智慧水務(wù)案例在相關(guān)學(xué)科研究生課程中的應(yīng)用研究

龍?zhí)煊? 翟俊 屈瑤

[摘 要] 為提高專業(yè)型碩士學(xué)位研究生課程的教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)與工程實(shí)際的有機(jī)融合，探索在城鎮(zhèn)水工程相關(guān)學(xué)科的研究生“高等流體力學(xué)”課程中引入智慧水務(wù)案例教學(xué)。以“三峽庫區(qū)智慧水環(huán)境”案例教學(xué)為例，就如何在教學(xué)中采用課堂引導(dǎo)、課外查閱資料與思考及課堂討論相結(jié)合的方式完成整個案例的教與學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。通過融合智慧水務(wù)案例，提升了課程的教學(xué)質(zhì)量和研究生對該課程的學(xué)習(xí)興趣與滿意度。

[關(guān)鍵詞] 案例教學(xué);高等流體力學(xué);智慧水務(wù)

[基金項(xiàng)目] 2019年度重慶市教委重慶市專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例庫項(xiàng)目“‘智慧水務(wù)案例庫”（yalk201911）

[作者簡介] 龍?zhí)煊澹?960—），女，重慶人，博士，重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事流體力學(xué)和水環(huán)境模擬與污染控制研究。

[中圖分類號] G642.4? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）25-0116-04? ?[收稿日期] 2021-03-15

當(dāng)今時代已經(jīng)進(jìn)入信息時代，數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)等信息技術(shù)正對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！爸腔鬯畡?wù)”是城鎮(zhèn)水工程在新技術(shù)革命背景下的重要發(fā)展方向和必然選擇?！爸腔鬯畡?wù)”通過在線監(jiān)測、智能感知、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、智能決策支持系統(tǒng)等，將海量信息進(jìn)行及時分析與處理，并做出相應(yīng)的處理結(jié)果來輔助決策建議，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水工程系統(tǒng)的整個生產(chǎn)、運(yùn)營和服務(wù)流程，從而達(dá)到“智能”的狀態(tài)。

一、智慧水務(wù)案例庫建設(shè)的意義

“智慧水務(wù)”案例庫建設(shè)契合城鎮(zhèn)水工程相關(guān)學(xué)科/專業(yè)的發(fā)展方向，以學(xué)生為中心，以案例為基礎(chǔ)，通過智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與管理領(lǐng)域的最新發(fā)展案例，將科技發(fā)展與實(shí)踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生“了解前沿、掌握知識、提高能力、促進(jìn)創(chuàng)新”，推動專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革，促進(jìn)教學(xué)與實(shí)踐有機(jī)融合，對提高城鎮(zhèn)水工程相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)水平和學(xué)科發(fā)展具有重要意義[1]。

“智慧水務(wù)”是城鎮(zhèn)水工程發(fā)展的一個新方向，目前仍是一個新生事物，現(xiàn)有成功的案例并不多?！爸腔鬯畡?wù)”作為“智慧城市”的一個部分，相關(guān)的研究和軟硬件系統(tǒng)建設(shè)尚處于起步階段。由于支撐系統(tǒng)“智慧”運(yùn)行的決策模型、計(jì)算方法、數(shù)據(jù)共享和存儲等核心問題尚未得到很好的解決，現(xiàn)有的“智慧水務(wù)”仍主要處于以信息化展示、數(shù)據(jù)化管理為主的階段，具備智能分析和決策等真正“智慧”功能的系統(tǒng)還比較少，后續(xù)還需要計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、水工程等領(lǐng)域的科技人員通力合作，協(xié)同解決。但是，“智慧水務(wù)”系統(tǒng)仍然以超出我們想象的速度正在變革現(xiàn)有城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)，以降低城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營成本、提升工作效率、升級功能、實(shí)現(xiàn)智能自動運(yùn)行和應(yīng)急調(diào)度與科學(xué)決策。城鎮(zhèn)水工程相關(guān)學(xué)科/專業(yè)的研究生教育應(yīng)滿足和適應(yīng)“智慧水務(wù)”發(fā)展的需求，急需在研究生的培養(yǎng)過程中加強(qiáng)“智慧水務(wù)”知識和實(shí)踐能力培養(yǎng)，強(qiáng)化“智慧水務(wù)”的案例教學(xué)，但是迄今為止，相關(guān)的案例庫建設(shè)和案例教學(xué)的工作尚未見相關(guān)的報道[2]。

因此，將“智慧水務(wù)”的內(nèi)容集成到現(xiàn)有的課程體系中，更新現(xiàn)有課程內(nèi)容，是土木水利、建筑與土木、環(huán)境工程等城鎮(zhèn)水工程相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位碩士研究生課程建設(shè)的重要內(nèi)容，也是教學(xué)改革的重要方向之一。建設(shè)引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的案例庫，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入角色，進(jìn)行案例分析和討論行業(yè)前沿知識，激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)主動性、積極性和創(chuàng)新性，充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心、讓學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)和探索并構(gòu)建知識體系的教育理念是水工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生教育改革的發(fā)展趨勢。

二、“高等流體力學(xué)”課程融合智慧水務(wù)案例探索

研究生案例教學(xué)起源于國外，主要以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識不是通過教師傳授得到的，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得的。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素或四大屬性是“情境”“協(xié)作”“會話”“意義建構(gòu)”[3]。案例教學(xué)的課堂以學(xué)生討論為主，學(xué)生必須站在案例中主角的角度來分析和思考問題，并做出決策或?qū)ψ约旱臎Q策進(jìn)行評估，教師主要起引導(dǎo)、推進(jìn)的作用[3，4]。案例教學(xué)的效果也獲得了理論和實(shí)踐上的肯定。

“高等流體力學(xué)”是城鎮(zhèn)水工程相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位碩士研究生的學(xué)位課程，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程以構(gòu)建流動問題的力學(xué)模型為主線，在本科主要學(xué)習(xí)一維流動的基礎(chǔ)上，應(yīng)用自然界物質(zhì)運(yùn)動的三大守恒原理，即質(zhì)量守恒原理、動量守恒原理和能量守恒原理，在歐拉體系下導(dǎo)出黏性流體三維非恒定的流動的情況下的表達(dá)形式，即連續(xù)性方程、運(yùn)動方程和能方程，以及濃度對流擴(kuò)散方程等基本微分方程組及紊流狀況下的紊流模型，分析如何提出實(shí)際流動的初始條件和邊界條件。由于實(shí)際流體的流動非常復(fù)雜，只有極少數(shù)的情況下可以直接對三維非恒定的基本方程組進(jìn)行求解，因此，需要針對實(shí)際流動的具體情況，在空間維數(shù)、是否恒定、是否考慮流體的可壓縮性、是否考慮流動的黏性等方面對流動進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，獲得相應(yīng)的流動模型，然后進(jìn)行求解。通常所求的解是近似解，即數(shù)值解。數(shù)值求解可借助一些商用軟件完成?！案叩攘黧w力學(xué)”課程的基本要求是學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠?qū)I(yè)中所涉及的實(shí)際流動問題，簡化為滿足工程要求和精度的流動模型，并借助商用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，由于內(nèi)容偏重于理論，學(xué)生普遍反映這門課難度大、理論性強(qiáng)、涉及的高等數(shù)學(xué)知識較多，因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的畏難情緒較大、學(xué)習(xí)動力不足。然而，高等流體力學(xué)理論在專業(yè)中應(yīng)用較廣，凡是涉及流體流動的問題都直接與高等流體力學(xué)的理論有關(guān)?！爸腔鬯畡?wù)”中智能分析方面離不開高等流體力學(xué)的知識，諸多水環(huán)境設(shè)計(jì)及科研案例均與流動建模及其求解方法相關(guān)，如河流湖泊等地表水體的水質(zhì)模擬、地下水流動與污染物擴(kuò)散、管網(wǎng)供水優(yōu)化與水質(zhì)分析等說明“高等流體力學(xué)”課程內(nèi)容與“智慧水務(wù)”有較多的交集與契合度。因此，將與專業(yè)密切聯(lián)系的“智慧水務(wù)”案例引入該課程的教學(xué)中，不僅可以改變以往課程教師“滿堂灌”理論的教學(xué)模式，還可以有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高課程對學(xué)生的吸引力，提升任課教師的教學(xué)水平和教學(xué)的質(zhì)量，使學(xué)生獲取更多有關(guān)專業(yè)知識的信息，使學(xué)生的分析、表達(dá)、團(tuán)隊(duì)合作等能力得到有效鍛煉和提高。