城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)教學(xué)的課件設(shè)計(jì)與實(shí)踐

鄭劍鋒

摘 要：水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬是《水資源利用與保護(hù)》課程的難點(diǎn)，在給排水專業(yè)學(xué)生普遍沒有學(xué)習(xí)過優(yōu)化技術(shù)的情況下，若僅憑想象，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)有一定困難。該文介紹了一種“水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬”課件設(shè)計(jì)思路，包括課件設(shè)計(jì)的基本思想、總體設(shè)計(jì)、主要內(nèi)容及應(yīng)注意的問題，直觀、簡(jiǎn)潔地將本章內(nèi)容向?qū)W生展示。

關(guān)鍵詞：城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬 基礎(chǔ)教學(xué) 課件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（c）-0098-02

《水資源利用與保護(hù)》是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的核心課，其中的水資源供需平衡分析是這門課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，教學(xué)過程中學(xué)生普遍反映，對(duì)其中的水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的學(xué)習(xí)尤為困難，甚至對(duì)于水資源系統(tǒng)優(yōu)化管理的概念都無法深刻理解，而城市水資源系統(tǒng)優(yōu)化又恰是給排水專業(yè)知識(shí)的融匯之處，掌握城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)知識(shí)，有助于學(xué)生加深對(duì)給排水專業(yè)內(nèi)涵和其它專業(yè)知識(shí)的理解。

隨著多媒體逐漸在教學(xué)中普及，將課程內(nèi)容做成集文字、聲音、圖像和視頻為一體的教學(xué)材料，具有交互性強(qiáng)、表現(xiàn)力強(qiáng)和信息量大的優(yōu)點(diǎn)。此外，將原本靜止枯燥的語言文字用有聲有色的方式表現(xiàn)出來，使學(xué)生更有興趣，也使課程內(nèi)容更易理解。筆者通過可視化教學(xué)手段，以實(shí)際所做課題為實(shí)例，將水資源系統(tǒng)的概化、模型建立、結(jié)果分析等以淺顯易懂的方式進(jìn)行講解，使學(xué)生能深刻體會(huì)城市水資源系統(tǒng)優(yōu)化管理的目的、意義及原理。

1 課件設(shè)計(jì)的基本思想

多媒體教學(xué)課件的作用在于利用多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)的手段組織教學(xué)，因此“城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析”多媒體課件應(yīng)具有如下功能：（1）在友好通用的操作平臺(tái)上進(jìn)行制作，運(yùn)用多媒體技術(shù)將圖、文、聲、動(dòng)畫集于一體，使課件具有良好的人機(jī)交互界面；（2）課件可系統(tǒng)地、有條理地演示課程的知識(shí)點(diǎn)，配合教師形象地解釋課程重點(diǎn)和難點(diǎn)；（3）通過圖片、視頻、動(dòng)畫等增強(qiáng)學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬目的及意義的感性認(rèn)知；（4）幫助學(xué)生準(zhǔn)確、快速掌握城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析的原理及流程。

2 課件設(shè)計(jì)及主要內(nèi)容

根據(jù)教學(xué)大綱的要求，課件總體按照城市水資源系統(tǒng)簡(jiǎn)介，模型構(gòu)建和成果綜合分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 城市水資源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

用文字、圖片、表、視頻配合教師向?qū)W生講解水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)發(fā)展的歷程，以及城市水資源系統(tǒng)的基本構(gòu)成，以增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，介紹目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水資源系統(tǒng)分析的最新進(jìn)展，以彌補(bǔ)教材內(nèi)容的不足，重點(diǎn)使學(xué)生了解城市水資源系統(tǒng)是由來水、用水、蓄水和輸水等子系統(tǒng)組成，具有多用途、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等多項(xiàng)效益。

2.2 建模方法簡(jiǎn)介

建模方法可分三步進(jìn)行講解：（1）講解城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬模型的基本原理，包括水資源系統(tǒng)概化、模型目標(biāo)、約束條件等；（2）講解優(yōu)化模型的基本步驟，包括模型的建立、檢驗(yàn)和運(yùn)行；（3）簡(jiǎn)單介紹最常用的建模技術(shù)。授課過程中，最好讓學(xué)習(xí)過數(shù)學(xué)建模的同學(xué)介紹學(xué)習(xí)心得和體會(huì)。

2.3 實(shí)例分析

結(jié)合筆者所完成課題的部分內(nèi)容，從城市水資源系統(tǒng)概化、建模過程和成果綜合分析進(jìn)行城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)例講解，具體如下：

（1）城市水資源系統(tǒng)概化

選擇學(xué)生熟悉的區(qū)域作為實(shí)例分析的研究區(qū)，以便于更貼近學(xué)生實(shí)際生活。根據(jù)研究區(qū)水資源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，將研究區(qū)水資源系統(tǒng)概化為三個(gè)子系統(tǒng)，分別為供水子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)和外排水子系統(tǒng)，結(jié)合圖1分別對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的要素情況進(jìn)行詳細(xì)講述。

（2）建模過程

按建模一般流程，建模過程應(yīng)從模型的決策變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、求解方法和模型驗(yàn)證四方面講解，可按以下步驟進(jìn)行講述：①?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入有關(guān)數(shù)據(jù)，如自來水和再生水月供水量、城市月徑流量、各用水單位月實(shí)際用水量等和有關(guān)參數(shù)；②以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益最大化為目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，重點(diǎn)解釋經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益的含義，并簡(jiǎn)單介紹如何將經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益用數(shù)學(xué)模型描述；③向?qū)W生介紹約束條件的含義和作用，并結(jié)合實(shí)例講解建立水量平衡約束、可利用水資源量約束、蓄水量、排澇設(shè)施輸水約束、地表水體納污能力約束、非負(fù)約束等建立的方法；④以多目標(biāo)規(guī)劃法為例，講述優(yōu)化模型的求解方法，并簡(jiǎn)單介紹幾種目前流行的模型求解方法；⑤以線性回歸的方法為例，通過模型模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合度，講解如何進(jìn)行模型驗(yàn)證。

（3）成果綜合分析

對(duì)于城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的綜合成果分析的介紹，應(yīng)包括以下內(nèi)容：①不同水平年的需水量和可供水量的平衡情況；②長(zhǎng)時(shí)間系列的水資源供需平衡情況；③城市開源、節(jié)水措施的方案規(guī)劃和定量分析；④通過多種方案的演算和情境分析，對(duì)研究區(qū)水資源供需平衡動(dòng)態(tài)變化作出分析評(píng)價(jià)。本部分是從理論到實(shí)踐的過程，要著重講解如何對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，使學(xué)生了解城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)際應(yīng)用過程，故宜采用師生互動(dòng)的方式，讓學(xué)生提出城市水資源的問題，老師輔助其他同學(xué)談解決問題的方法，這不僅擴(kuò)充了本章的內(nèi)容，也更貼近學(xué)生的認(rèn)識(shí)，更易被學(xué)生理解。

3 應(yīng)注意的問題

通過課堂教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍反映對(duì)于城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的原理和基本方法的理解更為深刻，尤其是通過具體實(shí)例的演示，使學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的建模過程有了更為直觀的了解。但在結(jié)合可視化教學(xué)手段時(shí)，仍應(yīng)注意以下問題：

（1）教師在講授這部分內(nèi)容時(shí)，決不可貪多，而應(yīng)按照城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的內(nèi)涵→建模方法→實(shí)例分析的步驟進(jìn)行講解。前言介紹主要讓學(xué)生懂得城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬作用及內(nèi)涵；建模方法的講解不是要使學(xué)生完全掌握具體方法，而是讓學(xué)生了解建模的基本原理即可；實(shí)例分析為本章講解的重點(diǎn)，一定要選擇學(xué)生所熟悉的實(shí)例，配合文字、圖片和流程圖，重點(diǎn)使學(xué)生了解理論應(yīng)用于實(shí)際的過程。

（2）課件需要有大量素材支持，因而教師要不斷收集各類有用的素材，要將平時(shí)身邊的、生動(dòng)的、直觀的可視化教材收集起來，并對(duì)素材進(jìn)行修改和完善。充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，要經(jīng)常瀏覽與水資源優(yōu)化相關(guān)的網(wǎng)站，一方面可收集各類有用的素材，另一方面也可了解最新的水資源優(yōu)化管理技術(shù)。

（3）可視化教學(xué)的素材都有一定的局限性，各類文字、圖片甚至視頻教材都無法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的實(shí)戰(zhàn)效果。因此，在使用各種可視化教學(xué)素材時(shí)，應(yīng)盡可能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生到與水相關(guān)的智能化調(diào)度中心學(xué)習(xí)參觀。

（4）在實(shí)際授課過程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)師生互動(dòng)，一方面可以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)樂趣，有助于加深學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的理解程度；另一方面，也有助于教師從學(xué)生的觀點(diǎn)中得到啟示和靈感，對(duì)教師的教學(xué)和科研工作都有極大的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 李廣賀.水資源利用與保護(hù)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 熊正為，彭福全.《水資源利用與保護(hù)》課程教學(xué)改革[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2008，30（2）：224-226.

[3] 劉艷芹.可視化教學(xué)在大學(xué)數(shù)學(xué)研究性教學(xué)中的應(yīng)用[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22（2）：55-57.

[4] 姜世華，陳新紅，梁鵬.知識(shí)可視化在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2012，10（2）：77-81.endprint

摘 要：水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬是《水資源利用與保護(hù)》課程的難點(diǎn)，在給排水專業(yè)學(xué)生普遍沒有學(xué)習(xí)過優(yōu)化技術(shù)的情況下，若僅憑想象，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)有一定困難。該文介紹了一種“水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬”課件設(shè)計(jì)思路，包括課件設(shè)計(jì)的基本思想、總體設(shè)計(jì)、主要內(nèi)容及應(yīng)注意的問題，直觀、簡(jiǎn)潔地將本章內(nèi)容向?qū)W生展示。

關(guān)鍵詞：城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬 基礎(chǔ)教學(xué) 課件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（c）-0098-02

《水資源利用與保護(hù)》是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的核心課，其中的水資源供需平衡分析是這門課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，教學(xué)過程中學(xué)生普遍反映，對(duì)其中的水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的學(xué)習(xí)尤為困難，甚至對(duì)于水資源系統(tǒng)優(yōu)化管理的概念都無法深刻理解，而城市水資源系統(tǒng)優(yōu)化又恰是給排水專業(yè)知識(shí)的融匯之處，掌握城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)知識(shí)，有助于學(xué)生加深對(duì)給排水專業(yè)內(nèi)涵和其它專業(yè)知識(shí)的理解。

隨著多媒體逐漸在教學(xué)中普及，將課程內(nèi)容做成集文字、聲音、圖像和視頻為一體的教學(xué)材料，具有交互性強(qiáng)、表現(xiàn)力強(qiáng)和信息量大的優(yōu)點(diǎn)。此外，將原本靜止枯燥的語言文字用有聲有色的方式表現(xiàn)出來，使學(xué)生更有興趣，也使課程內(nèi)容更易理解。筆者通過可視化教學(xué)手段，以實(shí)際所做課題為實(shí)例，將水資源系統(tǒng)的概化、模型建立、結(jié)果分析等以淺顯易懂的方式進(jìn)行講解，使學(xué)生能深刻體會(huì)城市水資源系統(tǒng)優(yōu)化管理的目的、意義及原理。

1 課件設(shè)計(jì)的基本思想

多媒體教學(xué)課件的作用在于利用多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)的手段組織教學(xué)，因此“城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析”多媒體課件應(yīng)具有如下功能：（1）在友好通用的操作平臺(tái)上進(jìn)行制作，運(yùn)用多媒體技術(shù)將圖、文、聲、動(dòng)畫集于一體，使課件具有良好的人機(jī)交互界面；（2）課件可系統(tǒng)地、有條理地演示課程的知識(shí)點(diǎn)，配合教師形象地解釋課程重點(diǎn)和難點(diǎn)；（3）通過圖片、視頻、動(dòng)畫等增強(qiáng)學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬目的及意義的感性認(rèn)知；（4）幫助學(xué)生準(zhǔn)確、快速掌握城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析的原理及流程。

2 課件設(shè)計(jì)及主要內(nèi)容

根據(jù)教學(xué)大綱的要求，課件總體按照城市水資源系統(tǒng)簡(jiǎn)介，模型構(gòu)建和成果綜合分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 城市水資源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

用文字、圖片、表、視頻配合教師向?qū)W生講解水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)發(fā)展的歷程，以及城市水資源系統(tǒng)的基本構(gòu)成，以增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，介紹目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水資源系統(tǒng)分析的最新進(jìn)展，以彌補(bǔ)教材內(nèi)容的不足，重點(diǎn)使學(xué)生了解城市水資源系統(tǒng)是由來水、用水、蓄水和輸水等子系統(tǒng)組成，具有多用途、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等多項(xiàng)效益。

2.2 建模方法簡(jiǎn)介

建模方法可分三步進(jìn)行講解：（1）講解城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬模型的基本原理，包括水資源系統(tǒng)概化、模型目標(biāo)、約束條件等；（2）講解優(yōu)化模型的基本步驟，包括模型的建立、檢驗(yàn)和運(yùn)行；（3）簡(jiǎn)單介紹最常用的建模技術(shù)。授課過程中，最好讓學(xué)習(xí)過數(shù)學(xué)建模的同學(xué)介紹學(xué)習(xí)心得和體會(huì)。

2.3 實(shí)例分析

結(jié)合筆者所完成課題的部分內(nèi)容，從城市水資源系統(tǒng)概化、建模過程和成果綜合分析進(jìn)行城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)例講解，具體如下：

（1）城市水資源系統(tǒng)概化

選擇學(xué)生熟悉的區(qū)域作為實(shí)例分析的研究區(qū)，以便于更貼近學(xué)生實(shí)際生活。根據(jù)研究區(qū)水資源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，將研究區(qū)水資源系統(tǒng)概化為三個(gè)子系統(tǒng)，分別為供水子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)和外排水子系統(tǒng)，結(jié)合圖1分別對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的要素情況進(jìn)行詳細(xì)講述。

（2）建模過程

按建模一般流程，建模過程應(yīng)從模型的決策變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、求解方法和模型驗(yàn)證四方面講解，可按以下步驟進(jìn)行講述：①?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入有關(guān)數(shù)據(jù)，如自來水和再生水月供水量、城市月徑流量、各用水單位月實(shí)際用水量等和有關(guān)參數(shù)；②以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益最大化為目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，重點(diǎn)解釋經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益的含義，并簡(jiǎn)單介紹如何將經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益用數(shù)學(xué)模型描述；③向?qū)W生介紹約束條件的含義和作用，并結(jié)合實(shí)例講解建立水量平衡約束、可利用水資源量約束、蓄水量、排澇設(shè)施輸水約束、地表水體納污能力約束、非負(fù)約束等建立的方法；④以多目標(biāo)規(guī)劃法為例，講述優(yōu)化模型的求解方法，并簡(jiǎn)單介紹幾種目前流行的模型求解方法；⑤以線性回歸的方法為例，通過模型模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合度，講解如何進(jìn)行模型驗(yàn)證。

（3）成果綜合分析

對(duì)于城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的綜合成果分析的介紹，應(yīng)包括以下內(nèi)容：①不同水平年的需水量和可供水量的平衡情況；②長(zhǎng)時(shí)間系列的水資源供需平衡情況；③城市開源、節(jié)水措施的方案規(guī)劃和定量分析；④通過多種方案的演算和情境分析，對(duì)研究區(qū)水資源供需平衡動(dòng)態(tài)變化作出分析評(píng)價(jià)。本部分是從理論到實(shí)踐的過程，要著重講解如何對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，使學(xué)生了解城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)際應(yīng)用過程，故宜采用師生互動(dòng)的方式，讓學(xué)生提出城市水資源的問題，老師輔助其他同學(xué)談解決問題的方法，這不僅擴(kuò)充了本章的內(nèi)容，也更貼近學(xué)生的認(rèn)識(shí)，更易被學(xué)生理解。

3 應(yīng)注意的問題

通過課堂教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍反映對(duì)于城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的原理和基本方法的理解更為深刻，尤其是通過具體實(shí)例的演示，使學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的建模過程有了更為直觀的了解。但在結(jié)合可視化教學(xué)手段時(shí)，仍應(yīng)注意以下問題：

（1）教師在講授這部分內(nèi)容時(shí)，決不可貪多，而應(yīng)按照城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的內(nèi)涵→建模方法→實(shí)例分析的步驟進(jìn)行講解。前言介紹主要讓學(xué)生懂得城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬作用及內(nèi)涵；建模方法的講解不是要使學(xué)生完全掌握具體方法，而是讓學(xué)生了解建模的基本原理即可；實(shí)例分析為本章講解的重點(diǎn)，一定要選擇學(xué)生所熟悉的實(shí)例，配合文字、圖片和流程圖，重點(diǎn)使學(xué)生了解理論應(yīng)用于實(shí)際的過程。

（2）課件需要有大量素材支持，因而教師要不斷收集各類有用的素材，要將平時(shí)身邊的、生動(dòng)的、直觀的可視化教材收集起來，并對(duì)素材進(jìn)行修改和完善。充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，要經(jīng)常瀏覽與水資源優(yōu)化相關(guān)的網(wǎng)站，一方面可收集各類有用的素材，另一方面也可了解最新的水資源優(yōu)化管理技術(shù)。

（3）可視化教學(xué)的素材都有一定的局限性，各類文字、圖片甚至視頻教材都無法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的實(shí)戰(zhàn)效果。因此，在使用各種可視化教學(xué)素材時(shí)，應(yīng)盡可能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生到與水相關(guān)的智能化調(diào)度中心學(xué)習(xí)參觀。

（4）在實(shí)際授課過程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)師生互動(dòng)，一方面可以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)樂趣，有助于加深學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的理解程度；另一方面，也有助于教師從學(xué)生的觀點(diǎn)中得到啟示和靈感，對(duì)教師的教學(xué)和科研工作都有極大的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 李廣賀.水資源利用與保護(hù)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 熊正為，彭福全.《水資源利用與保護(hù)》課程教學(xué)改革[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2008，30（2）：224-226.

[3] 劉艷芹.可視化教學(xué)在大學(xué)數(shù)學(xué)研究性教學(xué)中的應(yīng)用[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22（2）：55-57.

[4] 姜世華，陳新紅，梁鵬.知識(shí)可視化在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2012，10（2）：77-81.endprint

摘 要：水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬是《水資源利用與保護(hù)》課程的難點(diǎn)，在給排水專業(yè)學(xué)生普遍沒有學(xué)習(xí)過優(yōu)化技術(shù)的情況下，若僅憑想象，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)有一定困難。該文介紹了一種“水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬”課件設(shè)計(jì)思路，包括課件設(shè)計(jì)的基本思想、總體設(shè)計(jì)、主要內(nèi)容及應(yīng)注意的問題，直觀、簡(jiǎn)潔地將本章內(nèi)容向?qū)W生展示。

關(guān)鍵詞：城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬 基礎(chǔ)教學(xué) 課件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（c）-0098-02

《水資源利用與保護(hù)》是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的核心課，其中的水資源供需平衡分析是這門課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，教學(xué)過程中學(xué)生普遍反映，對(duì)其中的水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的學(xué)習(xí)尤為困難，甚至對(duì)于水資源系統(tǒng)優(yōu)化管理的概念都無法深刻理解，而城市水資源系統(tǒng)優(yōu)化又恰是給排水專業(yè)知識(shí)的融匯之處，掌握城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)知識(shí)，有助于學(xué)生加深對(duì)給排水專業(yè)內(nèi)涵和其它專業(yè)知識(shí)的理解。

隨著多媒體逐漸在教學(xué)中普及，將課程內(nèi)容做成集文字、聲音、圖像和視頻為一體的教學(xué)材料，具有交互性強(qiáng)、表現(xiàn)力強(qiáng)和信息量大的優(yōu)點(diǎn)。此外，將原本靜止枯燥的語言文字用有聲有色的方式表現(xiàn)出來，使學(xué)生更有興趣，也使課程內(nèi)容更易理解。筆者通過可視化教學(xué)手段，以實(shí)際所做課題為實(shí)例，將水資源系統(tǒng)的概化、模型建立、結(jié)果分析等以淺顯易懂的方式進(jìn)行講解，使學(xué)生能深刻體會(huì)城市水資源系統(tǒng)優(yōu)化管理的目的、意義及原理。

1 課件設(shè)計(jì)的基本思想

多媒體教學(xué)課件的作用在于利用多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)的手段組織教學(xué)，因此“城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析”多媒體課件應(yīng)具有如下功能：（1）在友好通用的操作平臺(tái)上進(jìn)行制作，運(yùn)用多媒體技術(shù)將圖、文、聲、動(dòng)畫集于一體，使課件具有良好的人機(jī)交互界面；（2）課件可系統(tǒng)地、有條理地演示課程的知識(shí)點(diǎn)，配合教師形象地解釋課程重點(diǎn)和難點(diǎn)；（3）通過圖片、視頻、動(dòng)畫等增強(qiáng)學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬目的及意義的感性認(rèn)知；（4）幫助學(xué)生準(zhǔn)確、快速掌握城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析的原理及流程。

2 課件設(shè)計(jì)及主要內(nèi)容

根據(jù)教學(xué)大綱的要求，課件總體按照城市水資源系統(tǒng)簡(jiǎn)介，模型構(gòu)建和成果綜合分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 城市水資源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

用文字、圖片、表、視頻配合教師向?qū)W生講解水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)發(fā)展的歷程，以及城市水資源系統(tǒng)的基本構(gòu)成，以增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，介紹目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水資源系統(tǒng)分析的最新進(jìn)展，以彌補(bǔ)教材內(nèi)容的不足，重點(diǎn)使學(xué)生了解城市水資源系統(tǒng)是由來水、用水、蓄水和輸水等子系統(tǒng)組成，具有多用途、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等多項(xiàng)效益。

2.2 建模方法簡(jiǎn)介

建模方法可分三步進(jìn)行講解：（1）講解城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬模型的基本原理，包括水資源系統(tǒng)概化、模型目標(biāo)、約束條件等；（2）講解優(yōu)化模型的基本步驟，包括模型的建立、檢驗(yàn)和運(yùn)行；（3）簡(jiǎn)單介紹最常用的建模技術(shù)。授課過程中，最好讓學(xué)習(xí)過數(shù)學(xué)建模的同學(xué)介紹學(xué)習(xí)心得和體會(huì)。

2.3 實(shí)例分析

結(jié)合筆者所完成課題的部分內(nèi)容，從城市水資源系統(tǒng)概化、建模過程和成果綜合分析進(jìn)行城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)例講解，具體如下：

（1）城市水資源系統(tǒng)概化

選擇學(xué)生熟悉的區(qū)域作為實(shí)例分析的研究區(qū)，以便于更貼近學(xué)生實(shí)際生活。根據(jù)研究區(qū)水資源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，將研究區(qū)水資源系統(tǒng)概化為三個(gè)子系統(tǒng)，分別為供水子系統(tǒng)、用水子系統(tǒng)和外排水子系統(tǒng)，結(jié)合圖1分別對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的要素情況進(jìn)行詳細(xì)講述。

（2）建模過程

按建模一般流程，建模過程應(yīng)從模型的決策變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、求解方法和模型驗(yàn)證四方面講解，可按以下步驟進(jìn)行講述：①?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入有關(guān)數(shù)據(jù)，如自來水和再生水月供水量、城市月徑流量、各用水單位月實(shí)際用水量等和有關(guān)參數(shù)；②以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益最大化為目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，重點(diǎn)解釋經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益的含義，并簡(jiǎn)單介紹如何將經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益用數(shù)學(xué)模型描述；③向?qū)W生介紹約束條件的含義和作用，并結(jié)合實(shí)例講解建立水量平衡約束、可利用水資源量約束、蓄水量、排澇設(shè)施輸水約束、地表水體納污能力約束、非負(fù)約束等建立的方法；④以多目標(biāo)規(guī)劃法為例，講述優(yōu)化模型的求解方法，并簡(jiǎn)單介紹幾種目前流行的模型求解方法；⑤以線性回歸的方法為例，通過模型模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合度，講解如何進(jìn)行模型驗(yàn)證。

（3）成果綜合分析

對(duì)于城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的綜合成果分析的介紹，應(yīng)包括以下內(nèi)容：①不同水平年的需水量和可供水量的平衡情況；②長(zhǎng)時(shí)間系列的水資源供需平衡情況；③城市開源、節(jié)水措施的方案規(guī)劃和定量分析；④通過多種方案的演算和情境分析，對(duì)研究區(qū)水資源供需平衡動(dòng)態(tài)變化作出分析評(píng)價(jià)。本部分是從理論到實(shí)踐的過程，要著重講解如何對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，使學(xué)生了解城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)際應(yīng)用過程，故宜采用師生互動(dòng)的方式，讓學(xué)生提出城市水資源的問題，老師輔助其他同學(xué)談解決問題的方法，這不僅擴(kuò)充了本章的內(nèi)容，也更貼近學(xué)生的認(rèn)識(shí)，更易被學(xué)生理解。

3 應(yīng)注意的問題

通過課堂教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍反映對(duì)于城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的原理和基本方法的理解更為深刻，尤其是通過具體實(shí)例的演示，使學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的建模過程有了更為直觀的了解。但在結(jié)合可視化教學(xué)手段時(shí)，仍應(yīng)注意以下問題：

（1）教師在講授這部分內(nèi)容時(shí)，決不可貪多，而應(yīng)按照城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的內(nèi)涵→建模方法→實(shí)例分析的步驟進(jìn)行講解。前言介紹主要讓學(xué)生懂得城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬作用及內(nèi)涵；建模方法的講解不是要使學(xué)生完全掌握具體方法，而是讓學(xué)生了解建模的基本原理即可；實(shí)例分析為本章講解的重點(diǎn)，一定要選擇學(xué)生所熟悉的實(shí)例，配合文字、圖片和流程圖，重點(diǎn)使學(xué)生了解理論應(yīng)用于實(shí)際的過程。

（2）課件需要有大量素材支持，因而教師要不斷收集各類有用的素材，要將平時(shí)身邊的、生動(dòng)的、直觀的可視化教材收集起來，并對(duì)素材進(jìn)行修改和完善。充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，要經(jīng)常瀏覽與水資源優(yōu)化相關(guān)的網(wǎng)站，一方面可收集各類有用的素材，另一方面也可了解最新的水資源優(yōu)化管理技術(shù)。

（3）可視化教學(xué)的素材都有一定的局限性，各類文字、圖片甚至視頻教材都無法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的實(shí)戰(zhàn)效果。因此，在使用各種可視化教學(xué)素材時(shí)，應(yīng)盡可能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生到與水相關(guān)的智能化調(diào)度中心學(xué)習(xí)參觀。

（4）在實(shí)際授課過程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)師生互動(dòng)，一方面可以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)樂趣，有助于加深學(xué)生對(duì)城市水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的理解程度；另一方面，也有助于教師從學(xué)生的觀點(diǎn)中得到啟示和靈感，對(duì)教師的教學(xué)和科研工作都有極大的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 李廣賀.水資源利用與保護(hù)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 熊正為，彭福全.《水資源利用與保護(hù)》課程教學(xué)改革[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2008，30（2）：224-226.

[3] 劉艷芹.可視化教學(xué)在大學(xué)數(shù)學(xué)研究性教學(xué)中的應(yīng)用[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22（2）：55-57.

[4] 姜世華，陳新紅，梁鵬.知識(shí)可視化在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2012，10（2）：77-81.endprint