虛擬仿真在《水文預報》課程教學中的應用*

魏 娜，解建倉，羅軍剛，宋孝玉

（1.西安理工大學 水利水電國家級實驗教學示范中心，陜西 西安 710048；2.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048）

一、引言

2019 年2 月中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《加快推進教育現代化實施方案（2018-2022 年）》，強調大力推進教育信息化，促進信息技術與教育教學深度融合，支持學校充分利用信息技術開展人才培養模式和教學方法改革，逐步實現信息化教與學應用師生全覆蓋，將教育信息化作為教育系統性變革的內生變量。虛擬仿真實驗教學作為國家信息化教育戰略的重要實踐內容，已經成為工科學生工程能力及創新能力培養的重要手段，其教育模式、教學方法、教學手段不斷得以完善[1-9]。水文與水資源工程專業作為水利行業的重要專業領域之一，為與國民經濟發展密切相關的多個支柱產業提供智力支撐，教育信息化革新了傳統水文與水資源工程專業的教學模式，提出了許多新思想、新理念、新戰略與新舉措，因此，與時俱進地將其貫穿于水利人才培養全過程中，以滿足現代水利理念對人才培養的需求。目前，國外單獨開設水文與水資源工程本科專業的學校較少，大多數在土木工程專業、環境專業或者地學類專業，且多以研究生教育為主，國內有50 余所高校開設了水文與水資源工程專業，且多數高校已經構建了水文與水資源類專業的人才培養特色[10][11]。

西安理工大學水文與水資源工程專業是全國水文學及水資源學科獲批的首批重點學科，在多年教學實踐中，形成了“注重基礎、強化實踐、推進創新”的專業特色。2017 年，西安理工大學“水資源與水環境虛擬仿真實驗教學中心”正式獲批陜西省虛擬仿真實驗教學中心，中心立足“以學生發展為中心”，面向全院學生開展教學改革，建立以課程教學內容為主題，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，在教學過程中發揮重要作用。中心以知識可視化綜合集成平臺為支撐[12]，采用面向服務的體系結構（SOA）技術、Web Service 技術及組件技術等，構建了集成應用模式下的水文水資源虛擬仿真實驗教學系統，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，為保證虛擬仿真實驗教學質量提供了必要的物質基礎。本文針對《水文預報》這一專業主干課程，闡述《水文預報》虛擬仿真教學的必要性、實施方案及考核，探討虛擬仿真實驗教學在革新傳統教學模式、教學方法、教學手段中發揮的重要作用。

二、《水文預報》虛擬仿真教學的必要性

1.水資源系統的特殊性

水資源系統是一個動態演化的復雜系統，氣候、地質、植被等自然條件變化對水資源的質與量及其分布狀況產生影響，人類活動（用水需求增加、水利工程建設、非常規水源利用、地下水開發利用等）也直接或者間接對水資源的質與量及其時空分布產生影響。水資源系統作為一個“人工—自然”復合的復雜系統，具有跨區域、多尺度、動態性、多目標性及隨機性等特點，例如，在時間尺度上具有過去時、現在時、將來時、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劃、設計、開發、利用和保護具有不確定性，小尺度的微觀機理可以通過真實實驗來實現，大尺度的宏觀規律或機理真實實驗則無法實現，亟需借助虛擬仿真教學來提高學生的認知水平和實踐能力。

2.課程培養的必要性

《水文預報》作為水文學科的重要組成部分，是一門理論、技術和實踐均較強的專業課程。水文預報工作要服務于生產實際，必須從“單一”的預報轉向“預報→調度→決策”的全過程服務，尤其是在防洪減災中，洪水預報為調度決策提供重要的科學依據，關系到人民生命財產安全和經濟社會穩定發展的大局[13]。由于水資源系統的特殊性，導致真實實驗環境復雜、實驗成本高、部分實驗不可及等現實局限，如流域水文模擬、河道洪水演進、實時洪水預報等。隨著信息時代的到來，計算機的發展有了新突破，在水文預報領域逐漸推廣，水文模擬技術逐步提高，在水文預報方法、水文模型、水文預報系統及新技術應用等方面均有很大提高，開展《水文預報》課程虛擬仿真實驗，填補了真實實驗無法實現的教學實驗項目，為學生創新實踐能力的培養奠定了堅實的基礎。

3.專業培養的緊迫性

在工程教育認證理念下，水文與水資源工程專業要求培養品德優良、基礎理論和專業技能扎實、創新意識強、實踐能力突出，具有國際視野和良好發展潛力的高素質復合型人才。實驗教學作為高校教學、研究、培養高素質人才的重要途徑，踐行“虛實結合”的創新實踐培養模式，開展大數據支撐下的教育治理能力優化行動，構建“互聯網+教育”支撐服務平臺，打破傳統教育的封閉狀態，突破傳統教育的時空界限，實現推動以互聯網等信息化手段服務教育教學全過程，把學生培養成“水利+信息技術”“水利+生態”“水利+環境”“水利+管理”等的復合型人才，適應國家對未來人才的廣泛需求。

4.現代水利發展的必然性

隨著計算機與信息技術的飛速發展，物聯網+、大數據、云計算已成為水利信息化應用研究的熱點，是傳統水利的主要方向。以前無法實現的實驗、不能開展的實驗，目前都可以借助最新的信息技術在計算機中開展虛擬仿真實驗。虛擬現實技術、三維建模與可視化、3S 技術（遙感技術、地理信息系統和全球定位系統的統稱）、數字地球技術等都已在水利工程建設與運行管理中得到廣泛應用。現代水利就是要打破常規，將各種先進的信息技術應用于教育教學過程中，開展虛擬仿真實驗教學，是革新傳統教學方式方法的迫切需要，也是實現水利現代化的迫切需要。

三、《水文預報》虛擬仿真教學的實施方案

水文學是地球科學的一個重要分支，是一門研究地球上水的時空分布與運動規律并應用于水資源的規劃、設計、開發、利用和保護的科學[14]。《水文預報》作為水文學科的重要組成部分，在水文現象基本規律和水文模型研究的基礎上，緊密結合生產實踐，構建預報方法或預報方案，從而解決生產實踐中的問題，也是目前普遍采用的有效的非工程措施之一[15]。20 世紀60 年代，專家學者對數學模擬的概念進行了改造與完善，使流域水文模型在水文學科領域得到廣泛應用，水文模型是對自然界中復雜水文現象的一種概化，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識水文規律的重要工具，對流域產匯流分析、洪水預報以及水資源的開發、利用和保護等具有重要的現實意義。隨著水文學科領域自身的發展，加之不同社會發展階段新技術的產生與融合，各國水文學家先后開發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行虛擬仿真實驗教學。

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構設計，主要包括蒸發產流計算、水源劃分計算、坡地匯流計算、河道匯流計算四個層次，并將全流域劃分為若干個單元流域[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，方框內的字母代表狀態變量），各個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。在生產實踐中，模型多存在結構復雜、參數多且不易確定、預報精度不達標、修正困難等問題，采用虛擬仿真實驗教學，學生可以系統地掌握模型各個層次結構之間的聯系、不同類型參數的功能（如蒸散發參數、產流參數、分水源參數、匯流參數等）、對預報精度的影響等，全方位、多層次、多角度地理解模型的原理，掌握模型的結構與性能。

圖1 單元流域新安江模型流程圖

圖2 新安江流域水文模型虛擬仿真實驗界面

圖2 所示為新安江流域水文模型虛擬仿真實驗界面，該實驗將教學實驗流程以可視化的方式展現，學生可以依據實驗流程一步步完成實驗，包括初始數據輸入、模型參數率定、模型計算、反饋修正、確定最終模擬結果等。此外，學生可以通過不同的氣象條件、地理條件、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行對比分析。

以蒸發產流過程為例，如圖3 所示為新安江流域水文模型參數率定界面，依據參數的物理意義調整參數值，包括地下徑流出流系數（KG）、壤中流出流系數（KSS）、平均自由蓄水容量（SM）、不透水面積參數（IMP）等，由于涉及參數多、信息量少，分析蒸發產流過程所涉及各個參數的敏感性和相關性，避免出現參數的相關性、不穩定性和不唯一性等問題。通過模擬計算，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）。對比預報洪水流量總過程和實測洪水流量總過程，如圖4 所示，并對洪水預報結果進行綜合評定，包括洪峰流量絕對誤差、洪峰流量相對誤差、確定性系數、峰現時間等，分析水文預報誤差產生的原因，使水文預報精度更具可靠性和有效性。

圖3 新安江流域水文模型參數調整界面

圖4 新安江流域水文模型洪水預報結果

四、《水文預報》虛擬仿真教學的考核

考核是教學過程中不可或缺的環節。首先，考試內容具有科學性和嚴密性，要突出創新人才培養的要求；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、參與項目、實踐操作等；最后，考試評分具有科學性，包括知識、能力、素質的綜合評判。本課程考核包括平時成績（10%）、實驗成績（20%）、卷面考核（70%）三部分，目前對于學生虛擬仿真實驗考核還沒有定量的方法。隨著虛擬仿真實驗在教學和科研中的深入發展，后期將建設虛擬仿真實驗考核與管理系統，制定切實可行的考核實施辦法，包括實驗教學、實驗考核、實驗操作預約、實驗答疑等，一方面促進實驗室各項規章制度的進一步健全和完善，使實驗考核不斷規范化、科學化；另一方面促進實驗教學的全面開展，提高實驗開課率和儀器設備使用率。

五、結論

《水文預報》作為一門理論性、技術性和實踐性較強的課程，教師在教學過程中要勇于探索和實踐，打破傳統培養模式單一、實驗內容形式固定、學生自主創造受限等局限，將信息技術與教育教學深度融合，充分利用信息技術開展人才培養模式和教學方法改革，提升學生學習專業知識的積極性，激發學生自主發展潛力，強化學生專業知識的實際運用能力。

《水文預報》虛擬仿真實驗教學突破傳統實驗室分散的、封閉式的管理、服務對象單一、共享機制不完善等不足，不受時間、空間的限制，只要有網絡的地方就可以動手做實驗，將原理融入實驗過程，有效引導學生搭建完整的知識體系，使學生在實驗活動中由“要我做實驗”變為“我要做實驗”，實現了真正意義上的資源整合、開放共享，為培養學生自主學習能力和開展創新實踐訓練提供支撐。

虛擬仿真教學的實施盡管已經取得了一定的效果，但仍有很大發展空間，以《水文預報》課程的教學為例，虛擬仿真可以打破跨學科的實驗屏障，注重多學科交叉滲透，支撐復雜的多學科交叉的系統性實驗，提升實驗教學效果，降低教學成本，同時可以與教師的科研項目和課題研究相結合，從而進一步提升高等學校科學研究與創新服務能力。