城市水工程计算机应用教学研究

刘吉明 岳秀萍

太原理工大学环境科学与工程学院 山西太原 030024

城市水工程计算机应用是给水排水专业为培养宽口径、高素质学生设立的一门跨专业、跨学科的综合课程。与其他单纯依靠记忆的课程不同，该课程要求理解的内容多，实践性非常强，知识和能力并重，涉及数学(包括高等数学、线性代数、概率论和数理统计以及数值分析等)、给水排水专业课程(水力学、水文学与供水水文地质学、水泵与水泵站、给水排水管网系统、水质工程学、建筑给水排水以及水工程经济等)和计算机语言等知识[1,2]。学习城市水工程计算机应用，学生既需要对专业课的基本原理融会贯通，又需要掌握数学原理和方法，还需要通过计算机语言实现这些原理，这对学生的挑战性很大。教师如果想进一步激发学生学习的主动性，提高他们的专业素养和计算机应用能力，培养学生综合解决问题的能力，就需要在计算机语言选择、案例设计和实践等方面进行改革。

1 计算机应用语言的选择

给水排水专业大量涉及科学计算，如管网设计中大量利用的水力计算表制作的实质是非线性方程求解，管网平差涉及线性方程求解，技术经济分析和方案比较涉及优化问题，污水生物处理的动力学研究涉及微分方程。如果利用FORTRAN或C语言求解这些问题，不但需要学生掌握专业知识并提炼出数学模型，而且需要掌握数学模型的求解方法，如非线性方程求解需利用二分法、迭代法或牛顿法，线性方程求解需利用消去法或迭代法，然后通过代码来实现这些算法。很多语句代码需要学生有较高的数学知识储备和计算机理论、实际操作技能。编写的程序代码冗长，调试运行耗费时间长，学生很容易失去对课程学习的信心和兴趣。MATLAB作为一种简单、高效、功能强大的计算和绘图语言，结构性好，可读性强，编程、调试、分析过程直观、高效[3]，提供了很多函数代替算法。学生只要了解函数的意义，利用该函数的结构就可以快速求解出算法，降低了对学生数学知识和计算机语言的要求，从而让学生将主要精力放在对专业知识基本原理和方法的探索上。因此，计算机应用语言选择MATLAB语言是非常合适的。

2 教学案例的设计

以启发学生思维，激发学生创新能力，培养学生解决实际问题的逻辑思维能力及动手操作能力，促进学生将专业知识与计算机语言有效结合等为教学目标的城市水工程计算机应用课程，考虑到课程的交叉性和复杂性，可采用案例教学法。案例选择包括选题、数据收集、模型的建立与分析、计算和仿真等多个方面的工作。案例项目的内容、组织、教学方法都要经过精心设计。除基础知识外，案例都来源于真实的专业案例，在计算机应用过程中充满了挑战。案例教学的精髓就在于通过一个个实际的专业案例操作，使学生积极地探索与思考，发现问题、提出解决思路，激发学生在案例实践中的主动性，使学生探究性地学习专业知识和计算机应用知识，变被动填鸭式学习为主动参与型学习，从而有效提升学生对本专业的学习兴趣[4]。案例教学法注重学生将实际问题转化为计算机应用能力的训练，注重学生程序设计思想方法的培养，有助于学生对专业知识和计算机语言的消化理解。案例教学法，能使学生在学习完一个案例后掌握相应的知识点。

案例的设计应分章节，由简单到复杂。简单的案例以数学的形式或以经过抽象的简化模型为主，目标是保证学生掌握特定函数的使用方法。如求积分方程问题，可直接给出一个案例：求x在[0,pi]区间内sin(x)的值。通过符号计算的int函数或数值计算的trapz或quadl函数求解。重点让学生掌握这几个函数的适用环境、格式。复杂的案例则从一个专业案例出发进行教学。由于大部分学生已经具有了独立解决简单问题的能力，所以，案例选择要有一定的综合性。以水文学与水文地质学的设计洪水为例[5]，设计洪水由经验频率点的计算、概率格纸绘制、理论频率曲线绘制和设计频率下的洪水值四部分组成，每一部分都涉及许多概念和计算。案例设计时，教师先对每部分专业知识点做一回顾，然后提出问题，让学生思考和提问，最后给出对应的MATLAB处理方式。具体要点如下：

(1)经验频率点绘制步骤有样本排序，采用独立样本法和统一样本法分别处理特大洪水和一般洪水，涉及排序处理的方式、样本计算方法。MATLAB关键函数有排序函数sort(Q,‘descend’)、选择对话框button=questdlg(“您选用什么方法”“问题提示”“独立样本法”“统一样本法”“default”)。

(2)图示在概率格纸上，涉及概率格纸的特点和绘制。关键代码是正态累积分布函数逆函数-norminv(0.01/100)+norminv([0.1 1 3 5 10 20 30 50 80 90 95 97 99 99.9 99.99]/100)。

(3)理论频率计算包括统计参数、离均系数、对应频率下的洪水值计算，涉及均值、均方差、变差系数、偏态系数、离均系数如何求取的问题。MATLAB关键函数有均值函数mean(Q)、均方差函数median(Q)、伽马累积分布逆函数gaminv()[6]。

(4)根据理论频率计算和经验频率点的结合，确定设计频率下的设计洪水值。涉及曲线的对应点查找。关键函数是插值函数spline()。

上述例题来源于学生上课时的作业题，当时学生普遍反映存在计算量大，概率格纸绘制困难，定线困难等问题。借用计算机语言编写后，结果清晰地以图示形式显示出来(如图1所示)。学生通过该案例的学习，既加深了设计洪水的理解，又对MATLAB实现专业案例的代码编写产生了兴趣，学习动力增强，实现了教学目标。

图1 设计洪水示例

3 上机实践

城市水工程计算机应用是一门实践性较强的课程，上机操作是一个重要的、检验教学效果必不可少的环节。一个完整的程序从编制到调试，初学者都有可能碰到很多意想不到的问题。在上机实践过程中，教师可以随时帮助学生排除可见的和隐含的错误，提高学生学习程序设计的兴趣。上机实践的案例设计很有讲究，它既不能是课本的重复，又不能远远脱离教材。城市水工程计算机应用课程中管网平差设计就是一个非常好的上机实践例题。在授课过程中，管网平差章节讲到了Excel表的调用，解节点平差和解环平差法以及等水位线的绘制，而校核仅仅给出了思路而没有完整的程序代码。上机实践就可以要求学生完整地实现管网平差计算、校核和绘图过程。通过该过程，学生可以实现程序语言与课程设计的完美结合。

4 结束语

给水排水工程专业涉及大量科学计算，可以充分发挥MATLAB语言的优势，而在教学过程中，基于实际工程的案例有助于激发学生学习兴趣，提高教学效率；上机实践能提高学生专业知识和计算机语言结合的水平，有效提高教学质量。

[1]李东华.水工艺与工程的计算机与模拟[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[2]王彤.给水排水计算机应用[M].北京:人民交通出版社,2009.

[3]刘俏,王剑锋,范圣第.MATLAB辅助生物反应工程教学的探究与实践[J].计算机与应用化学,2008,25(8):1019-1023.

[4]经柏龙.论案例教学在教师专业课程教学中的运用[J].教育科学,2006,22(5):39-42.

[5]黄廷林,马学尼.水文学[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[6]许义和,魏晓妹.基于Matlab的P-Ⅲ型曲线绘制软件的研发与应用[J].水电能源科学,2010,28(7):15-17.