環境類專業選修課程《水環境模擬與預測》教學實踐與探討

龔然　王慧雅　徐進　康曉榮

摘? 要：水環境模擬與預測原本是水環境學科的一個“高深”的領域，但隨著計算機和軟件平臺的快速發展，大大降低了其應用難度。與之相應的新課程《水環境模擬與預測》，可作為專業選修課在本科環境類專業開設。作者基于教學實踐，分析和探討了該課程的特點、提高教學質量的方法手段和改進措施，以期提高對此類課程的教學水平，使學生實踐能力得以正確培養，也為類似課程的教學提供一些參考。

關鍵詞：環境類專業;水環境模擬與預測;選修課

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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

水環境模擬與預測是環境領域廣泛應用的技術，是環境影響評價、環境規劃領域必不可少的工具。水環境模擬與預測屬于環境學科的一個研究方向，原本被認為是一個非常“高深”的領域，從業人員和研究人員很少。但隨著計算機技術和軟件平臺的發展，水環境的模擬與預測技術得以普及并可被廣泛應用。近年來，在我國環境規劃和環境影響評價界，有推出標準使用模型的呼聲，也就是說，未來的水環境影響評價有可能需要從業者學會使用標準模型的應用方法[1-2]。

《水環境模擬與預測》是一門新興課程，越來越多的高校環境類專業，包括水文水資源、環境科學、環境工程等專業，作為研究生的選修課程開設，也有部分高校對本科生開設該課程。筆者所在的南京工程學院是開設該課程最早的高校之一，作為一門專業選修課程，在環境工程專業本科高年級開設。筆者基于對該課程的教學實踐，就該課程的特點和如何提高教學質量等相關問題進行了探討。

一、課程特點

（一）課程難度較大

水環境模擬與預測是用模型的方法，對水體環境的變化趨勢，包括水動力、水質和水生態等方面，進行模擬與預測的統稱。一般認為是自1925年的S-P（Streetr-Phelps）模型（用于預測河流需氧量）的提出為起點，至今90余年的發展歷程。該領域牽涉到的知識門類較多，包括數學、物理、化學、生物和計算機編程等。例如，數學中需要用到偏微分方程的數值解法，計算機中涉及到程序的編制。這些知識難點造成了該領域的研究和應用難度非常大，以往通常只在專門的研究院所和高校博士課題中出現。但隨著計算機軟件計算的飛速發展，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軟件。當前可以應用該技術的人群已擴大至一般工程技術人員，在本科階段也可以涉及到該領域的相關內容。因此，隨之產生了《水環境模擬與預測》課程，該課程的一大特點就是難度較大。

（二）教學資料缺乏

《水環境模擬與預測》課程對于本科階段主要是講解基本模型的構建和應用，也就是如何應用好水環境模型軟件。目前市面上僅有一兩部專門針對該課程的教材，而且均是偏重理論的講解，幾乎沒有實際建模的應用教學。由于該領域知識難度較大，即使是許多研究者，想通過自身摸索完成建模的學習，也需要很長時間，且很多問題在建模的實踐中無法解決。在沒有參考書和專業指導的情況下，很難正確使用，沒有完整的案例可實踐，沒有技巧可循，給研究和使用帶來了很大的使用障礙，需耗時耗力地先學習理論，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，尚未見專門針對水體環境模型應用的教材和專著。因此，該課程的第二大特點即為資料的缺乏，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容，并加入了相關軟件的說明書內容，作為該課程所使用的臨時教學資料。筆者與業內專家合著的專著《地表水環境數值模擬與預測——EFDC建模技術及案例實訓》正是基于以上亟待解決的問題而撰寫，并通過真實案例詳解建模過程，力求大大簡化學習難度，未來將節選部分內容作為該課程的教學或參考資料。

（三）實踐環節特殊

《水環境模擬與預測》課程的教學過程是需要包含計算機建模的實際操作，只講理論所能達到的效果非常有限。但區別于類似《環境工程CAD技術》這樣的制圖課程的實際操作，本課程的實踐既不是技能性或技巧性的，也不是設計性的，而是真正地將所學知識運用于實踐的訓練。學生要經歷運用軟件構建河流、湖泊、水庫和海岸帶的地理位置，模擬其水流過程和水質變化過程，在計算機上完成運行計算，獲取結果，合理分析等。在此過程中，學生一定會遇到各種障礙，引發探索性的思考。盡管最終可能需要在教師的引導下才能解決，但這種思考過程會不斷地融匯管通理論知識。學生將克服很多困難，而這些克服困難的過程，正是啟發學生大量思考的過程。學生可以在完成模型構建后，設置許多假設的情景，去探求如果發生假設的情景，整個水環境會怎樣變化，也就是通常所說的“情景預測”。例如，如果遭遇歷史最大降雨，將造成什么樣的影響？如在某處建設排污口，是否符合國家環評的要求，是否對下游若干距離產生影響？這些結果，都需要運行模型獲得數據，這一過程充滿探索性和不確定性，若遇運行失敗或者結果明顯不對，排除錯誤的過程再次鞏固所學知識，這個過程可能會反復數次，這是本課程非常有特色的地方。

二、教學方法研究和改進

在教學過程中，筆者根據教學實際的效果和考評情況，對照該課程的主要特點，總結了幾點教學中應當注意的問題和可改進之處。

（一）理論知識，深入淺出，增加課前預覽

《水環境模擬與預測》課程理論難、實踐環節原本很難，但目前被大大簡化到一個合格的本科生就可以正確完成基本水環境模型的構建的程度。那么，課堂上對于理論知識的講解，就應該很好的把握住深淺程度。在32個學時的總課時中，應安排不多于16個學時的理論課較為合理。在理論課中，應特別注重基本概念和基本思想的講解，根據應用型本科院校以培養高層次應用人才為最終目的，則不應涉及復雜的數學和計算機知識，但應準確地告訴學生，如想深入學習，所應具備的知識范疇，給予學生重要的文獻列表以方便繼續學習[3]。這樣所達到的效果為學生很清楚該課程的基本原理、實現步驟和牽涉到的知識范疇，以及不同應用程度所需掌握的不同知識水平。為了更加直觀和明確地讓學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，內容包括課程總體性概述、學習后所能掌握的知識和技能、課程內容和時間安排、考核評分標準和方式，重要的文獻資料列表等。使學生在選課之時，便對該課程有一定的預覽，避免選課的盲目性。

（二）實踐環節，強調經驗，注重案例學習

水環境模擬與預測是帶有一定主觀性的，也就是說，不同的人構建出來的模型可能不盡相同。例如，對一條河流構建水環境模型，河流某處有一個排污口，在教學過程中應特別強調，考慮到排污口的存在，是否應該加密排污口附近的網格？應該加密到何種程度？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，計算效率等因素，其實并沒有唯一的答案，是需要一定的實踐經驗才能做到合理的。因此對于實踐環節，應首先明確這個觀點，并以問題和案例驅動的方式展開[4]。其次，應降低難度。如前所述，當前許多成熟的商業模型，已經完全做到了可視化和良好交互的水平。學生只要能達到對問題正確的思考和判斷，正確規范的建模，并對模擬結果具有一定的判斷力即可。再次，應強調模型應用中經驗的重要性，例如，對精度的把握，模擬本身只是盡可能地重現實際過程，所以精度只要在一定的范圍內都是合理的。目前行業內認為，對于水質指標，相對均方根誤差（RRMES）的平均值在35%以內，是模擬較好的結果。預測的誤差，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測未來的變化趨勢。因而，實踐過程和個人經驗有關，該領域的專家常說，模擬是種藝術，而不是技術。此外，該課程的實踐教學還應注重案例的介紹和學習，國際上的很多著名的水環境模型案例，如美國切薩皮克灣模型（Chesapeake Bay Model）、奧基喬比湖模型（Lake Okeechobee Model）等都是經歷了幾十年的不斷修正和改進，是非常成熟的模型。對于對該課程感興趣的同學，可引導其閱讀相關文獻。

（三）考核標準，客觀多樣，引入小組協作

對于該課程的考核應突出實踐環節的比重。目前設計的教學大綱中占30%，其中有20%是在教學進行到第28課時是進行一次建模測驗，要求學生在3個小時內，完成一個基本河流水質模型的構建全過程，剩余10%則為課堂實踐中的考評。目前教學大綱設定的理論部分考核為60%，主要考核基本概念的掌握情況。筆者根據教學實踐認為，理論部分的考核可繼續縮減為40%～50%，甚至更低，并相應地提升實踐環節的比例。原有個人建模測驗（20%）的效果并不理想，少數同學構建的模型無法運行，近半數同學的運行結果有明顯錯誤。由于分組協作的形式有利于計算機類的實踐環節的學習[5]，因此可將個人建模測驗可轉變為分組大作業的形式考核，同時增大模型構建的內容和難度。設立若干小組（4～6人），明確每人完成的工作內容，在共同完成大作業的過程中，小組成員相互協作，討論疑難點，其效果應好于獨自完成，并設置小組協作的考評機制，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，培養專門師資

水環境模擬與預測這一領域，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，大量的學習資料和模型軟件說明書都是英文資料。筆者認為，完全可以直接將該課程開設為32學時的雙語課程："Simulation and Prediction of Aquatic Environment"。一方面是該課程的內容和特點完全適合作為雙語課程開設，另一方面也提升專業建設的國際化水平。學生在學習該課程的過程中，所接觸的均是應用于實際的前沿科學技術，有利于開闊視野和與國際接軌。同時，該課程所涉及的英文主要為環境類的專業英語，難度適中。筆者認為，對于當前高校中有能力從事雙語授課的教師，應專門培養，可通過制定英語培訓計劃或送出國進修，專門地培養出雙語授課教師，從而打造出精品的雙語課程。

三、結束語

《水環境模擬與預測》在環境類專業雖然是門選修課，但因其知識難度大、資料缺乏和師資專門性等原因，開設此課程的高校并不多。筆者根據親身教學實踐，總結了改進該課程的幾點教學方法和經驗，以期提高該課程的教學質量。當前，我國環境規劃和環境影響評價界，正著手推進模型的標準化和法規化工作，以解決原有評價方法的不足，水環境模擬與預測技術必然在未來我國水環境保護事業中發揮巨大的作用。

參考文獻：

[1]趙琰鑫，趙翠平，陳巖.國內外流域水環境模型法規化建設現狀和對比研究[J].環境污染與防治，2016，38（7）：82-87.

[2]董飛，劉曉波，彭文啟，等.地表水水環境容量計算方法回顧與展望[J].水科學進展，2014，25（3）：451-463.

[3]李玉靜.應用型本科教育：人才培養目標定位[J].職業技術教育，2013，25：1.

[4]張純容，施曉秋.問題與案例驅動的課內實踐教學分級模式探索[J].實驗室研究與探索，2012，31（1）：145-148.

[5]楊俊明.分組協作式學習在中職計算機教學中的應用[J].教育現代化，2018（34）：351-352.