智慧水务案例在相关学科研究生课程中的应用研究

龙天渝 翟俊 屈瑶

[摘 要] 为提高专业型硕士学位研究生课程的教学质量，促进教学与工程实际的有机融合，探索在城镇水工程相关学科的研究生“高等流体力学”课程中引入智慧水务案例教学。以“三峡库区智慧水环境”案例教学为例，就如何在教学中采用课堂引导、课外查阅资料与思考及课堂讨论相结合的方式完成整个案例的教与学进行了详细的描述。通过融合智慧水务案例，提升了课程的教学质量和研究生对该课程的学习兴趣与满意度。

[关键词] 案例教学;高等流体力学;智慧水务

[基金项目] 2019年度重庆市教委重庆市专业学位研究生教学案例库项目“‘智慧水务案例库”（yalk201911）

[作者简介] 龙天渝（1960—），女，重庆人，博士，重庆大学环境与生态学院教授，博士生导师，主要从事流体力学和水环境模拟与污染控制研究。

[中图分类号] G642.4   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）25-0116-04   [收稿日期] 2021-03-15

当今时代已经进入信息时代，数字技术、网络技术、物联网技术、人工智能技术、大数据技术、区块链技术等信息技术正对人类社会产生深远的影响。“智慧水务”是城镇水工程在新技术革命背景下的重要发展方向和必然选择。“智慧水务”通过在线监测、智能感知、网络数据传输、智能决策支持系统等，将海量信息进行及时分析与处理，并做出相应的处理结果来辅助决策建议，以更加精细和动态的方式管理水工程系统的整个生产、运营和服务流程，从而达到“智能”的状态。

一、智慧水务案例库建设的意义

“智慧水务”案例库建设契合城镇水工程相关学科/专业的发展方向，以学生为中心，以案例为基础，通过智慧水務系统建设与管理领域的最新发展案例，将科技发展与实践紧密结合，引导学生“了解前沿、掌握知识、提高能力、促进创新”，推动专业学位研究生培养模式改革，促进教学与实践有机融合，对提高城镇水工程相关领域专业学位研究生培养水平和学科发展具有重要意义[1]。

“智慧水务”是城镇水工程发展的一个新方向，目前仍是一个新生事物，现有成功的案例并不多。“智慧水务”作为“智慧城市”的一个部分，相关的研究和软硬件系统建设尚处于起步阶段。由于支撑系统“智慧”运行的决策模型、计算方法、数据共享和存储等核心问题尚未得到很好的解决，现有的“智慧水务”仍主要处于以信息化展示、数据化管理为主的阶段，具备智能分析和决策等真正“智慧”功能的系统还比较少，后续还需要计算机、数学、水工程等领域的科技人员通力合作，协同解决。但是，“智慧水务”系统仍然以超出我们想象的速度正在变革现有城镇水务系统，以降低城镇水务系统的建设和运营成本、提升工作效率、升级功能、实现智能自动运行和应急调度与科学决策。城镇水工程相关学科/专业的研究生教育应满足和适应“智慧水务”发展的需求，急需在研究生的培养过程中加强“智慧水务”知识和实践能力培养，强化“智慧水务”的案例教学，但是迄今为止，相关的案例库建设和案例教学的工作尚未见相关的报道[2]。

因此，将“智慧水务”的内容集成到现有的课程体系中，更新现有课程内容，是土木水利、建筑与土木、环境工程等城镇水工程相关领域专业学位硕士研究生课程建设的重要内容，也是教学改革的重要方向之一。建设引领行业发展的案例库，引导学生进入角色，进行案例分析和讨论行业前沿知识，激发研究生的学习主动性、积极性和创新性，充分体现以学生为中心、让学生主动发现和探索并构建知识体系的教育理念是水工程领域专业学位研究生教育改革的发展趋势。

二、“高等流体力学”课程融合智慧水务案例探索

研究生案例教学起源于国外，主要以建构主义理论为基础。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的。建构主义学习理论认为学习环境中的四大要素或四大属性是“情境”“协作”“会话”“意义建构”[3]。案例教学的课堂以学生讨论为主，学生必须站在案例中主角的角度来分析和思考问题，并做出决策或对自己的决策进行评估，教师主要起引导、推进的作用[3，4]。案例教学的效果也获得了理论和实践上的肯定。

“高等流体力学”是城镇水工程相关领域专业学位硕士研究生的学位课程，是一门重要的专业基础课程。该课程以构建流动问题的力学模型为主线，在本科主要学习一维流动的基础上，应用自然界物质运动的三大守恒原理，即质量守恒原理、动量守恒原理和能量守恒原理，在欧拉体系下导出黏性流体三维非恒定的流动的情况下的表达形式，即连续性方程、运动方程和能方程，以及浓度对流扩散方程等基本微分方程组及紊流状况下的紊流模型，分析如何提出实际流动的初始条件和边界条件。由于实际流体的流动非常复杂，只有极少数的情况下可以直接对三维非恒定的基本方程组进行求解，因此，需要针对实际流动的具体情况，在空间维数、是否恒定、是否考虑流体的可压缩性、是否考虑流动的黏性等方面对流动进行适当的简化，获得相应的流动模型，然后进行求解。通常所求的解是近似解，即数值解。数值求解可借助一些商用软件完成。“高等流体力学”课程的基本要求是学生通过该课程的学习，能够将专业中所涉及的实际流动问题，简化为满足工程要求和精度的流动模型，并借助商用软件进行数值模拟。以往的教学经验表明，由于内容偏重于理论，学生普遍反映这门课难度大、理论性强、涉及的高等数学知识较多，因此，学生学习的畏难情绪较大、学习动力不足。然而，高等流体力学理论在专业中应用较广，凡是涉及流体流动的问题都直接与高等流体力学的理论有关。“智慧水务”中智能分析方面离不开高等流体力学的知识，诸多水环境设计及科研案例均与流动建模及其求解方法相关，如河流湖泊等地表水体的水质模拟、地下水流动与污染物扩散、管网供水优化与水质分析等说明“高等流体力学”课程内容与“智慧水务”有较多的交集与契合度。因此，将与专业密切联系的“智慧水务”案例引入该课程的教学中，不仅可以改变以往课程教师“满堂灌”理论的教学模式，还可以有效调动学生学习的主动性，提高课程对学生的吸引力，提升任课教师的教学水平和教学的质量，使学生获取更多有关专业知识的信息，使学生的分析、表达、团队合作等能力得到有效锻炼和提高。