革，加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，調(diào)動(dòng)他們的積極性，挖掘他們的潛力，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)優(yōu)秀專業(yè)技術(shù)與管理人才。

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編輯 詹燕平