工程教育認(rèn)證背景下數(shù)學(xué)模型在城市雨水課程和實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的探索

張偉 王建龍 孫慧超

摘要：結(jié)合工程教育認(rèn)證的要求，以及城市雨水和海綿城市建設(shè)領(lǐng)域的重大行業(yè)需要，研究探索了以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的數(shù)學(xué)模型在城市雨水課程和實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用的教學(xué)模式。秉持以學(xué)生為中心的科教融合思路，貫穿課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)三階段，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。結(jié)合行業(yè)的發(fā)展和教學(xué)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，該教學(xué)模式也將持續(xù)改進(jìn)，并不斷完善。

關(guān)鍵詞：工程認(rèn)證；數(shù)學(xué)模型；實(shí)踐教學(xué)；城市雨水

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）47-0122-03

一、引言

自2013年我國(guó)正式加入《華盛頓協(xié)議》后，工程教育認(rèn)證在我國(guó)高等學(xué)校工程專業(yè)的人才培養(yǎng)中受到更多的重視，成為我國(guó)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要趨勢(shì)和發(fā)展方向[1]。工程教育認(rèn)證是在傳統(tǒng)教學(xué)理念基礎(chǔ)上的進(jìn)一步提升，具有以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)目標(biāo)導(dǎo)向，重點(diǎn)考察畢業(yè)要求達(dá)成度，突出可持續(xù)改進(jìn)措施等諸多新特點(diǎn)[2]。另外一個(gè)重要內(nèi)容就是要著重培養(yǎng)學(xué)生借助數(shù)學(xué)模型等新工具解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。這也為我國(guó)普通高等學(xué)校的工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新要求，并明確了今后教學(xué)改革的發(fā)展方向。

城市雨水控制利用或城市雨水管理是環(huán)境工程或市政工程的新興領(lǐng)域，在我國(guó)已經(jīng)歷二十余年的發(fā)展歷程[3]。2014年，我國(guó)開(kāi)展海綿城市建設(shè)工作，從兩批30個(gè)國(guó)家試點(diǎn)到近百個(gè)省級(jí)試點(diǎn)，再到全國(guó)范圍持續(xù)推進(jìn)，對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)尤其是城市排水系統(tǒng)建設(shè)提出了新的發(fā)展要求，具有重大的行業(yè)和人才需要。在此背景下，迫切需要將海綿城市建設(shè)相關(guān)理論和技術(shù)方法融入環(huán)境工程及相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中，以適應(yīng)可持續(xù)城鎮(zhèn)化發(fā)展需要，也與我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)總體部署相契合。

城市排水模型理論和技術(shù)涉及城市雨水管理或海綿城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)等多方面，是城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、績(jī)效評(píng)估的重要輔助工具。最新修編發(fā)布的《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014）、《城市內(nèi)澇防治規(guī)范》（GB 51222）等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)數(shù)學(xué)模型在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也進(jìn)行了明確規(guī)定和要求。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家許多知名高等院校在土木工程和環(huán)境工程等學(xué)科一直十分重視數(shù)學(xué)模型的課程和實(shí)踐教學(xué)，為雨水管理領(lǐng)域的人才培養(yǎng)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，我國(guó)普通高校給水排水或環(huán)境工程專業(yè)培養(yǎng)體系中，在城市雨洪管理尤其是雨洪管理數(shù)學(xué)模型方面的重視和投入都明顯不足。

結(jié)合工程教育認(rèn)證對(duì)教育教學(xué)的新要求，以及目前在城市雨水和海綿城市建設(shè)領(lǐng)域的重大行業(yè)需要，迫切需要探索以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的數(shù)學(xué)模型在城市雨水課程和實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用和創(chuàng)新的教學(xué)模式。

二、數(shù)學(xué)模型應(yīng)用和教學(xué)模式構(gòu)建

1.數(shù)學(xué)模型應(yīng)用的教學(xué)模式。結(jié)合可持續(xù)城鎮(zhèn)化發(fā)展的行業(yè)需求和城市雨水領(lǐng)域多年來(lái)的研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，北京建筑大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)在十余年前就開(kāi)設(shè)了《城市雨水工程》和《城市雨水工程課程設(shè)計(jì)》，并作為環(huán)境工程專業(yè)特色核心課程[4]。結(jié)合數(shù)學(xué)模型在海綿城市建設(shè)中的迫切需求，根據(jù)我校環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系特點(diǎn)，突出借助新工具解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)目標(biāo)，初步探索了數(shù)學(xué)模型在城市雨水課程和實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用和創(chuàng)新的教學(xué)模式（圖1）。

教學(xué)模式包括城市排水模型基本理論和技術(shù)融入《城市雨水工程》課堂教學(xué)，將排水模型初步構(gòu)建與分析作為《城市雨水工程課程設(shè)計(jì)》的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，以及借助數(shù)學(xué)模型解決城市雨水與水環(huán)境復(fù)雜工程問(wèn)題納入《畢業(yè)設(shè)計(jì)》的工作內(nèi)容和要求，三部分逐層深入、相互銜接，保障學(xué)生從模型基礎(chǔ)理論到模型操作初步應(yīng)用，再到利用模型解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)和掌握。同時(shí)，任課教師主持的縱向科研項(xiàng)目和工程咨詢服務(wù)類項(xiàng)目也為學(xué)生在不同階段參與科學(xué)研究和工程項(xiàng)目實(shí)踐提供了機(jī)會(huì)，為實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心和科教融合提供重要保障。

2.模型理論融入城市雨水課程教學(xué)內(nèi)容。在過(guò)去十余年《城市雨水工程》課程教學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合城市雨水領(lǐng)域和海綿城市建設(shè)新要求，進(jìn)一步完善了教學(xué)內(nèi)容，課程從24學(xué)時(shí)增至32學(xué)時(shí)，補(bǔ)充了城市排水模型基礎(chǔ)理論等相關(guān)內(nèi)容。主要講授數(shù)學(xué)模型概論、排水模型分類、模型構(gòu)建、模型率定與驗(yàn)證等模型相關(guān)基本概念、基本理論和基本方法；同時(shí)，對(duì)具有一定理論深度的模型參數(shù)敏感性分析、模型不確定性分析等內(nèi)容初步引入，供感興趣的學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)。其中十分重要的是設(shè)置專門的學(xué)時(shí)進(jìn)行實(shí)際案例教學(xué)，結(jié)合常用模型軟件（如SWMM等）對(duì)某一具體工程案例全過(guò)程系統(tǒng)講述一個(gè)排水模型從基礎(chǔ)資料收集，到模型構(gòu)建、參數(shù)率定驗(yàn)證以及模型模擬預(yù)測(cè)和結(jié)果分析的全過(guò)程以及相應(yīng)模型軟件的操作，讓學(xué)生不僅聽(tīng)得懂，更重要的是讓學(xué)生能用、會(huì)用模型軟件，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)采用模型軟件進(jìn)行雨水系統(tǒng)模型構(gòu)建與分析的實(shí)踐提供了保障。

3.模型基本應(yīng)用融入課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在城市排水模型基礎(chǔ)理論和模型軟件基本操作課程教學(xué)基礎(chǔ)上，將模型輔助設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求納入《城市雨水工程課程設(shè)計(jì)》實(shí)踐環(huán)節(jié)中。結(jié)合課程設(shè)計(jì)題目，如建筑小區(qū)、道路、公園、廣場(chǎng)等不同類型地塊雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)學(xué)生采用常用軟件（如SWMM）建立雨水系統(tǒng)模型，并在不同情境下進(jìn)行模擬和初步分析，輔助設(shè)計(jì)方案的確定。在這一階段重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生模型基本操作能力、動(dòng)手能力，以及能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，并通過(guò)查閱文獻(xiàn)、小組研討等環(huán)節(jié)來(lái)解決問(wèn)題的能力。通過(guò)課程設(shè)計(jì)階段的實(shí)際操作，可加強(qiáng)課堂理論學(xué)習(xí)的理解，并為畢業(yè)設(shè)計(jì)階段借助數(shù)學(xué)模型解決復(fù)雜工程問(wèn)題打下基礎(chǔ)。

4.畢業(yè)設(shè)計(jì)階段的數(shù)學(xué)模型綜合應(yīng)用。相對(duì)課程設(shè)計(jì)階段的題目，畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目從內(nèi)容、深度和要求上都有系統(tǒng)性的提升，尤其突出體現(xiàn)工程問(wèn)題的復(fù)雜性和系統(tǒng)性。雨水方向畢業(yè)設(shè)計(jì)題目通常采用某新城區(qū)的雨水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、某老城區(qū)的雨水系統(tǒng)改造規(guī)劃與設(shè)計(jì)這類城市或城區(qū)尺度的工程規(guī)劃設(shè)計(jì)題目，或者是針對(duì)某一地塊（建筑小區(qū)等）雨水系統(tǒng)的深度設(shè)計(jì)，無(wú)論是城區(qū)尺度還是地塊尺度，都是以復(fù)雜工程問(wèn)題為導(dǎo)向。這也就對(duì)學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中模型應(yīng)用的系統(tǒng)性和綜合性提出了更高要求，不僅要能用、會(huì)用模型，而且要懂得如何更好地應(yīng)用模型（模型構(gòu)建優(yōu)化、方案優(yōu)化等）。

以某新城區(qū)的雨水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)為例，學(xué)生首先采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法按照設(shè)計(jì)目標(biāo)完成源頭控制和管渠系統(tǒng)的方案確定和初步設(shè)計(jì)，再通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)方案效果進(jìn)行系統(tǒng)化評(píng)估，結(jié)合既定的目標(biāo)函數(shù)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)可達(dá)性，進(jìn)而提出方案設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)措施，再對(duì)優(yōu)化后方案進(jìn)行重復(fù)模擬，反復(fù)迭代直至模擬結(jié)果滿足既定目標(biāo)函數(shù)，完成方案優(yōu)化和最終方案確定。除設(shè)計(jì)方案和過(guò)程本身的系統(tǒng)性強(qiáng)，在模型構(gòu)建和概化方式、目標(biāo)函數(shù)設(shè)定、模擬結(jié)果評(píng)估等諸多環(huán)節(jié)也包含較高的復(fù)雜性，也更貼近真實(shí)工程項(xiàng)目的特征，對(duì)學(xué)生整體能力是一個(gè)鍛煉和綜合提升的過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生應(yīng)對(duì)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)和畢業(yè)目標(biāo)的達(dá)成。

5.科教融合與數(shù)學(xué)模型教學(xué)實(shí)踐?？平倘诤弦彩浅鞘杏晁n程和實(shí)踐教學(xué)模式的重要組成部分，秉持“以學(xué)生為中心”的基本原則，構(gòu)建以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)環(huán)境的思路[5]，將任課教師的科研項(xiàng)目和資源向教學(xué)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)有效的科教融合。在課堂教學(xué)后，學(xué)生初步具備城市排水模型基本知識(shí)，結(jié)合課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)綜合考察，對(duì)具備一定數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)，且本人有明確意愿和興趣的學(xué)生，可逐步參與到教師的科研項(xiàng)目或工程咨詢項(xiàng)目中從事數(shù)學(xué)模型模擬相關(guān)工作。對(duì)于今后有志于進(jìn)一步深造、從事科學(xué)研究的學(xué)生，可較早培養(yǎng)其科學(xué)素養(yǎng)，為今后研究生階段學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)；對(duì)于畢業(yè)后走上工作崗位的學(xué)生，可通過(guò)參加實(shí)際工程項(xiàng)目，促進(jìn)理論知識(shí)學(xué)習(xí)向?qū)嵺`能力轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化分析并解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為學(xué)生今后能更好適應(yīng)工作環(huán)境，并順利完成學(xué)生向優(yōu)秀工程師的角色轉(zhuǎn)變做好前期鋪墊。當(dāng)然，在課堂授課和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生積極引導(dǎo)、充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性是保證科教融合效果的重要基礎(chǔ)。

三、結(jié)論

結(jié)合工程教育認(rèn)證對(duì)教育教學(xué)的新要求以及城市雨水和海綿城市建設(shè)領(lǐng)域的重大行業(yè)需要，探索了以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的數(shù)學(xué)模型在城市雨水課程和實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用和創(chuàng)新的教學(xué)模式，貫穿課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)三階段，并全過(guò)程秉持以學(xué)生為中心和科教融合思路，取得了較好的效果。“精益求精，止于至善”，面對(duì)海綿城市建設(shè)這樣一個(gè)具有重大行業(yè)需求并持續(xù)發(fā)展的大背景，城市雨水課程知識(shí)體系需根據(jù)行業(yè)需求進(jìn)行持續(xù)更新和改進(jìn)，目前的課程和實(shí)踐教學(xué)模式也將隨教學(xué)實(shí)踐的不斷發(fā)展總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并繼續(xù)完善，這也是工程教育認(rèn)證所要求的持續(xù)改進(jìn)的重要體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]方崢.中國(guó)工程教育認(rèn)證國(guó)際化之路——成為《華盛頓協(xié)議》預(yù)備成員之后[J].高等工程教育研究，2013，（6）：72-76.

[2]林健.工程教育認(rèn)證與工程教育改革和發(fā)展[J].高等工程教育研究，2015，（2）：10-19.

[3]張偉，車伍.海綿城市建設(shè)內(nèi)涵與多視角解析[J].水資源保護(hù)，2016，32（6）：19-26.

[4]張偉，車伍，李俊奇，王建龍.海綿城市建設(shè)工程應(yīng)用導(dǎo)向的延續(xù)性培養(yǎng)模式在環(huán)境工程專業(yè)的探索與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2018，（06）：126-128.

[5]Doyle T.Helping students learn in a learner-centered environment：A guide to facilitating learning in higher education[M].Stylus Publishing，LLC.，2008.