環(huán)境系統(tǒng)分析上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置探討

向榮彪 王硯 汪明霞

摘要：環(huán)境系統(tǒng)分析上機(jī)實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生建立環(huán)境系統(tǒng)模型和應(yīng)用模型解決實(shí)際問(wèn)題的能力。針對(duì)環(huán)境系統(tǒng)分析課程內(nèi)容抽象和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，本文探討設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)遵循的原則，介紹適合學(xué)生的環(huán)境系統(tǒng)分析上機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)建和實(shí)施。教學(xué)實(shí)踐證明，目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是合理可行的，但仍需在實(shí)踐中進(jìn)一步提升和完善。

關(guān)鍵詞：環(huán)境系統(tǒng)分析；上機(jī)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-4107（2012）11-0001-02

環(huán)境科學(xué)是依托化學(xué)、生物學(xué)、水文學(xué)、地學(xué)、流體力學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)科產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性科學(xué)。環(huán)境科學(xué)的實(shí)踐性很強(qiáng)，因此，環(huán)境科學(xué)專業(yè)所開(kāi)設(shè)的課程一般都包含相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。環(huán)境系統(tǒng)分析是環(huán)境科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，主要研究環(huán)境系統(tǒng)的模型化和最優(yōu)化[1]。該課程具有較強(qiáng)的理論性，涉及一些抽象的概念和復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，同時(shí)也是一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，在教學(xué)過(guò)程中必須十分重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文介紹了筆者在環(huán)境系統(tǒng)分析教學(xué)實(shí)踐中設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)遵循的原則以及上機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)建和實(shí)施辦法。

一、 上機(jī)實(shí)驗(yàn)在理論課學(xué)習(xí)中的作用

環(huán)境系統(tǒng)分析課程綜合性很強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、工程等相關(guān)領(lǐng)域的背景知識(shí)，理論課內(nèi)容抽象、公式復(fù)雜、求解繁瑣[2]。如果單純依靠理論課教學(xué)，不通過(guò)上機(jī)實(shí)驗(yàn)來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)環(huán)境模型理論、方法和概念的理解，不通過(guò)上機(jī)操作讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)到環(huán)境系統(tǒng)分析這門(mén)課程的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，那么學(xué)生只能是在枯燥乏味中死記硬背，勢(shì)必理解不深。

環(huán)境系統(tǒng)分析需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和微分方程、規(guī)劃模型的求解，這些任務(wù)只有借助計(jì)算機(jī)才能解決。安排一定學(xué)時(shí)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以針對(duì)一個(gè)具體的問(wèn)題，自己動(dòng)手操作，或編程計(jì)算，或使用Excel或通用的環(huán)境質(zhì)量模型軟件，完成模型的參數(shù)估值，給出環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)結(jié)果，從而有助于學(xué)生將專業(yè)知識(shí)、數(shù)學(xué)建模及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等知識(shí)結(jié)合起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。因此，上機(jī)實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境系統(tǒng)分析課程教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

二、上機(jī)實(shí)驗(yàn)課的歷史沿革

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)從2004年開(kāi)始開(kāi)設(shè)環(huán)境系統(tǒng)分析課程，沒(méi)有安排上機(jī)實(shí)驗(yàn)。理論課結(jié)束后，學(xué)生反映課程晦澀難懂，收獲有限。在2005年的教學(xué)實(shí)踐中，我們嘗試增加10學(xué)時(shí)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，但由于初次開(kāi)設(shè)，實(shí)驗(yàn)安排在很大程度上借鑒了其他學(xué)校的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其素材[3]，以Excel應(yīng)用為主，同時(shí)要求學(xué)生編程解決一些課內(nèi)外習(xí)題。由于大部分學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)編程不熟悉，上機(jī)實(shí)驗(yàn)趣味性不足。此外，上機(jī)實(shí)驗(yàn)解決的是單純的計(jì)算問(wèn)題，是書(shū)本上公式的簡(jiǎn)單套用，在一定程度上與實(shí)際問(wèn)題脫節(jié)，學(xué)生對(duì)課程的實(shí)用性認(rèn)識(shí)不足。隨著環(huán)境模擬方面科研活動(dòng)的開(kāi)展，圍繞環(huán)境模型的應(yīng)用，近3年我們收集了一些模擬案例和實(shí)驗(yàn)素材，通過(guò)合理選擇和整合優(yōu)化，構(gòu)建了目前正在實(shí)施的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容是保證課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的要素之一。在近幾年環(huán)境系統(tǒng)分析課程的探索和教學(xué)實(shí)踐中，我們重點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，并結(jié)合學(xué)科發(fā)展和教學(xué)需要適時(shí)更新實(shí)驗(yàn)素材。

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置的原則

根據(jù)環(huán)境系統(tǒng)分析課程實(shí)踐性和應(yīng)用性強(qiáng)，但涉及的理論較為抽象，解決問(wèn)題的公式復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和微分方程、規(guī)劃模型的求解。為此，我們明確設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)遵循的如下原則。

1.目的性。課程教學(xué)服務(wù)于專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)內(nèi)容則應(yīng)滿足課程教學(xué)目的和要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。環(huán)境系統(tǒng)分析不是數(shù)學(xué)課，不是統(tǒng)計(jì)課，也不是計(jì)算機(jī)編程課，上機(jī)實(shí)驗(yàn)不應(yīng)過(guò)分強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)算法及計(jì)算機(jī)編程，其目的在于將專業(yè)知識(shí)、環(huán)境數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)建立環(huán)境數(shù)學(xué)模型，并上機(jī)完成模型計(jì)算。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于讓學(xué)生通過(guò)練習(xí)，切實(shí)領(lǐng)會(huì)數(shù)學(xué)建模及計(jì)算機(jī)在環(huán)境系統(tǒng)分析中的作用，讓學(xué)生明白環(huán)境系統(tǒng)模型能解決什么樣的實(shí)際問(wèn)題。

2.實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，一方面要體現(xiàn)理論課知識(shí)在實(shí)踐中的指導(dǎo)作用，又要兼顧對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。針對(duì)學(xué)生渴求將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問(wèn)題能力的特點(diǎn)，環(huán)境系統(tǒng)分析課程要體現(xiàn)其實(shí)用性的一面，設(shè)置與實(shí)際聯(lián)系緊密的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.可操作性和層次性。環(huán)境系統(tǒng)分析課程的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的背景知識(shí)，而部分學(xué)生沒(méi)有選修環(huán)境流體力學(xué)、空氣污染氣象學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)課程。環(huán)境系統(tǒng)分析課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排須考慮學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和接受能力，實(shí)驗(yàn)應(yīng)具可操作性。若上機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)多的涉及理論基礎(chǔ)知識(shí)，一方面會(huì)與理論課重復(fù)，另一方面學(xué)生又會(huì)產(chǎn)生畏難情緒，實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以達(dá)到目的。從可操作性出發(fā)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排應(yīng)難易適中，并具有一定的層次性。比如，最簡(jiǎn)單的是要求學(xué)生利用Excel工具做回歸分析而獲取線性模型中的參數(shù)，稍復(fù)雜一點(diǎn)的要求學(xué)生通過(guò)規(guī)劃模型對(duì)S-P模型中的降解速率系數(shù)和復(fù)氧速率系數(shù)進(jìn)行率定。通過(guò)這些簡(jiǎn)單的練習(xí)，讓學(xué)生深入認(rèn)識(shí)和掌握基礎(chǔ)理論；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)安排一些成熟模型的練習(xí)，初步鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)上述原則，在教學(xué)過(guò)程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下3個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)。

1.Excel在簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)建模和規(guī)劃求解中的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谧寣W(xué)生了解Excel在規(guī)劃求解、數(shù)學(xué)分析上的實(shí)際功能，通過(guò)對(duì)Excel的練習(xí)，理解灰色模型是如何建立，其中的參數(shù)是如何率定的，加深對(duì)優(yōu)化模型的功能及其建立、求解方法的理解，讓學(xué)生逐步形成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析的能力。參考有關(guān)教材[3-4]中的例題和習(xí)題，安排簡(jiǎn)單線性回歸、多元回歸建模的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；結(jié)合S-P水質(zhì)模型的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生利用Excel工具依據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定模型中的相關(guān)參數(shù)；最后，要求學(xué)生能利用規(guī)劃求解工具庫(kù)完成污水處理場(chǎng)的選址等優(yōu)化問(wèn)題。

2.河流水質(zhì)模型練習(xí)。為體現(xiàn)該課程的實(shí)用性，結(jié)合2003年國(guó)家開(kāi)展的水環(huán)境容量核算工作，將河流水環(huán)境容量分析系統(tǒng)的應(yīng)用作為一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[5]。要求學(xué)生利用河流水環(huán)境容量分析系統(tǒng)考察污染源的位置、污水排放量、排放濃度、河水流量等因素對(duì)河流水環(huán)境質(zhì)量的影響，理解水質(zhì)模型在環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境影響評(píng)價(jià)及污染控制方案效果評(píng)估等方面的強(qiáng)大功能。此外，給學(xué)生介紹原理與河流水環(huán)境系統(tǒng)分析系統(tǒng)相同，圖形用戶界面采用Excel實(shí)現(xiàn)，但功能更為強(qiáng)大、應(yīng)用更為廣泛的一維河流水質(zhì)模型-QUAL2K[6]。由于QUAL2K模型是英文版本，模擬參數(shù)眾多，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)生不可能完全理解和掌握，因此，由指導(dǎo)教師作簡(jiǎn)單的模型介紹后，學(xué)生按指導(dǎo)練習(xí)模型的運(yùn)行，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)模型強(qiáng)大的實(shí)際功能，為其提供必要的知識(shí)儲(chǔ)備。

3.大氣擴(kuò)散模型練習(xí)。在大氣環(huán)境質(zhì)量模型的應(yīng)用這一環(huán)節(jié)，我們以周邊煙囪為例，使用工業(yè)復(fù)合源短期濃度計(jì)算模型ISCST3模擬煙氣排放對(duì)校園周?chē)h(huán)境的影響[7]。在理論課介紹原理的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)課讓學(xué)生熟悉該模型的運(yùn)行和對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。模型需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)包括污染源數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、受體點(diǎn)位置及地形數(shù)據(jù)，所有這些數(shù)據(jù)按照一定的格式存放在專門(mén)的輸入文件里，模型運(yùn)行時(shí)自動(dòng)調(diào)用輸入文件，完成計(jì)算，然后給出污染物濃度的空間分布。鑒于本科生的實(shí)際水平及授課學(xué)時(shí)，遵循可操作性原則，氣象數(shù)據(jù)的前處理等由指導(dǎo)教師事先完成，對(duì)學(xué)生不作要求。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)三年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐及改進(jìn)，大部分學(xué)生對(duì)環(huán)境系統(tǒng)分析上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容十分感興趣，參與實(shí)驗(yàn)的積極性也很高。畢業(yè)論文選題時(shí)有學(xué)生主動(dòng)要求教師安排相關(guān)課題，有些學(xué)生針對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量模擬中模型對(duì)氣象數(shù)據(jù)的要求，獨(dú)立開(kāi)發(fā)出氣象數(shù)據(jù)處理的小型軟件。

當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也存在一些問(wèn)題。如學(xué)生的計(jì)算機(jī)知識(shí)基礎(chǔ)參差不齊，實(shí)驗(yàn)安排的內(nèi)容有些同學(xué)很快就可以完成，而部分同學(xué)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成。對(duì)此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排上更靈活一些，由必做題和選做題來(lái)構(gòu)成整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?？傊瑥膶W(xué)生的反饋來(lái)看，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是合理可行的。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，仍需要不斷收集素材，吸收他校經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提升和完善環(huán)境系統(tǒng)分析課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

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