多媒体技术和专家系统在环境管理教学中的应用研究

王淑勤，赵学娟，苏春荣

（1.华北电力大学 环境科学与工程学院，河北 保定 071003；2.水利部海委引滦工程管理局，河北 迁西 064309）

“环境管理与法规”是环境工程专业的必修课之一。该课程主要围绕整个社会经济-自然环境系统，向学生介绍环境管理思想与理论的产生和发展，环境管理的原则与方法，以及我国环境管理的方针政策、法规、制度、管理体系和法律体系，培养学生预防和管理各种环境问题的能力。

为了体现我校——华北电力大学的办学特色，笔者自编了《电力企业环境管理与法规》教材，突出电力学科特点，内容不仅涵盖火电、核电环境管理与法规，还包括水电的环境管理与法规。

环境管理与法规课程综合性强，文字讲解和叙述内容多，内容涉及面广，知识的系统性不强，学生不容易掌握。为此，我们从以下几方面进行改革以提高教学效果。

1 利用多媒体课件、网络视频辅助教学

用多媒体教学不仅灵活、直观，使学生增强感性知识，也给教师提供了巨大的发挥和引导空间［1-2］。我们搜集视频、照片、图片等资料制作多媒体课件，形象、生动地表达环境管理与法规的内容，解决了环境管理体系内容中文字讲解和叙述多，学生不容易记忆、条理不清晰的问题，提高了学生的学习兴趣，收到良好的教学效果。例如用湖泊和水库的富营养化污染照片，可以使学生清楚地看到水面被污染后颜色发绿，上面漂浮藻类植物的情况（见图1）。

图1 湖泊和水库的富营养化污染

我国是水电资源丰富的国家，但是大部分水电资源并未开发利用，已开发的仅有20%左右，而国外发达国家已达60%以上。中国最优水能资源多数位于西南高山峡谷地区，这些地区雨量充沛、人口较少，适宜大力发展水电建设。因此，在较长一段时期，优先发展水电是我国能源发展的一个战略方针，要使学生对我国发展水电的政策、加强水电管理的内容有清晰的认识。

然而，我国以煤炭为主的能源格局在短时期内不会改变，以煤电为主的电力工业格局在未来二三十年内也不会改变，电煤消费量很大。从图2可以看出，2005—2012年我国电煤消费量持续增长。二氧化碳等有害气体的排放是制约火力发电发展的最大因素。通过观看火力发电厂排烟污染的视频和图片资料，学生更能够理解大气环境管理的重要性。

2 采用典型案例教学法提高教学效果

案例教学法是一种对培养学生能力和提高学生素质很有效的教学方法［3］，案例教学更容易做到理论联系实际，激发学生的学习兴趣、提高学生学习的积极性［4-5］。在教学中，我们紧密结合我国的电力行业发展趋势，将体现我校电力特色的环境管理与法规的教学内容制作成图表，作为典型案例讲授。

图2 2005—2012年我国火力发电量和电煤消费量

在我国环境管理和污染防治实践中，电力行业环境保护已经形成了由政策法规、排放标准、管理办法和若干规定组成的环境管理体系文件，并有相对完善的管理体制（见图3）。电力行业的环境管理体系包括电力行业自身的环境管理和环境管理部门对电力行业的管理两方面的内容。由于电力行业涉及能源和土地利用等其他相关的部门，因此，电力行业环境保护的内容在这些部门的法律、法规中也有所体现［6］。结合图片学生更容易理顺电力行业环境管理体系的内容和相互关系。

图3 电力行业环境管理的体系

目前电力行业环境管理制度主要有以下6项：

（1）“三同时”：规定新建、扩建、改建电力项目必须遵守“三同时”（同时设计、同时施工、同时投入生产使用）制度，“三同时”是环境污染防治资金投入的主要渠道；

（2）排污收费制度：《排污费征收使用管理条例》规定装机容量30万kW以上的电力企业排放SO2的数量，由省、自治区、直辖市人民政府环境保护行政主管部门核定；污染物排放种类、数量经核定后，由负责污染物排放核定工作的环境保护行政主管部门书面通知排污者；

（3）排污许可证制度：对所有电厂排放的SO2实施排污许可证制度；

（4）限期治理：凡没有达到国家规定的排放标准企业实行限期治理；

（5）污染物总量控制制度：1996年国务院批准《九五期间全国污染物排放总量的控制计划》；2003年修订的《大气法》明确规定国家要采取措施，有计划地控制或者逐步削减各地方主要的大气污染物的排放总量；国务院和省（直辖市、自治区）政府对尚未达到规定的大气环境质量目标的区域和国务院批准划定的酸雨控制区、SO2污染控制区，可以划定为主要大气污染物总量控制区；

（6）实行关停并转：对于采取限期治理不能达标排放或污染十分严重的企业，实行关停并转。

表1为电厂重要环境因素识别清单，明确环境管理制度和环境因素产生的污染物，对新老污染源的预防和控制起到了非常重要的作用。

图4是我国某河流干流断面的总磷与流量的关系图。可以看出，流量与总磷浓度呈正相关，即流量增加，总磷的浓度也升高。就总磷而言，主要是面源污染。图5为某水库氨氮与水量的变化趋势图，可以看出，来水量少时氨氮的浓度较高。20世纪90年代后期，由于该水库的来水量急剧下降，氨氮的含量升高，特别是2000年水库的来水量及库容为历史上最低点，氨氮含量增加很明显。通过这样的案例，加强水库氨氮监测和环境管理、防止水库富营养化污染的必要性已不言而喻。

表1 某电厂重要环境因素识别清单

3 开发专家帮助系统提高学生自主学习兴趣

计算机仿真可以作为实际生产过程的等效描述，能以其独有的技术和效果为学生提供一个良好的多通道学习机会和训练创造性思维的氛围，强化学生的工程意识，改进学生的思维模式。

例如水电开发需要建设水库蓄水［7-9］，关于水库管理方面资料较少，而且以文字叙述为主，学生学习效果不够好。我们结合教学改革项目，到水库现场搜集资料，利用计算机技术开发了一个内容详尽、操作简单的专家帮助系统，并将其附在水库管理系统之中［10］。该专家帮助系统能及时地将在线监测到的数据进行整理、分析并提出改进方案，给学生和工作人员带来极大的方便，使学生对水库环境管理的认识更加深刻、业务水平大大提高，对水库的运行管理也有很大的帮助。

图4 某河干流断面的总磷与流量的关系

图5 某水库氨氮与水量的关系

专家系统（expert system，ES）是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。专家系统可被看作一类具有专门知识的计算机智能程序系统，它能根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。不同领域、不同类型的专家系统，它们的体系结构和功能虽有一定差异，但它们的组成基本一致，主要由知识库、数据库、推理机、解释机制、知识获取和用户界面等6部分组成［11-12］。

在知识表示与获取方面，由相关领域的所有人员参与构造多个专家系统共用的标准化知识库，将相关领域的知识尽可能多地放在知识库中，特别是对于领域专家的经验知识，应该整理、归类并加入知识库，使知识库时刻包含本领域内所有已知的知识［13］。在该知识库基础上，不同的专家系统，依据不同的实际情况，设计开发系统自动学习功能［14-16］。

Visual Basic提供了开发Windows应用程序最迅速、最简洁的方法，它提供了一整套工具，供用户开发应用程序［17］。Visual Basic是目前软件开发语言中最简单、最容易掌握、使用最广泛的语言

水库专家咨询帮助系统拟定由知识库，推理机和人机界面组成，该系统依托水库的上位机，预定实现以下咨询帮助功能：

（1）水库的运行监视和运行维护咨询帮助，实时在线监测水库中水体的各项指标，并对某些特殊指标（重金属离子，有毒化学物质等）实施预警设置；

（2）水库的工作原理和常用术语咨询帮助。

知识库系统［18-19］具有与其他开发工具不同的范围和适用性：

（1）知识库系统适用范围广，具有强大的通用性；

（2）知识库系统是一种基于逻辑的人工智能（AI）开发工具。

知识库系统信息存储量巨大，可应用于信息量极大的知识处理系统。可以建立Access数据库，包括水库实时监测图、相关计算、水质评价、基本概念和术语、水污染监督管理制度等5部分内容，可以评价水质、查找污染原因、分析解决措施、学习相关法律法规、进行设计参数的计算。

专家帮助系统以河北省某水库多年的完整记录为基础数据，绘制出实时动态监测图，可直观显示水库水量、高锰酸盐指数等各项指标变化情况，实时绘出动态曲线。显示界面充分结合了用户需求和水库现场情况，真正做到了水库的实时监测（见图6），实现了水库管理信息化、智能化，为学生和水库管理人员带来了宝贵的水库环境管理经验。

利用 Visual Basic 6.0建立了良好的人机交互界面，具有添加、删除、修改等管理功能，实现学生的自主学习，提高学生的学习积极性。

在软件设计过程中采用treeview（树状浏览）控件，信息呈现树状层次，使主、细目关系更加清晰，并在RichTextbox控件中显示内容，使其文本大小不受限制，体现了作为一个帮助系统所应具有的灵活性和透明性，特别适用于多级信息的分类检索，是多级选（菜）单所无法比似的。

图6 实时监测图

经测试，该系统能够实现对各种水库环境管理知识的查询、添加、删除、浏览及打印功能，具有很强的通用性，并且能脱离开发环境，在 Windows系统环境下独立运行，是学生学习的好工具、水库运行和管理人员工作的好帮手，亦可供从事水库环境管理工作的科研、教学、培训等技术人员参考。

4 结束语

将动态多媒体教学课件用于课堂教学时，增强了所授知识的直观性、条理性和趣味性，使学生增强感性知识、加深印象，特别是能帮助学生克服在环境管理与法规的学习中概念抽象、法律关系复杂难理解的问题，提高了学生的学习兴趣。

结合现场实例以及所开发的专家帮助系统，用于学生自学辅导、案例教学、启发教学，充分发挥了计算机和网络教学的优势，有助于学生树立工程意识、管理意识，理顺法规之间的关系，改进思维模式。所建立的水库专家咨询帮助系统为全面提高水库环境的运行维护和管理水平，保障水库长期安全、稳定、高效运行，将起到积极的推动作用。

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