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人工智能时代水质模型技术教学设计和改革

  • 教育论文
  • 2021-06-06

吴劲

[摘 要]随着环境保护意识的不断深化,以及人工智能应用的普及,数学模型在水环境中的应用不断发展。对于给排水科学与工程专业本科生来说,有必要在大学阶段学习水质模型的基本原理和主要方法。目前,各高校给排水科学与工程专业开设的水质模型技术课程较少。文章结合北京工业大学开设水质模型技术课程的实际情况,以理论联系实际为基本原则,从教材、内容、教学方法及教学手段等方面对水质模型技术课程的教学进行创新设计和改革。

[关键词]人工智能;水质模型技术;教学设计

[基金项目]2020年北京工业大学“三全育人”教师团队重点培育项目“以‘三全育人为核心的班主任团队建设”(327000522101)

[作者简介]吴 劲(1989—),男,安徽金寨人,博士,讲师,研究方向为水环境模型模拟。

[中图分类号] G641[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324(2020)46-0-03[收稿日期] 2020-09-22

一、前言

不同的时代有不同的需求,适应时代的变化,满足时代的需求,是同时实现个人价值和社会价值的良方。而今我们正处于一个多样化的时代,即这个时代有多种显著的特征,如社会的人工智能化[1]。随着智慧水务、智慧交通、智慧城市、智慧流域等人工智能在城市建设和水利工程的应用,越来越多的政府管理者、研究人员、企业工程师开始考虑将水科学与人工智能进行交叉创新利用[2-6]。正因如此,人工智能时代下的城市管理和流域管理迫切需要水科学和人工智能复合型的人才。然而,目前高校中专门培养此类的人才还很少见。

水质模型技术是一类典型的水科学和人工智能交叉研究的前沿技术,也是水环境管理的热点[7]。由于水质模型技术具有较高的知识储备要求,通常在研究生阶段才开设水质模型技术。目前,中国大学本科阶段开设的水质模型技术课程较少,且多以选修课形式出现[8]。形成这种情形的原因主要有以下三个方面:首先,部分院校开设的课程部分包含了水质模型技术的一些知识,例如,为水利工程、环境科学、土木工程等专业本科生开设的水力学、流体力学、环境学概论等,导致部分教师认为没必要再单独开设水质模型技术课程[9]。其次,目前极少有专门为给排水科学与工程专业本科生撰写的水质模型技术教材[10,11]。目前各高校教师自主选择的教材,如《水环境数学模型》[12]《环境水质模型概论》[13]《地表水环境数值模拟与预测—EFDC建模技术及案例实训》[14]《环境系统数学模型》[15]等,内容相对深奥,更适合作为研究生教材,从而导致一些教师不愿意开设水质模型技术课程。最后,很多学校给排水专业没有针对人工智能等新兴技术的普及及时调整培养方案,也没有拓展水质模型技术这门课的动力[16]。

这些客观或主观原因限制了给排水科学与工程专业本科生的学识和眼界。特别是在大数据和人工智能深入人心、不断发展的今天,人们普遍感受到了模型技术包括水质环境管理对各行业跨越式的促进作用。相对于高等数学、水力学、流体力学等传统水利工程学科基础课程,水质模型技术的教学目的是培养学生利用模型思维解决日常水质管理中面临的问题。传统课程知识具有模块化的特点,使得不同的知识可以在不同的课程中学习。然而,水质模型技术是一門专业性很强的课程,要求具备系统化和结构化的知识体系。即使在其他课程中学习了某一知识点,也很难形成水质模型技术应用的专业思维。从系统化的角度来说,即使其他课程包含了部分水质模型知识,但仍然有必要专门开设水质模型技术课程。从教材来说,目前的教材偏向于研究型,课程知识过于深奥,要求学生具备一定的研究经历;因此,如何根据现有教材结合不同学校的实际情况,开展因材施教的课程设计是目前的当务之急。随着人工智能时代的到来和快速发展,本科生的课堂教育也应该进行一些调整,以应对社会快速变化带来的各种挑战。总体来说,目前给排水科学与工程专业本科生的教学改革仍然落后于社会的发展和改革。

因此,有必要开展水质模型技术的创新性教学设计和教学改革,以弥补目前中国高校给排水科学与工程专业本科生水质模型技术学习的欠缺,推动水质模型技术课程的系统建设和不断完善。本研究针对水质模型技术课程存在的问题,提出一系列传统和新兴手段相结合的教学设计,同时对已开设的水质模型技术课程进行教学改革。

二、水质模型技术教学设计

(一)教学设计

水质模型技术课程的主要内容包括概论、污染物运移规律、水力学模型、河流温度模型、河流水质模型、湖泊(水库)温度模型、湖泊(水库)富营养化模型、湖泊(水库)生态模型、河口及潮汐河流模型、水质模型的解、模型在水质管理中的应用、水质模型的计算机实现。从知识类型上看,可以分为四类,主要包括模型背景和价值、基础理论、不同类型水质模型、模型应用。其中,模型背景和价值主要包括水质模型的出现、发展过程和当前的现状;基础理论部分包括污染物在水中的迁移转化理论、水力学基本方程;不同类型水质模型包括温度模型、水质模型,或者河流模型、湖泊模型、地下水模型、河口和潮汐模型;模型应用包括模型的解法以及在计算机上的实践。

虽然大部分教材对于不同类型水质模型的介绍较多,但并不需要在章节中分配过多的教学任务。由于不同类型的水质模型具有许多共同的理论基础,而且很多学生已经在其他课程上学习过,可以根据学生的平均基础进行选择性巩固和省略,以节省更多的课程时间讲解复杂的知识。对于不同类型水质模型,可以先把共同的理论基础讲解,然后再分别针对不同类型的差异进行分别讲解,这样能让学生在学习不同类型水质模型技术时,有相互对比的思考,增进对水质模型理论知识的理解。对于本科生而言,了解为什么学习水质模型以及理解水质模型的实际应用价值更值得安排课程讲解。因为只有引起学生的足够兴趣,才能在后续的课程中与学生进行充分的互动。而在模型应用环节,国内的水质模型课长期以来存在着重教学轻实践的状况。虽然很多教师认同模型上机实验的教学方式,但往往由于教学设备、教学组织等原因,在教学过程中对于计算机实践的课程设计仍然不充分,没有真正起到理论联系实践并相互促进的作用。在欧美一些国家的本科生模型技术课程中,都非常重视模型的实践,理论知识和计算机实践是水质模型不可或缺的部分。因此,加强计算机实践环节,注重对模型理论联系实践的引导,是未来水质模型技术设计的重要环节。

(二)教学改革

高等教育的价值不仅体现在传播高级知识,同时也体现在培养高级思维。一堂好的水质模型技术课的起点应该始于“为什么”。“为什么”是水质模型技术的灵魂,正因为水质模型技术能解决某项水环境实际问题,才能让学生明白学习水环境模型技术的价值,才会让学生产生兴趣,才能让学生产生学习的动力,才会让后续的学习事半功倍。而“做什么”是学生们紧接着想了解的事情,这项任务类似于水质模型技术中的“概念模型”,即把物质在水质的理化规律抽象的描述,让复杂的事情简单化,让晦涩的事情清晰化,这要求教师们高屋建瓴的说清水质模型技术的轮廓,也是体现教学相长的典型案例。轮廓里的具体内容,是不同类型的水质模型技术,也就是前面提到的高级知识,可以理解为“是什么”。“是什么”是对水质模型教科书知识的介绍,知识传播的要求是严谨,传播的过程要简要,尽量使用简单的逻辑、形象的比喻去介绍知识。因此,利用系统化的教学方式,依次采用“为什么”“做什么”“是什么”的授课逻辑讲授水质模型技术,会让学生在兴趣中开始、在思考中掌握、在理解中记忆,真正实现感受到水质模型技术课的灵魂。

水质模型技术是一门涉及多种学科的综合性课程,这就要求学生在学习本门课程前,完成环境科学概论、水力学、水文水资源学、高等数学等课程的学习。然而,不同学生对这些课程的掌握情况不一样,需要在实际教学中关注不同学生的学习效果。学习效果可利用多个手段了解,例如,课前基础知识考查、课中随堂提问、课后作业、日常访问等方式。通过学习效果调查,可以掌握班级学生的学习状态,及时调整教学节奏,避免教与学之间发生断层。另一方面,对于本科生而言,水质模型技术涉及的内容晦涩难懂,如何让课程有趣成为水质模型技术改革的难点。实际上,水质模型中涉及的很多关于水的知识和哲理,都或多或少的与某些中国传统诗词相辉映。从一些常见的、学生熟悉的古诗词引出水质模型的内涵,进而用科学的语言准确描述相关概念,既能让学生体会到学习的乐趣,也能加深学生对一些晦涩难懂知识的记忆。

在水质模型中,有很多复杂的方程,如果只介绍这些方程,学生很难深刻理解方程本身的物理意义,而在课堂上对这些方程进行推导,会花费大量的时间。实际上,由于课程时间限制,不可能对所有的方程都进行演示和推导;因此,选择一些重点方程进行演示和推导,而对另外一些相对次要且复杂的方程,则借助成熟的计算机软件进行快速演示。例如,对于水力学模型的零维方程、一维方程、二维方程可以进行演示和推导,对河流水质模型的Streeter-Phelps方程进行求解,而对Conner模型、MIT温度模型、Baca-Arnett模型进行计算机辅助演示。

在实践教学中,可以选择QUAL-2模型进行演示。QUAL-2模型是目前世界上应用最广泛的河流水质模型之一,也是美国环保署开发的免费软件,可以在excel里进行运行,操作简单,能够满足大部分计算机的硬件要求,同时具有结构清晰,指标数据简单等特点,特别适合本科阶段的水质模型技术学习。对于软硬件条件较好的高校,可以适当增加计算机实践环节,或邀请其他高水平高校教师进行指导,或从最新研究的角度讲解未来水质模型技术的发展趋势,拓展学生对水质模型技术的兴趣和眼界。

三、结论

水质模型技术是描述水体中污染物随时间和空间迁移转化规律的数学方程。从1925年建立斯特里特-菲利普斯(Streeter-Phelps)方程到现在,水质模型技术已发展近百年,成为一套有效的解决水质安全问题的技术工具,并形成了完整的应用学科理论。然而,在水质模型技术发展的大多数时间里,工程师和研究人员大多在遇到实际问题的时候才开始了解水质模型技术。

在人工智能技术已进入千家万户的时代,数学模型技术已成为人们日常生活中熟悉的对象。随着信息化的快速发展,数学模型技术必将成为给排水科学与工程专业未来的发展方向之一;因此,对于给排水科学与工程专业的本科生来说,尽早学习和了解水质模型技术,可为未来从事给排水专业领域的应用和研究打下坚实的基础,同时也有助于培养利用模型技术解决水质问题的能力,使培养出的给排水科学与工程专业的人才更能满足社会的预期。

参考文献

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Abstract: With the deepening of environmental protection awareness and the popularization of artificial intelligence, the application of mathematical models in water environment has been developing continuously. For undergraduates majoring in water supply and drainage, it is necessary to learn the basic principles and main methods of water quality models at the university stage. At present, there are few Water Quality Model Technology courses in water supply and drainage science and engineering in colleges and universities, which mainly cultivate students' overall understanding of the model and the main methods. Based on the actual situation of the Water Quality Model Technology course offered by Beijing University of Technology, this paper makes an innovative design and reform of the course from the aspects of teaching materials, teaching contents, teaching methods and teaching means.

Key words: artificial intelligence; Water Quality Model Technology; teaching design

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