虛擬仿真在《水文預(yù)報(bào)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

魏娜 解建倉 羅軍剛 宋孝玉

摘 要：《水文預(yù)報(bào)》是水文與水資源工程專業(yè)本科教學(xué)的主干課程之一，為了發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在《水文預(yù)報(bào)》教學(xué)方面的作用，作者結(jié)合課程特點(diǎn)，分析了該課程虛擬仿真教學(xué)的必要性，并以新安江流域水文模型為例進(jìn)行《水文預(yù)報(bào)》的虛擬仿真教學(xué)，對模型內(nèi)部蒸散產(chǎn)流、水源劃分、坡地匯流、河道匯流四個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，為學(xué)生提供動手實(shí)踐的平臺。該課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重知識與能力的結(jié)合，推進(jìn)了信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，解決了實(shí)體實(shí)驗(yàn)不能解決的問題，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，提高了課程改革質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;水文預(yù)報(bào);新安江模型;改革實(shí)踐

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2019）24-0034-04

一、引言

2019年2月中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實(shí)施方案（2018-2022年）》，強(qiáng)調(diào)大力推進(jìn)教育信息化，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，支持學(xué)校充分利用信息技術(shù)開展人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改革，逐步實(shí)現(xiàn)信息化教與學(xué)應(yīng)用師生全覆蓋，將教育信息化作為教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為國家信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容，已經(jīng)成為工科學(xué)生工程能力及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要手段，其教育模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段不斷得以完善[1-9]。水文與水資源工程專業(yè)作為水利行業(yè)的重要專業(yè)領(lǐng)域之一，為與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)的多個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)提供智力支撐，教育信息化革新了傳統(tǒng)水文與水資源工程專業(yè)的教學(xué)模式，提出了許多新思想、新理念、新戰(zhàn)略與新舉措，因此，與時(shí)俱進(jìn)地將其貫穿于水利人才培養(yǎng)全過程中，以滿足現(xiàn)代水利理念對人才培養(yǎng)的需求。目前，國外單獨(dú)開設(shè)水文與水資源工程本科專業(yè)的學(xué)校較少，大多數(shù)在土木工程專業(yè)、環(huán)境專業(yè)或者地學(xué)類專業(yè)，且多以研究生教育為主，國內(nèi)有50余所高校開設(shè)了水文與水資源工程專業(yè)，且多數(shù)高校已經(jīng)構(gòu)建了水文與水資源類專業(yè)的人才培養(yǎng)特色[10] [11]。

西安理工大學(xué)水文與水資源工程專業(yè)是全國水文學(xué)及水資源學(xué)科獲批的首批重點(diǎn)學(xué)科，在多年教學(xué)實(shí)踐中，形成了“注重基礎(chǔ)、強(qiáng)化實(shí)踐、推進(jìn)創(chuàng)新”的專業(yè)特色。2017年，西安理工大學(xué)“水資源與水環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”正式獲批陜西省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，中心立足“以學(xué)生發(fā)展為中心”，面向全院學(xué)生開展教學(xué)改革，建立以課程教學(xué)內(nèi)容為主題，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，在教學(xué)過程中發(fā)揮重要作用。中心以知識可視化綜合集成平臺為支撐[12]，采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）技術(shù)、Web Service技術(shù)及組件技術(shù)等，構(gòu)建了集成應(yīng)用模式下的水文水資源虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，具備集中式的硬件平臺，包括了工作站、投影、音響和中控等系統(tǒng)，為保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文針對《水文預(yù)報(bào)》這一專業(yè)主干課程，闡述《水文預(yù)報(bào)》虛擬仿真教學(xué)的必要性、實(shí)施方案及考核，探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在革新傳統(tǒng)教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段中發(fā)揮的重要作用。

二、《水文預(yù)報(bào)》虛擬仿真教學(xué)的必要性

1.水資源系統(tǒng)的特殊性

水資源系統(tǒng)是一個(gè)動態(tài)演化的復(fù)雜系統(tǒng)，氣候、地質(zhì)、植被等自然條件變化對水資源的質(zhì)與量及其分布狀況產(chǎn)生影響，人類活動（用水需求增加、水利工程建設(shè)、非常規(guī)水源利用、地下水開發(fā)利用等）也直接或者間接對水資源的質(zhì)與量及其時(shí)空分布產(chǎn)生影響。水資源系統(tǒng)作為一個(gè)“人工—自然”復(fù)合的復(fù)雜系統(tǒng)，具有跨區(qū)域、多尺度、動態(tài)性、多目標(biāo)性及隨機(jī)性等特點(diǎn)，例如，在時(shí)間尺度上具有過去時(shí)、現(xiàn)在時(shí)、將來時(shí)、長中短期等，在空間尺度上具有上游和下游、干流和支流、地上和地下、左岸和右岸等，這些都使得水資源的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開發(fā)、利用和保護(hù)具有不確定性，小尺度的微觀機(jī)理可以通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，大尺度的宏觀規(guī)律或機(jī)理真實(shí)實(shí)驗(yàn)則無法實(shí)現(xiàn)，亟需借助虛擬仿真教學(xué)來提高學(xué)生的認(rèn)知水平和實(shí)踐能力。

2.課程培養(yǎng)的必要性

《水文預(yù)報(bào)》作為水文學(xué)科的重要組成部分，是一門理論、技術(shù)和實(shí)踐均較強(qiáng)的專業(yè)課程。水文預(yù)報(bào)工作要服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)際，必須從“單一”的預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)向“預(yù)報(bào)→調(diào)度→決策”的全過程服務(wù)，尤其是在防洪減災(zāi)中，洪水預(yù)報(bào)為調(diào)度決策提供重要的科學(xué)依據(jù)，關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定發(fā)展的大局[13]。由于水資源系統(tǒng)的特殊性，導(dǎo)致真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)成本高、部分實(shí)驗(yàn)不可及等現(xiàn)實(shí)局限，如流域水文模擬、河道洪水演進(jìn)、實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)等。隨著信息時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)的發(fā)展有了新突破，在水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域逐漸推廣，水文模擬技術(shù)逐步提高，在水文預(yù)報(bào)方法、水文模型、水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)及新技術(shù)應(yīng)用等方面均有很大提高，開展《水文預(yù)報(bào)》課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，填補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.專業(yè)培養(yǎng)的緊迫性

在工程教育認(rèn)證理念下，水文與水資源工程專業(yè)要求培養(yǎng)品德優(yōu)良、基礎(chǔ)理論和專業(yè)技能扎實(shí)、創(chuàng)新意識強(qiáng)、實(shí)踐能力突出，具有國際視野和良好發(fā)展?jié)摿Φ母咚刭|(zhì)復(fù)合型人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校教學(xué)、研究、培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要途徑，踐行“虛實(shí)結(jié)合”的創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)模式，開展大數(shù)據(jù)支撐下的教育治理能力優(yōu)化行動，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+教育”支撐服務(wù)平臺，打破傳統(tǒng)教育的封閉狀態(tài)，突破傳統(tǒng)教育的時(shí)空界限，實(shí)現(xiàn)推動以互聯(lián)網(wǎng)等信息化手段服務(wù)教育教學(xué)全過程，把學(xué)生培養(yǎng)成“水利+信息技術(shù)”“水利+生態(tài)”“水利+環(huán)境”“水利+管理”等的復(fù)合型人才，適應(yīng)國家對未來人才的廣泛需求。

4.現(xiàn)代水利發(fā)展的必然性

隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算已成為水利信息化應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，是傳統(tǒng)水利的主要方向。以前無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)、不能開展的實(shí)驗(yàn)，目前都可以借助最新的信息技術(shù)在計(jì)算機(jī)中開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維建模與可視化、3S技術(shù)（遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的統(tǒng)稱）、數(shù)字地球技術(shù)等都已在水利工程建設(shè)與運(yùn)行管理中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代水利就是要打破常規(guī)，將各種先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)過程中，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是革新傳統(tǒng)教學(xué)方式方法的迫切需要，也是實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的迫切需要。

三、《水文預(yù)報(bào)》虛擬仿真教學(xué)的實(shí)施方案

水文學(xué)是地球科學(xué)的一個(gè)重要分支，是一門研究地球上水的時(shí)空分布與運(yùn)動規(guī)律并應(yīng)用于水資源的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開發(fā)、利用和保護(hù)的科學(xué)[14]?！端念A(yù)報(bào)》作為水文學(xué)科的重要組成部分，在水文現(xiàn)象基本規(guī)律和水文模型研究的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，構(gòu)建預(yù)報(bào)方法或預(yù)報(bào)方案，從而解決生產(chǎn)實(shí)踐中的問題，也是目前普遍采用的有效的非工程措施之一[15]。20世紀(jì)60年代，專家學(xué)者對數(shù)學(xué)模擬的概念進(jìn)行了改造與完善，使流域水文模型在水文學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，水文模型是對自然界中復(fù)雜水文現(xiàn)象的一種概化，采用水文模型能夠模擬流域降雨（融雪）～徑流的形成過程。水文模型作為模擬流域水文過程和認(rèn)識水文規(guī)律的重要工具，對流域產(chǎn)匯流分析、洪水預(yù)報(bào)以及水資源的開發(fā)、利用和保護(hù)等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著水文學(xué)科領(lǐng)域自身的發(fā)展，加之不同社會發(fā)展階段新技術(shù)的產(chǎn)生與融合，各國水文學(xué)家先后開發(fā)建立了各種類型的水文模型[16] [17]，本文主要以新安江流域水文模型為例進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

考慮降雨和流域下墊面分布的不均勻性，新安江模型采用分散性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括蒸發(fā)產(chǎn)流計(jì)算、水源劃分計(jì)算、坡地匯流計(jì)算、河道匯流計(jì)算四個(gè)層次，并將全流域劃分為若干個(gè)單元流域[18]，圖1為單元流域新安江模型流程圖（方框外的字母代表模型參數(shù)，方框內(nèi)的字母代表狀態(tài)變量），各個(gè)單元流域在全流域出口斷面流量過程的疊加之和，即為全流域出口斷面的總流量過程。在生產(chǎn)實(shí)踐中，模型多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)多且不易確定、預(yù)報(bào)精度不達(dá)標(biāo)、修正困難等問題，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以系統(tǒng)地掌握模型各個(gè)層次結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系、不同類型參數(shù)的功能（如蒸散發(fā)參數(shù)、產(chǎn)流參數(shù)、分水源參數(shù)、匯流參數(shù)等）、對預(yù)報(bào)精度的影響等，全方位、多層次、多角度地理解模型的原理，掌握模型的結(jié)構(gòu)與性能。

圖2所示為新安江流域水文模型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面，該實(shí)驗(yàn)將教學(xué)實(shí)驗(yàn)流程以可視化的方式展現(xiàn)，學(xué)生可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)流程一步步完成實(shí)驗(yàn)，包括初始數(shù)據(jù)輸入、模型參數(shù)率定、模型計(jì)算、反饋修正、確定最終模擬結(jié)果等。此外，學(xué)生可以通過不同的氣象條件、地理?xiàng)l件、下墊面條件等組合形成不同的模擬方案，針對不同的模擬方案進(jìn)行對比分析。

以蒸發(fā)產(chǎn)流過程為例，如圖3所示為新安江流域水文模型參數(shù)率定界面，依據(jù)參數(shù)的物理意義調(diào)整參數(shù)值，包括地下徑流出流系數(shù)（KG）、壤中流出流系數(shù)（KSS）、平均自由蓄水容量（SM）、不透水面積參數(shù)（IMP）等，由于涉及參數(shù)多、信息量少，分析蒸發(fā)產(chǎn)流過程所涉及各個(gè)參數(shù)的敏感性和相關(guān)性，避免出現(xiàn)參數(shù)的相關(guān)性、不穩(wěn)定性和不唯一性等問題。通過模擬計(jì)算，得到地面徑流流量過程（RS）、地下徑流流量過程（RG）和壤中流過程（RSS）。對比預(yù)報(bào)洪水流量總過程和實(shí)測洪水流量總過程，如圖4所示，并對洪水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行綜合評定，包括洪峰流量絕對誤差、洪峰流量相對誤差、確定性系數(shù)、峰現(xiàn)時(shí)間等，分析水文預(yù)報(bào)誤差產(chǎn)生的原因，使水文預(yù)報(bào)精度更具可靠性和有效性。

四、《水文預(yù)報(bào)》虛擬仿真教學(xué)的考核

考核是教學(xué)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。首先，考試內(nèi)容具有科學(xué)性和嚴(yán)密性，要突出創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求;其次，考試方式具有多樣性和靈活性，包括閉卷考試、開卷考試、參與項(xiàng)目、實(shí)踐操作等;最后，考試評分具有科學(xué)性，包括知識、能力、素質(zhì)的綜合評判。本課程考核包括平時(shí)成績（10%）、實(shí)驗(yàn)成績（20%）、卷面考核（70%）三部分，目前對于學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核還沒有定量的方法。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)和科研中的深入發(fā)展，后期將建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核與管理系統(tǒng)，制定切實(shí)可行的考核實(shí)施辦法，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)考核、實(shí)驗(yàn)操作預(yù)約、實(shí)驗(yàn)答疑等，一方面促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)規(guī)章制度的進(jìn)一步健全和完善，使實(shí)驗(yàn)考核不斷規(guī)范化、科學(xué)化;另一方面促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面開展，提高實(shí)驗(yàn)開課率和儀器設(shè)備使用率。

五、結(jié)論

《水文預(yù)報(bào)》作為一門理論性、技術(shù)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，教師在教學(xué)過程中要勇于探索和實(shí)踐，打破傳統(tǒng)培養(yǎng)模式單一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形式固定、學(xué)生自主創(chuàng)造受限等局限，將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，充分利用信息技術(shù)開展人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改革，提升學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的積極性，激發(fā)學(xué)生自主發(fā)展?jié)摿?，?qiáng)化學(xué)生專業(yè)知識的實(shí)際運(yùn)用能力。

《水文預(yù)報(bào)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分散的、封閉式的管理、服務(wù)對象單一、共享機(jī)制不完善等不足，不受時(shí)間、空間的限制，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以動手做實(shí)驗(yàn)，將原理融入實(shí)驗(yàn)過程，有效引導(dǎo)學(xué)生搭建完整的知識體系，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動中由“要我做實(shí)驗(yàn)”變?yōu)椤拔乙鰧?shí)驗(yàn)”，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的資源整合、開放共享，為培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和開展創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練提供支撐。

虛擬仿真教學(xué)的實(shí)施盡管已經(jīng)取得了一定的效果，但仍有很大發(fā)展空間，以《水文預(yù)報(bào)》課程的教學(xué)為例，虛擬仿真可以打破跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)屏障，注重多學(xué)科交叉滲透，支撐復(fù)雜的多學(xué)科交叉的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，降低教學(xué)成本，同時(shí)可以與教師的科研項(xiàng)目和課題研究相結(jié)合，從而進(jìn)一步提升高等學(xué)校科學(xué)研究與創(chuàng)新服務(wù)能力。

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