环境类专业选修课程《水环境模拟与预测》教学实践与探讨

龚然　王慧雅　徐进　康晓荣

摘  要：水环境模拟与预测原本是水环境学科的一个“高深”的领域，但随着计算机和软件平台的快速发展，大大降低了其应用难度。与之相应的新课程《水环境模拟与预测》，可作为专业选修课在本科环境类专业开设。作者基于教学实践，分析和探讨了该课程的特点、提高教学质量的方法手段和改进措施，以期提高对此类课程的教学水平，使学生实践能力得以正确培养，也为类似课程的教学提供一些参考。

关键词：环境类专业;水环境模拟与预测;选修课

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

水环境模拟与预测是环境领域广泛应用的技术，是环境影响评价、环境规划领域必不可少的工具。水环境模拟与预测属于环境学科的一个研究方向，原本被认为是一个非常“高深”的领域，从业人员和研究人员很少。但随着计算机技术和软件平台的发展，水环境的模拟与预测技术得以普及并可被广泛应用。近年来，在我国环境规划和环境影响评价界，有推出标准使用模型的呼声，也就是说，未来的水环境影响评价有可能需要从业者学会使用标准模型的应用方法[1-2]。

《水环境模拟与预测》是一门新兴课程，越来越多的高校环境类专业，包括水文水资源、环境科学、环境工程等专业，作为研究生的选修课程开设，也有部分高校对本科生开设该课程。笔者所在的南京工程学院是开设该课程最早的高校之一，作为一门专业选修课程，在环境工程专业本科高年级开设。笔者基于对该课程的教学实践，就该课程的特点和如何提高教学质量等相关问题进行了探讨。

一、课程特点

（一）课程难度较大

水环境模拟与预测是用模型的方法，对水体环境的变化趋势，包括水动力、水质和水生态等方面，进行模拟与预测的统称。一般认为是自1925年的S-P（Streetr-Phelps）模型（用于预测河流需氧量）的提出为起点，至今90余年的发展历程。该领域牵涉到的知识门类较多，包括数学、物理、化学、生物和计算机编程等。例如，数学中需要用到偏微分方程的数值解法，计算机中涉及到程序的编制。这些知识难点造成了该领域的研究和应用难度非常大，以往通常只在专门的研究院所和高校博士课题中出现。但随着计算机软件计算的飞速发展，繁琐的建模过程被简约化、窗口化、制作为良好的交互式的商业软件。当前可以应用该技术的人群已扩大至一般工程技术人员，在本科阶段也可以涉及到该领域的相关内容。因此，随之产生了《水环境模拟与预测》课程，该课程的一大特点就是难度较大。

（二）教学资料缺乏

《水环境模拟与预测》课程对于本科阶段主要是讲解基本模型的构建和应用，也就是如何应用好水环境模型软件。目前市面上仅有一两部专门针对该课程的教材，而且均是偏重理论的讲解，几乎没有实际建模的应用教学。由于该领域知识难度较大，即使是许多研究者，想通过自身摸索完成建模的学习，也需要很长时间，且很多问题在建模的实践中无法解决。在没有参考书和专业指导的情况下，很难正确使用，没有完整的案例可实践，没有技巧可循，给研究和使用带来了很大的使用障碍，需耗时耗力地先学习理论，再摸索软件。尽管模型软件有英文说明书，但英文的表述无疑又给使用者带来一重障碍。到目前为止，尚未见专门针对水体环境模型应用的教材和专著。因此，该课程的第二大特点即为资料的缺乏，尤其是汉语资料的缺乏。笔者在授课中是整理了部分英文资料作为理论内容，并加入了相關软件的说明书内容，作为该课程所使用的临时教学资料。笔者与业内专家合著的专著《地表水环境数值模拟与预测——EFDC建模技术及案例实训》正是基于以上亟待解决的问题而撰写，并通过真实案例详解建模过程，力求大大简化学习难度，未来将节选部分内容作为该课程的教学或参考资料。

（三）实践环节特殊

《水环境模拟与预测》课程的教学过程是需要包含计算机建模的实际操作，只讲理论所能达到的效果非常有限。但区别于类似《环境工程CAD技术》这样的制图课程的实际操作，本课程的实践既不是技能性或技巧性的，也不是设计性的，而是真正地将所学知识运用于实践的训练。学生要经历运用软件构建河流、湖泊、水库和海岸带的地理位置，模拟其水流过程和水质变化过程，在计算机上完成运行计算，获取结果，合理分析等。在此过程中，学生一定会遇到各种障碍，引发探索性的思考。尽管最终可能需要在教师的引导下才能解决，但这种思考过程会不断地融汇管通理论知识。学生将克服很多困难，而这些克服困难的过程，正是启发学生大量思考的过程。学生可以在完成模型构建后，设置许多假设的情景，去探求如果发生假设的情景，整个水环境会怎样变化，也就是通常所说的“情景预测”。例如，如果遭遇历史最大降雨，将造成什么样的影响？如在某处建设排污口，是否符合国家环评的要求，是否对下游若干距离产生影响？这些结果，都需要运行模型获得数据，这一过程充满探索性和不确定性，若遇运行失败或者结果明显不对，排除错误的过程再次巩固所学知识，这个过程可能会反复数次，这是本课程非常有特色的地方。

二、教学方法研究和改进

在教学过程中，笔者根据教学实际的效果和考评情况，对照该课程的主要特点，总结了几点教学中应当注意的问题和可改进之处。

（一）理论知识，深入浅出，增加课前预览

《水环境模拟与预测》课程理论难、实践环节原本很难，但目前被大大简化到一个合格的本科生就可以正确完成基本水环境模型的构建的程度。那么，课堂上对于理论知识的讲解，就应该很好的把握住深浅程度。在32个学时的总课时中，应安排不多于16个学时的理论课较为合理。在理论课中，应特别注重基本概念和基本思想的讲解，根据应用型本科院校以培养高层次应用人才为最终目的，则不应涉及复杂的数学和计算机知识，但应准确地告诉学生，如想深入学习，所应具备的知识范畴，给予学生重要的文献列表以方便继续学习[3]。這样所达到的效果为学生很清楚该课程的基本原理、实现步骤和牵涉到的知识范畴，以及不同应用程度所需掌握的不同知识水平。为了更加直观和明确地让学生快速了解本课程的概述，在选课之前可由教师撰写课程概述，内容包括课程总体性概述、学习后所能掌握的知识和技能、课程内容和时间安排、考核评分标准和方式，重要的文献资料列表等。使学生在选课之时，便对该课程有一定的预览，避免选课的盲目性。

（二）实践环节，强调经验，注重案例学习

水环境模拟与预测是带有一定主观性的，也就是说，不同的人构建出来的模型可能不尽相同。例如，对一条河流构建水环境模型，河流某处有一个排污口，在教学过程中应特别强调，考虑到排污口的存在，是否应该加密排污口附近的网格？应该加密到何种程度？不加密是否可以？诸如此类的许多问题，如研究目的、地理位置、所需精度，计算效率等因素，其实并没有唯一的答案，是需要一定的实践经验才能做到合理的。因此对于实践环节，应首先明确这个观点，并以问题和案例驱动的方式展开[4]。其次，应降低难度。如前所述，当前许多成熟的商业模型，已经完全做到了可视化和良好交互的水平。学生只要能达到对问题正确的思考和判断，正确规范的建模，并对模拟结果具有一定的判断力即可。再次，应强调模型应用中经验的重要性，例如，对精度的把握，模拟本身只是尽可能地重现实际过程，所以精度只要在一定的范围内都是合理的。目前行业内认为，对于水质指标，相对均方根误差（RRMES）的平均值在35%以内，是模拟较好的结果。预测的误差，就更难以把握了，没有人能确保模型的可靠性可以百分之百的预测未来的变化趋势。因而，实践过程和个人经验有关，该领域的专家常说，模拟是种艺术，而不是技术。此外，该课程的实践教学还应注重案例的介绍和学习，国际上的很多著名的水环境模型案例，如美国切萨皮克湾模型（Chesapeake Bay Model）、奥基乔比湖模型（Lake Okeechobee Model）等都是经历了几十年的不断修正和改进，是非常成熟的模型。对于对该课程感兴趣的同学，可引导其阅读相关文献。

（三）考核标准，客观多样，引入小组协作

对于该课程的考核应突出实践环节的比重。目前设计的教学大纲中占30%，其中有20%是在教学进行到第28课时是进行一次建模测验，要求学生在3个小时内，完成一个基本河流水质模型的构建全过程，剩余10%则为课堂实践中的考评。目前教学大纲设定的理论部分考核为60%，主要考核基本概念的掌握情况。笔者根据教学实践认为，理论部分的考核可继续缩减为40%～50%，甚至更低，并相应地提升实践环节的比例。原有个人建模测验（20%）的效果并不理想，少数同学构建的模型无法运行，近半数同学的运行结果有明显错误。由于分组协作的形式有利于计算机类的实践环节的学习[5]，因此可将个人建模测验可转变为分组大作业的形式考核，同时增大模型构建的内容和难度。设立若干小组（4～6人），明确每人完成的工作内容，在共同完成大作业的过程中，小组成员相互协作，讨论疑难点，其效果应好于独自完成，并设置小组协作的考评机制，最终该部分的成绩以小组成绩的形式给出。

（四）双语授课，势在必行，培养专门师资

水环境模拟与预测这一领域，走在前沿的一直是欧美国家，以美国和欧洲的荷兰、丹麦为代表。目前的几十种商用软件绝大部分来自欧美，因此，大量的学习资料和模型软件说明书都是英文资料。笔者认为，完全可以直接将该课程开设为32学时的双语课程："Simulation and Prediction of Aquatic Environment"。一方面是该课程的内容和特点完全适合作为双语课程开设，另一方面也提升专业建设的国际化水平。学生在学习该课程的过程中，所接触的均是应用于实际的前沿科学技术，有利于开阔视野和与国际接轨。同时，该课程所涉及的英文主要为环境类的专业英语，难度适中。笔者认为，对于当前高校中有能力从事双语授课的教师，应专门培养，可通过制定英语培训计划或送出国进修，专门地培养出双语授课教师，从而打造出精品的双语课程。

三、结束语

《水环境模拟与预测》在环境类专业虽然是门选修课，但因其知识难度大、资料缺乏和师资专门性等原因，开设此课程的高校并不多。笔者根据亲身教学实践，总结了改进该课程的几点教学方法和经验，以期提高该课程的教学质量。当前，我国环境规划和环境影响评价界，正着手推进模型的标准化和法规化工作，以解决原有评价方法的不足，水环境模拟与预测技术必然在未来我国水环境保护事业中发挥巨大的作用。

参考文献：

[1]赵琰鑫，赵翠平，陈岩.国内外流域水环境模型法规化建设现状和对比研究[J].环境污染与防治，2016，38（7）：82-87.

[2]董飞，刘晓波，彭文启，等.地表水水环境容量计算方法回顾与展望[J].水科学进展，2014，25（3）：451-463.

[3]李玉静.应用型本科教育：人才培养目标定位[J].职业技术教育，2013，25：1.

[4]张纯容，施晓秋.问题与案例驱动的课内实践教学分级模式探索[J].实验室研究与探索，2012，31（1）：145-148.

[5]杨俊明.分组协作式学习在中职计算机教学中的应用[J].教育现代化，2018（34）：351-352.