專業碩士研究生教學案例庫構建研究
——以智慧水務教學案例庫為例

汪昆平，翟 俊，陳猷鵬，曾曉嵐，付國楷

（重慶大學 環境與生態學院，重慶 400044）

引言

新興信息技術革命正驅動著全球工程教育的深刻變革，知識總量快速增長，知識需求日新月異，這對研究生工程教育教學理論、模式及教學內容、教學資源提出了全新的要求。限于規定學時內完成有限內容的傳統教學模式越來越不能適應社會需求，特別是教材內容更新頻率越來越跟不上知識增長頻率，學生知識陳舊的問題越來越突出，規模化課堂統一傳授知識與社會知識需求多樣化要求的矛盾也越來越突出。面對這樣的形勢，在《專業學位研究生教育發展方案（2020—2025）》中，國務院學位委員會、教育部明確要求專業學位研究生培養要造就“創新型、復合型、應用型人才”，在適應社會分工日益精細化、專業化、對人才需求多樣化方面發揮優勢。

城市水務是應城市發展需求而設立的，是城市經濟社會發展的命脈。智慧水務是基于信息技術為城市水務提供信息化、智慧化支撐。構建全方位城市智能水務系統，利用計算機模型和智能控制模型，形成“水務物聯網”，可降低城市水務系統建設和運營成本，提升工作效率、升級功能，實現智能自動運行和調度，測控城市供水、排水、水環境風險，由數據推演預測水問題情勢，并提供相關依據供決策參考。隨著物聯網、大數據、云計算的興起，智慧水務發展迅猛。智慧水務涉及的知識體系，并非通過對傳統水務人才培養知識體系的簡單修訂就可達成。基于這樣的情形，本文探討了在學時有限的條件下，通過構建智慧水務案例庫，既為“線（網）上+線（網）下”混合式教學提供素材，又基于相應的資源引導幫助學生進行以需求為導向、以問題解決為導向的自主學習，培養鍛煉學生分析問題、探索與解決問題、進行創新的意識與能力，為智慧水務專業碩士研究生人才培養的多樣化途徑創造條件。

一、智慧水務案例庫建設目標

案例庫建設，應體現專業學位研究生教學內容與方法改革，除反映相關課程的時效性，特別應重視適應實踐應用能力和創新能力的培養鍛煉。智慧水務案例庫建設目標為：構成以解決智慧水務實際問題為中心的案例庫，為智慧水務現行教育教學提供案例素材，同時為專業碩士研究生以問題解決為導向的自主學習提供系統性引導，使之能夠圍繞城市廠網一體化聯合調度的應用需要，熟悉地理信息系統、物聯網、云計算、大數據等技術，能關聯在線監測和管網運維，參與數據平臺、應用平臺的建設、完善，實施對排水戶、管網、調蓄池、泵站、污水廠等水務基礎設施的一體化監測、運維、管理和服務，實現自動化監測、實時化調度、網絡化事務處理、系統化管理、科學化決策、規范化服務的技術系統構建與功能發揮。

二、智慧水務案例庫建設的指導思想

在這個知識爆炸式增長、工程教育教學發生深刻變革的背景下，基于傳統教育教學模式獲取知識已不能滿足社會創新發展的需要，案例庫不應只是傳統課堂教學的素材。世界各國都已將知識的自主獲取作為驅動創新發展的重要手段，重視學生核心素養的培育，將大學生的自主學習意識、自主獲取知識能力作為核心素養框架的核心和本質，但在目前我國教育教學實踐中，還缺少相應的保障機制和資源。

利用案例庫的教育教學，應能夠充分體現構建主義的以學生為中心，引導學生以需求、問題解決為導向主動發現與探索，并構建相應的知識體系；依托案例庫，使教育教學主體逐漸從“以教為主”向“以學為主”轉變，使與時代發展相適應的教學內容、教學資源、教學模式重構和重組的改革能夠逐漸得以拓展延伸。相對傳統的教育教學內容，案例涉及的知識新，與新的時代需求呼應，特別是案例源于實踐，具有很強的實用性。利用其解決實際問題，可關聯涉及的多樣化知識，構成起以解決相應問題為中心的知識體系。利用共享開放性案例庫，通過“線（網）上+線（網）下”混合式教學方式，即可輔助完成規定的教學任務，也可幫助學生基于自己的興趣愛好參與產學研活動；基于實際問題的解決，選擇案例庫中的相關案例，自主學習，可獲得解決問題的知識、方法。通過案例引導學生以問題解決為導向進入角色，進行案例自主學習、消化、吸收、分析、討論，可明確解決實際問題的途徑、方法。通過這種以問題解決為導向的自主學習，學生將逐漸形成以問題解決為導向的，自主學習、分析問題、探索與解決問題、進行創新的意識與能力。同時，學生基于自己的興趣、愛好，通過針對性地利用特定案例，參與、介入多樣化的產學研活動，能夠適應多樣化人才培養要求。

三、智慧水務案例庫的建設實踐

智慧水務涉及的知識體系覆蓋面廣，在案例庫建設過程中，需要充分進行水環境工程與給排水工程學科間的交叉、滲透、融合。要重視智慧水務的完整邏輯結構、知識體系，重視為學生的自主學習提供系統引導、素材資源保障；同時，兼顧現行相關課程教學大綱要求，為完成現行教學任務提供豐富、生動的素材。要基于全方位收集的城市智能水務系統，詮釋利用計算機模型和智能控制模型形成的“水務物聯網”，明確智慧化如何降低城市水務系統建設和運營成本，提升工作效率，升級功能，并實現智能自動運行和調度，測控城市供水、排水、水環境風險，由數據推演預測水問題情勢，并為相關決策提供參考與依據。

（一）案例庫內容

本案例庫包括“智慧海綿城市系統”“智慧供水系統”“智慧排水系統”“智慧建水系統”“智慧水環境系統”“智慧防洪排澇系統”“智慧水務綜合系統”7個方面共22個案例。

1.智慧海綿城市系統。（1）雨水綜合利用案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過綠地、景觀塘等城市設施，實現雨水滲透、凈化、儲存滯蓄、調節回用、集中和分散相結合的水污染控制與治理，以及雨水及再生水的循環利用等功能。（2）海綿城市系統智慧化途徑案例（現行大綱未包括），通過改進海綿城市系統建設與運維監管方式、城市雨水資源狀態和數據采集、城市雨水資源體系的建模、統計和利用過程的數字化動態監測、一體化的業務監管云平臺，實施海綿城市系統建設，實現海綿城市系統智能化管理、運維及與市民體驗交互的服務。（3）內澇防控智慧海綿城市系統案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過智慧化的數字手段，從宏觀尺度對內澇災害進行風險評估，建立智慧海綿監管平臺，進行海綿單元按源頭減排的過程控制，進行情景模擬與低影響措施的開發與布設，實現防洪排澇設計、生態修復、景觀、集成多尺度多時態的風險排除和安全預警等功能。

2.智慧供水系統。（1）智能供水系統設計案例（覆蓋現行大綱部分內容），利用一體式傳感器、水力模型、DMA分區計量技術降低管網漏損，通過聯網技術、大數據分析技術、GIS技術、計算機技術、一體式傳感器、水力模型等應用，實現一體化的綜合性供水運營管理。（2）供水管網智慧管理案例（覆蓋現行大綱部分內容），針對能源資源浪費方面城市供水管網漏損的問題、原因，以及我國當前城市供水管網的漏損情況，通過基于壓力驅動漏失（PDD）的管網建模技術、三層級管網分區技術、管網動態壓力調控技術、基于貝葉斯與盲源分離算法的漏失評價定位技術、基于異網通信的城市管網在線監控系統技術，實現供水管網的優化智慧管理。（3）智慧水廠案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過物聯網、云計算、大數據、人工智能、BIM、遠程監控等新一代信息技術，建設生產、運行、維護、調度和服務等全方位、全過程各環節高度信息互通、反應快捷、管理有序的高效節能、綠色環保、環境舒適水廠。（4）智慧供水在線監測案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過SCADA系統對供水運行設備進行監視和控制，關聯GIS系統對海量空間數據、拓撲結構、拓撲關系進行有效管理，構建集地圖管理、管網編輯、SCADA監控、爆管監察、系統管理等于一體的供水管網在線監測系統，實現數據采集、設備控制、參數調節以及各類報警、與空間相關的查詢統計、空間分析等功能。

3.智慧排水系統。（1）城市面源SWMM模型案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過SWMM模型的建立、率定與驗證，利用SWMM模型分析城市雨水排水系統對雨水徑流及面源污染負荷總量的收集及輸送能力，識別城市雨水排水系統的薄弱環節以及城市雨水排水系統對面源污染總量控制的貢獻，分析城市雨水管道系統輸移城市初期雨水的污染負荷變化規律，實現城市雨水的高效收集及調蓄，提高城市面源污染控制率。（2）智慧排水體系構建案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過GIS系統，利用感知監測網、物聯網、云計算、移動互聯網、工業控制和水力模型等新一代信息技術手段，構建安全預警平臺，以城市排水設施數據為基礎，結合管網監控數據、氣象雨情狀況，全方位感知市政排水運行工況，提高應急指揮及快速處置能力，實現城市匯水區智能劃分、排水科學合理規劃、防澇預測。（3）智慧排水體系安全機制案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過智慧排水系統網絡感知層、網絡層及應用層、在線監測、智慧排水系統安全機制、智慧排水系統標準化體系，實現城市排水管網有害氣體安全檢測與預警、污水處理設施應對沖擊負荷的聯動調控、城市排水設施的安全運行與應急調度。

4.智慧建水系統。（1）高層建筑供水系統智能精細化節水案例（覆蓋現行大綱部分內容），針對高層建筑不同供水模式的用水規律和特征、精細節水控制和用水舒適度的需求，以自動控制為基礎，通過選擇節水控制環節或設施，采用多點壓力和流量實時監測、反饋與智能控制，實現管網漏損的控制管理、加壓設備的優化。（2）高層消防系統案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過構建物聯網消防水系統，實現系統及設備的水位和水壓監控、水泵狀態監測、系統流量測試、各種信號反饋聯動、系統巡檢，實現系統運行狀況遠程監控、火災數據實時傳送。（3）智慧建水案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過集成一體化二次給水系統，實現變頻控制器智能泵自動啟停運行，對給水水量、水質和水壓進行智能控制和系統故障等信息查詢，實現對系統的數據采集、數據分析、遠程控制及高效運行。

5.智慧水環境系統。（1）河流水環境治理-防洪排澇、水資源調度、水生態維護協調案例（覆蓋現行大綱部分內容），綜合運用物聯網、大數據、模型模擬、地理信息系統、3D可視化、虛擬現實技術等構建水環境智慧管理系統，通過信息化技術工程與主體工程的同步建設、同步運行，實現城市河流綜合治理與區域防洪排澇、水資源優化調度、水環境監控保護與水生態恢復重建等的優化匹配。（2）河流流域環境綜合整治-多功能項目協同案例（覆蓋現行大綱部分內容），通過排水管網優化完善、溢流污染調蓄、水質提升回用、河湖滯蓄海綿、河湖綠岸構建、流域管控智慧化等工程，實現河流域的水庫、河道、水質提升回用設施、濕地、補水管線的統一管理和調控，實現區域水環境管理水平的全面提升。（3）河流生態治理工程-信息化的應用與協同案例（現行大綱未包括），針對河流水環境治理和生態修復，通過綜合運用以物聯網、云計算和公共信息平臺為代表的技術和手段，實現跨地區、跨部門、跨層級的信息共享，實現城市信息資源的全面感知、全面整合、全面挖掘、全面分析、全面共享和全面協同，實現城市管理和服務水平的全面提升。

6.智慧防洪排澇系統。（1）雨量防洪規劃案例（覆蓋現行大綱部分內容），基于暴雨資料選樣、資料插補延長、面雨量計算、特大暴雨處理以及頻率分析、由雨量資料推求設計洪水量以及防洪匹配措施，通過物聯網、云計算、移動互聯、大數據等技術手段，建設統一管理的城市排水防澇數字信息化管控平臺，實現城市排水防澇數字信息化管控、一張圖雨洪狀態呈現、排水防澇設施的管養、排水防澇智能規劃、排水防澇業務審批管理、內澇預警、內澇應急調度等功能。（2）智慧雨情監測案例（現行大綱未包括），通過雨量站點的優化布設，由自動雨量站、數據通信網絡、數據中心工作站及其局地計算機網絡組成的自動雨量站監測網絡，實現對城市雨情的智慧監測、數據處理和反饋。（3）智能城市防汛監測系統案例（現行大綱未包括），基于實時更新的短時氣象雷達預報數據，以及湖泊河道、排水管網、閘門、泵站、調蓄池、污水廠、尾水濕地等水利要素的監測數據，實現雨水管網水力狀態、地表徑流、城市內澇、合流制及分流制溢流、污染物遷移和擴散等實時模擬計算，及時發現并管控風險。

7.智慧水務綜合系統。（1）供排水全過程智慧化管理案例（現行大綱未包括），基于集成工藝監控、設備管理、化驗管理及能耗管理等生產單位的控制系統，實現水質智慧保障RTB系統全程監控水質安全；利用“互聯網+在線監控”技術，建立管網地理信息系統，收集、處理供水的基礎設施和供水動態活動的相關信息，并實時傳輸、控制、生成數據信息。（2）智慧水務一體化平臺案例（現行大綱未包括），通過智慧水務一體化平臺的構建，在生產管理系統實現水力模擬、能耗管理、SCADA調度，在運維管理系統實現GIS、DMA功能，在經營管理系統實現手機抄表、自助繳費功能，在客戶服務體系實現微信公眾號、門戶網站功能，在綜合管理系統實現決策分析、工程智慧管理等功能。（3）智慧水務建設實施案例（現行大綱未包括），基于物聯網技術的智慧水務傳輸網絡，通過信息傳感設備的立體感知，借助水務云實現對海量信息的匯集、處理、分析、管理和服務，實現數據采集自動化、信息傳輸網絡化、應急管理數字化、信息處理實時化、預報決策智能化。

（二）案例結構形式

各案例結構形式包括案例背景、主題與案例問題、情景與細節描述、評析等。以文字說明、工程圖、實景圖片及動態視頻為主。

1.背景。呈現針對的問題或困擾事件，說明案例發生的特別原因或條件。

2.主題與案例問題。提煉案例的核心理念，從最有收獲、最有啟發的角度確定主題。呈現圍繞主題的各種問題，這些問題能夠闡述案例的主題，揭示各種困惑，關聯有關理論，啟發學生的討論和反思。

3.情景與細節描述。基于原始材料，環繞主題，篩選、剪裁情節，有針對性地描寫特定的內容，明晰關鍵細節，層層演進，引人入勝。

4.評析。從不同理論視角切入，理論聯系實際，詮釋案例的意義和價值。

結語

隨著科學技術與信息技術的飛速發展，傳統的研究生教學模式已不能適應現代人才培養對個性化、創新開拓性的要求。依托案例庫輔助教學，不僅可為現行工程教育教學提供豐富生動的教學素材與資源，彌補教育與實踐的疏離，而且可作為進行專業研究生教育教學改革的契機，探索、拓展新的教育教學模式，引導學生以需求為導向、以問題解決為導向，在產學研等活動中扮演積極主動的角色，通過相關案例進行自主學習，逐漸培養學生成為創新型、復合型、應用型的高素質人才。