環(huán)境類專業(yè)選修課程《水環(huán)境模擬與預(yù)測》教學(xué)實(shí)踐與探討

龔然　王慧雅　徐進(jìn)　康曉榮

摘? 要：水環(huán)境模擬與預(yù)測原本是水環(huán)境學(xué)科的一個(gè)“高深”的領(lǐng)域，但隨著計(jì)算機(jī)和軟件平臺(tái)的快速發(fā)展，大大降低了其應(yīng)用難度。與之相應(yīng)的新課程《水環(huán)境模擬與預(yù)測》，可作為專業(yè)選修課在本科環(huán)境類專業(yè)開設(shè)。作者基于教學(xué)實(shí)踐，分析和探討了該課程的特點(diǎn)、提高教學(xué)質(zhì)量的方法手段和改進(jìn)措施，以期提高對(duì)此類課程的教學(xué)水平，使學(xué)生實(shí)踐能力得以正確培養(yǎng)，也為類似課程的教學(xué)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)境類專業(yè);水環(huán)境模擬與預(yù)測;選修課

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）19-0074-03

Abstract： The simulation and prediction of aquatic environment is originally an "abstruse" field of aquatic environment sciences. However， its difficulty in application was greatly reduced since the rapid development of computer science and software platform. A corresponding new course "Simulation and Prediction of Aquatic Environment" can be set up as an optional course for undergraduate students of environmental majors. On basis of teaching practice， the author try to analyze and discuss some issues of the course including the characteristics， methods and measures for enhancing teaching quality， to improve teaching skills， as well as the practice ability of students， and to provide some teaching references for similar courses.

Keywords： environmental specialty; aquatic environment simulation and prediction; optional course

水環(huán)境模擬與預(yù)測是環(huán)境領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)，是環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境規(guī)劃領(lǐng)域必不可少的工具。水環(huán)境模擬與預(yù)測屬于環(huán)境學(xué)科的一個(gè)研究方向，原本被認(rèn)為是一個(gè)非?！案呱睢钡念I(lǐng)域，從業(yè)人員和研究人員很少。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件平臺(tái)的發(fā)展，水環(huán)境的模擬與預(yù)測技術(shù)得以普及并可被廣泛應(yīng)用。近年來，在我國環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境影響評(píng)價(jià)界，有推出標(biāo)準(zhǔn)使用模型的呼聲，也就是說，未來的水環(huán)境影響評(píng)價(jià)有可能需要從業(yè)者學(xué)會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)模型的應(yīng)用方法[1-2]。

《水環(huán)境模擬與預(yù)測》是一門新興課程，越來越多的高校環(huán)境類專業(yè)，包括水文水資源、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程等專業(yè)，作為研究生的選修課程開設(shè)，也有部分高校對(duì)本科生開設(shè)該課程。筆者所在的南京工程學(xué)院是開設(shè)該課程最早的高校之一，作為一門專業(yè)選修課程，在環(huán)境工程專業(yè)本科高年級(jí)開設(shè)。筆者基于對(duì)該課程的教學(xué)實(shí)踐，就該課程的特點(diǎn)和如何提高教學(xué)質(zhì)量等相關(guān)問題進(jìn)行了探討。

一、課程特點(diǎn)

（一）課程難度較大

水環(huán)境模擬與預(yù)測是用模型的方法，對(duì)水體環(huán)境的變化趨勢，包括水動(dòng)力、水質(zhì)和水生態(tài)等方面，進(jìn)行模擬與預(yù)測的統(tǒng)稱。一般認(rèn)為是自1925年的S-P（Streetr-Phelps）模型（用于預(yù)測河流需氧量）的提出為起點(diǎn)，至今90余年的發(fā)展歷程。該領(lǐng)域牽涉到的知識(shí)門類較多，包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物和計(jì)算機(jī)編程等。例如，數(shù)學(xué)中需要用到偏微分方程的數(shù)值解法，計(jì)算機(jī)中涉及到程序的編制。這些知識(shí)難點(diǎn)造成了該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用難度非常大，以往通常只在專門的研究院所和高校博士課題中出現(xiàn)。但隨著計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算的飛速發(fā)展，繁瑣的建模過程被簡約化、窗口化、制作為良好的交互式的商業(yè)軟件。當(dāng)前可以應(yīng)用該技術(shù)的人群已擴(kuò)大至一般工程技術(shù)人員，在本科階段也可以涉及到該領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容。因此，隨之產(chǎn)生了《水環(huán)境模擬與預(yù)測》課程，該課程的一大特點(diǎn)就是難度較大。

（二）教學(xué)資料缺乏

《水環(huán)境模擬與預(yù)測》課程對(duì)于本科階段主要是講解基本模型的構(gòu)建和應(yīng)用，也就是如何應(yīng)用好水環(huán)境模型軟件。目前市面上僅有一兩部專門針對(duì)該課程的教材，而且均是偏重理論的講解，幾乎沒有實(shí)際建模的應(yīng)用教學(xué)。由于該領(lǐng)域知識(shí)難度較大，即使是許多研究者，想通過自身摸索完成建模的學(xué)習(xí)，也需要很長時(shí)間，且很多問題在建模的實(shí)踐中無法解決。在沒有參考書和專業(yè)指導(dǎo)的情況下，很難正確使用，沒有完整的案例可實(shí)踐，沒有技巧可循，給研究和使用帶來了很大的使用障礙，需耗時(shí)耗力地先學(xué)習(xí)理論，再摸索軟件。盡管模型軟件有英文說明書，但英文的表述無疑又給使用者帶來一重障礙。到目前為止，尚未見專門針對(duì)水體環(huán)境模型應(yīng)用的教材和專著。因此，該課程的第二大特點(diǎn)即為資料的缺乏，尤其是漢語資料的缺乏。筆者在授課中是整理了部分英文資料作為理論內(nèi)容，并加入了相關(guān)軟件的說明書內(nèi)容，作為該課程所使用的臨時(shí)教學(xué)資料。筆者與業(yè)內(nèi)專家合著的專著《地表水環(huán)境數(shù)值模擬與預(yù)測——EFDC建模技術(shù)及案例實(shí)訓(xùn)》正是基于以上亟待解決的問題而撰寫，并通過真實(shí)案例詳解建模過程，力求大大簡化學(xué)習(xí)難度，未來將節(jié)選部分內(nèi)容作為該課程的教學(xué)或參考資料。

（三）實(shí)踐環(huán)節(jié)特殊

《水環(huán)境模擬與預(yù)測》課程的教學(xué)過程是需要包含計(jì)算機(jī)建模的實(shí)際操作，只講理論所能達(dá)到的效果非常有限。但區(qū)別于類似《環(huán)境工程CAD技術(shù)》這樣的制圖課程的實(shí)際操作，本課程的實(shí)踐既不是技能性或技巧性的，也不是設(shè)計(jì)性的，而是真正地將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐的訓(xùn)練。學(xué)生要經(jīng)歷運(yùn)用軟件構(gòu)建河流、湖泊、水庫和海岸帶的地理位置，模擬其水流過程和水質(zhì)變化過程，在計(jì)算機(jī)上完成運(yùn)行計(jì)算，獲取結(jié)果，合理分析等。在此過程中，學(xué)生一定會(huì)遇到各種障礙，引發(fā)探索性的思考。盡管最終可能需要在教師的引導(dǎo)下才能解決，但這種思考過程會(huì)不斷地融匯管通理論知識(shí)。學(xué)生將克服很多困難，而這些克服困難的過程，正是啟發(fā)學(xué)生大量思考的過程。學(xué)生可以在完成模型構(gòu)建后，設(shè)置許多假設(shè)的情景，去探求如果發(fā)生假設(shè)的情景，整個(gè)水環(huán)境會(huì)怎樣變化，也就是通常所說的“情景預(yù)測”。例如，如果遭遇歷史最大降雨，將造成什么樣的影響？如在某處建設(shè)排污口，是否符合國家環(huán)評(píng)的要求，是否對(duì)下游若干距離產(chǎn)生影響？這些結(jié)果，都需要運(yùn)行模型獲得數(shù)據(jù)，這一過程充滿探索性和不確定性，若遇運(yùn)行失敗或者結(jié)果明顯不對(duì)，排除錯(cuò)誤的過程再次鞏固所學(xué)知識(shí)，這個(gè)過程可能會(huì)反復(fù)數(shù)次，這是本課程非常有特色的地方。

二、教學(xué)方法研究和改進(jìn)

在教學(xué)過程中，筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)際的效果和考評(píng)情況，對(duì)照該課程的主要特點(diǎn)，總結(jié)了幾點(diǎn)教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注意的問題和可改進(jìn)之處。

（一）理論知識(shí)，深入淺出，增加課前預(yù)覽

《水環(huán)境模擬與預(yù)測》課程理論難、實(shí)踐環(huán)節(jié)原本很難，但目前被大大簡化到一個(gè)合格的本科生就可以正確完成基本水環(huán)境模型的構(gòu)建的程度。那么，課堂上對(duì)于理論知識(shí)的講解，就應(yīng)該很好的把握住深淺程度。在32個(gè)學(xué)時(shí)的總課時(shí)中，應(yīng)安排不多于16個(gè)學(xué)時(shí)的理論課較為合理。在理論課中，應(yīng)特別注重基本概念和基本思想的講解，根據(jù)應(yīng)用型本科院校以培養(yǎng)高層次應(yīng)用人才為最終目的，則不應(yīng)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)知識(shí)，但應(yīng)準(zhǔn)確地告訴學(xué)生，如想深入學(xué)習(xí)，所應(yīng)具備的知識(shí)范疇，給予學(xué)生重要的文獻(xiàn)列表以方便繼續(xù)學(xué)習(xí)[3]。這樣所達(dá)到的效果為學(xué)生很清楚該課程的基本原理、實(shí)現(xiàn)步驟和牽涉到的知識(shí)范疇，以及不同應(yīng)用程度所需掌握的不同知識(shí)水平。為了更加直觀和明確地讓學(xué)生快速了解本課程的概述，在選課之前可由教師撰寫課程概述，內(nèi)容包括課程總體性概述、學(xué)習(xí)后所能掌握的知識(shí)和技能、課程內(nèi)容和時(shí)間安排、考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和方式，重要的文獻(xiàn)資料列表等。使學(xué)生在選課之時(shí)，便對(duì)該課程有一定的預(yù)覽，避免選課的盲目性。

（二）實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)，注重案例學(xué)習(xí)

水環(huán)境模擬與預(yù)測是帶有一定主觀性的，也就是說，不同的人構(gòu)建出來的模型可能不盡相同。例如，對(duì)一條河流構(gòu)建水環(huán)境模型，河流某處有一個(gè)排污口，在教學(xué)過程中應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)，考慮到排污口的存在，是否應(yīng)該加密排污口附近的網(wǎng)格？應(yīng)該加密到何種程度？不加密是否可以？諸如此類的許多問題，如研究目的、地理位置、所需精度，計(jì)算效率等因素，其實(shí)并沒有唯一的答案，是需要一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能做到合理的。因此對(duì)于實(shí)踐環(huán)節(jié)，應(yīng)首先明確這個(gè)觀點(diǎn)，并以問題和案例驅(qū)動(dòng)的方式展開[4]。其次，應(yīng)降低難度。如前所述，當(dāng)前許多成熟的商業(yè)模型，已經(jīng)完全做到了可視化和良好交互的水平。學(xué)生只要能達(dá)到對(duì)問題正確的思考和判斷，正確規(guī)范的建模，并對(duì)模擬結(jié)果具有一定的判斷力即可。再次，應(yīng)強(qiáng)調(diào)模型應(yīng)用中經(jīng)驗(yàn)的重要性，例如，對(duì)精度的把握，模擬本身只是盡可能地重現(xiàn)實(shí)際過程，所以精度只要在一定的范圍內(nèi)都是合理的。目前行業(yè)內(nèi)認(rèn)為，對(duì)于水質(zhì)指標(biāo)，相對(duì)均方根誤差（RRMES）的平均值在35%以內(nèi)，是模擬較好的結(jié)果。預(yù)測的誤差，就更難以把握了，沒有人能確保模型的可靠性可以百分之百的預(yù)測未來的變化趨勢。因而，實(shí)踐過程和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，該領(lǐng)域的專家常說，模擬是種藝術(shù)，而不是技術(shù)。此外，該課程的實(shí)踐教學(xué)還應(yīng)注重案例的介紹和學(xué)習(xí)，國際上的很多著名的水環(huán)境模型案例，如美國切薩皮克灣模型（Chesapeake Bay Model）、奧基喬比湖模型（Lake Okeechobee Model）等都是經(jīng)歷了幾十年的不斷修正和改進(jìn)，是非常成熟的模型。對(duì)于對(duì)該課程感興趣的同學(xué)，可引導(dǎo)其閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。

（三）考核標(biāo)準(zhǔn)，客觀多樣，引入小組協(xié)作

對(duì)于該課程的考核應(yīng)突出實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重。目前設(shè)計(jì)的教學(xué)大綱中占30%，其中有20%是在教學(xué)進(jìn)行到第28課時(shí)是進(jìn)行一次建模測驗(yàn)，要求學(xué)生在3個(gè)小時(shí)內(nèi)，完成一個(gè)基本河流水質(zhì)模型的構(gòu)建全過程，剩余10%則為課堂實(shí)踐中的考評(píng)。目前教學(xué)大綱設(shè)定的理論部分考核為60%，主要考核基本概念的掌握情況。筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)踐認(rèn)為，理論部分的考核可繼續(xù)縮減為40%～50%，甚至更低，并相應(yīng)地提升實(shí)踐環(huán)節(jié)的比例。原有個(gè)人建模測驗(yàn)（20%）的效果并不理想，少數(shù)同學(xué)構(gòu)建的模型無法運(yùn)行，近半數(shù)同學(xué)的運(yùn)行結(jié)果有明顯錯(cuò)誤。由于分組協(xié)作的形式有利于計(jì)算機(jī)類的實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)[5]，因此可將個(gè)人建模測驗(yàn)可轉(zhuǎn)變?yōu)榉纸M大作業(yè)的形式考核，同時(shí)增大模型構(gòu)建的內(nèi)容和難度。設(shè)立若干小組（4～6人），明確每人完成的工作內(nèi)容，在共同完成大作業(yè)的過程中，小組成員相互協(xié)作，討論疑難點(diǎn)，其效果應(yīng)好于獨(dú)自完成，并設(shè)置小組協(xié)作的考評(píng)機(jī)制，最終該部分的成績以小組成績的形式給出。

（四）雙語授課，勢在必行，培養(yǎng)專門師資

水環(huán)境模擬與預(yù)測這一領(lǐng)域，走在前沿的一直是歐美國家，以美國和歐洲的荷蘭、丹麥為代表。目前的幾十種商用軟件絕大部分來自歐美，因此，大量的學(xué)習(xí)資料和模型軟件說明書都是英文資料。筆者認(rèn)為，完全可以直接將該課程開設(shè)為32學(xué)時(shí)的雙語課程："Simulation and Prediction of Aquatic Environment"。一方面是該課程的內(nèi)容和特點(diǎn)完全適合作為雙語課程開設(shè)，另一方面也提升專業(yè)建設(shè)的國際化水平。學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程的過程中，所接觸的均是應(yīng)用于實(shí)際的前沿科學(xué)技術(shù)，有利于開闊視野和與國際接軌。同時(shí)，該課程所涉及的英文主要為環(huán)境類的專業(yè)英語，難度適中。筆者認(rèn)為，對(duì)于當(dāng)前高校中有能力從事雙語授課的教師，應(yīng)專門培養(yǎng)，可通過制定英語培訓(xùn)計(jì)劃或送出國進(jìn)修，專門地培養(yǎng)出雙語授課教師，從而打造出精品的雙語課程。

三、結(jié)束語

《水環(huán)境模擬與預(yù)測》在環(huán)境類專業(yè)雖然是門選修課，但因其知識(shí)難度大、資料缺乏和師資專門性等原因，開設(shè)此課程的高校并不多。筆者根據(jù)親身教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了改進(jìn)該課程的幾點(diǎn)教學(xué)方法和經(jīng)驗(yàn)，以期提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。當(dāng)前，我國環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境影響評(píng)價(jià)界，正著手推進(jìn)模型的標(biāo)準(zhǔn)化和法規(guī)化工作，以解決原有評(píng)價(jià)方法的不足，水環(huán)境模擬與預(yù)測技術(shù)必然在未來我國水環(huán)境保護(hù)事業(yè)中發(fā)揮巨大的作用。

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