人工智能時代水質(zhì)模型技術(shù)教學(xué)設(shè)計和改革

吳勁

[摘 要]隨著環(huán)境保護意識的不斷深化，以及人工智能應(yīng)用的普及，數(shù)學(xué)模型在水環(huán)境中的應(yīng)用不斷發(fā)展。對于給排水科學(xué)與工程專業(yè)本科生來說，有必要在大學(xué)階段學(xué)習(xí)水質(zhì)模型的基本原理和主要方法。目前，各高校給排水科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的水質(zhì)模型技術(shù)課程較少。文章結(jié)合北京工業(yè)大學(xué)開設(shè)水質(zhì)模型技術(shù)課程的實際情況，以理論聯(lián)系實際為基本原則，從教材、內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段等方面對水質(zhì)模型技術(shù)課程的教學(xué)進行創(chuàng)新設(shè)計和改革。

[關(guān)鍵詞]人工智能;水質(zhì)模型技術(shù);教學(xué)設(shè)計

[基金項目]2020年北京工業(yè)大學(xué)“三全育人”教師團隊重點培育項目“以‘三全育人為核心的班主任團隊建設(shè)”（327000522101）

[作者簡介]吳 勁（1989—），男，安徽金寨人，博士，講師，研究方向為水環(huán)境模型模擬。

[中圖分類號] G641[文獻標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-22

一、前言

不同的時代有不同的需求，適應(yīng)時代的變化，滿足時代的需求，是同時實現(xiàn)個人價值和社會價值的良方。而今我們正處于一個多樣化的時代，即這個時代有多種顯著的特征，如社會的人工智能化[1]。隨著智慧水務(wù)、智慧交通、智慧城市、智慧流域等人工智能在城市建設(shè)和水利工程的應(yīng)用，越來越多的政府管理者、研究人員、企業(yè)工程師開始考慮將水科學(xué)與人工智能進行交叉創(chuàng)新利用[2-6]。正因如此，人工智能時代下的城市管理和流域管理迫切需要水科學(xué)和人工智能復(fù)合型的人才。然而，目前高校中專門培養(yǎng)此類的人才還很少見。

水質(zhì)模型技術(shù)是一類典型的水科學(xué)和人工智能交叉研究的前沿技術(shù)，也是水環(huán)境管理的熱點[7]。由于水質(zhì)模型技術(shù)具有較高的知識儲備要求，通常在研究生階段才開設(shè)水質(zhì)模型技術(shù)。目前，中國大學(xué)本科階段開設(shè)的水質(zhì)模型技術(shù)課程較少，且多以選修課形式出現(xiàn)[8]。形成這種情形的原因主要有以下三個方面：首先，部分院校開設(shè)的課程部分包含了水質(zhì)模型技術(shù)的一些知識，例如，為水利工程、環(huán)境科學(xué)、土木工程等專業(yè)本科生開設(shè)的水力學(xué)、流體力學(xué)、環(huán)境學(xué)概論等，導(dǎo)致部分教師認(rèn)為沒必要再單獨開設(shè)水質(zhì)模型技術(shù)課程[9]。其次，目前極少有專門為給排水科學(xué)與工程專業(yè)本科生撰寫的水質(zhì)模型技術(shù)教材[10，11]。目前各高校教師自主選擇的教材，如《水環(huán)境數(shù)學(xué)模型》[12]《環(huán)境水質(zhì)模型概論》[13]《地表水環(huán)境數(shù)值模擬與預(yù)測—EFDC建模技術(shù)及案例實訓(xùn)》[14]《環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型》[15]等，內(nèi)容相對深奧，更適合作為研究生教材，從而導(dǎo)致一些教師不愿意開設(shè)水質(zhì)模型技術(shù)課程。最后，很多學(xué)校給排水專業(yè)沒有針對人工智能等新興技術(shù)的普及及時調(diào)整培養(yǎng)方案，也沒有拓展水質(zhì)模型技術(shù)這門課的動力[16]。

這些客觀或主觀原因限制了給排水科學(xué)與工程專業(yè)本科生的學(xué)識和眼界。特別是在大數(shù)據(jù)和人工智能深入人心、不斷發(fā)展的今天，人們普遍感受到了模型技術(shù)包括水質(zhì)環(huán)境管理對各行業(yè)跨越式的促進作用。相對于高等數(shù)學(xué)、水力學(xué)、流體力學(xué)等傳統(tǒng)水利工程學(xué)科基礎(chǔ)課程，水質(zhì)模型技術(shù)的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生利用模型思維解決日常水質(zhì)管理中面臨的問題。傳統(tǒng)課程知識具有模塊化的特點，使得不同的知識可以在不同的課程中學(xué)習(xí)。然而，水質(zhì)模型技術(shù)是一門專業(yè)性很強的課程，要求具備系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的知識體系。即使在其他課程中學(xué)習(xí)了某一知識點，也很難形成水質(zhì)模型技術(shù)應(yīng)用的專業(yè)思維。從系統(tǒng)化的角度來說，即使其他課程包含了部分水質(zhì)模型知識，但仍然有必要專門開設(shè)水質(zhì)模型技術(shù)課程。從教材來說，目前的教材偏向于研究型，課程知識過于深奧，要求學(xué)生具備一定的研究經(jīng)歷;因此，如何根據(jù)現(xiàn)有教材結(jié)合不同學(xué)校的實際情況，開展因材施教的課程設(shè)計是目前的當(dāng)務(wù)之急。隨著人工智能時代的到來和快速發(fā)展，本科生的課堂教育也應(yīng)該進行一些調(diào)整，以應(yīng)對社會快速變化帶來的各種挑戰(zhàn)?？傮w來說，目前給排水科學(xué)與工程專業(yè)本科生的教學(xué)改革仍然落后于社會的發(fā)展和改革。

因此，有必要開展水質(zhì)模型技術(shù)的創(chuàng)新性教學(xué)設(shè)計和教學(xué)改革，以彌補目前中國高校給排水科學(xué)與工程專業(yè)本科生水質(zhì)模型技術(shù)學(xué)習(xí)的欠缺，推動水質(zhì)模型技術(shù)課程的系統(tǒng)建設(shè)和不斷完善。本研究針對水質(zhì)模型技術(shù)課程存在的問題，提出一系列傳統(tǒng)和新興手段相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計，同時對已開設(shè)的水質(zhì)模型技術(shù)課程進行教學(xué)改革。

二、水質(zhì)模型技術(shù)教學(xué)設(shè)計

（一）教學(xué)設(shè)計

水質(zhì)模型技術(shù)課程的主要內(nèi)容包括概論、污染物運移規(guī)律、水力學(xué)模型、河流溫度模型、河流水質(zhì)模型、湖泊（水庫）溫度模型、湖泊（水庫）富營養(yǎng)化模型、湖泊（水庫）生態(tài)模型、河口及潮汐河流模型、水質(zhì)模型的解、模型在水質(zhì)管理中的應(yīng)用、水質(zhì)模型的計算機實現(xiàn)。從知識類型上看，可以分為四類，主要包括模型背景和價值、基礎(chǔ)理論、不同類型水質(zhì)模型、模型應(yīng)用。其中，模型背景和價值主要包括水質(zhì)模型的出現(xiàn)、發(fā)展過程和當(dāng)前的現(xiàn)狀;基礎(chǔ)理論部分包括污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)化理論、水力學(xué)基本方程;不同類型水質(zhì)模型包括溫度模型、水質(zhì)模型，或者河流模型、湖泊模型、地下水模型、河口和潮汐模型;模型應(yīng)用包括模型的解法以及在計算機上的實踐。

雖然大部分教材對于不同類型水質(zhì)模型的介紹較多，但并不需要在章節(jié)中分配過多的教學(xué)任務(wù)。由于不同類型的水質(zhì)模型具有許多共同的理論基礎(chǔ)，而且很多學(xué)生已經(jīng)在其他課程上學(xué)習(xí)過，可以根據(jù)學(xué)生的平均基礎(chǔ)進行選擇性鞏固和省略，以節(jié)省更多的課程時間講解復(fù)雜的知識。對于不同類型水質(zhì)模型，可以先把共同的理論基礎(chǔ)講解，然后再分別針對不同類型的差異進行分別講解，這樣能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)不同類型水質(zhì)模型技術(shù)時，有相互對比的思考，增進對水質(zhì)模型理論知識的理解。對于本科生而言，了解為什么學(xué)習(xí)水質(zhì)模型以及理解水質(zhì)模型的實際應(yīng)用價值更值得安排課程講解。因為只有引起學(xué)生的足夠興趣，才能在后續(xù)的課程中與學(xué)生進行充分的互動。而在模型應(yīng)用環(huán)節(jié)，國內(nèi)的水質(zhì)模型課長期以來存在著重教學(xué)輕實踐的狀況。雖然很多教師認(rèn)同模型上機實驗的教學(xué)方式，但往往由于教學(xué)設(shè)備、教學(xué)組織等原因，在教學(xué)過程中對于計算機實踐的課程設(shè)計仍然不充分，沒有真正起到理論聯(lián)系實踐并相互促進的作用。在歐美一些國家的本科生模型技術(shù)課程中，都非常重視模型的實踐，理論知識和計算機實踐是水質(zhì)模型不可或缺的部分。因此，加強計算機實踐環(huán)節(jié)，注重對模型理論聯(lián)系實踐的引導(dǎo)，是未來水質(zhì)模型技術(shù)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

（二）教學(xué)改革

高等教育的價值不僅體現(xiàn)在傳播高級知識，同時也體現(xiàn)在培養(yǎng)高級思維。一堂好的水質(zhì)模型技術(shù)課的起點應(yīng)該始于“為什么”?！盀槭裁础笔撬|(zhì)模型技術(shù)的靈魂，正因為水質(zhì)模型技術(shù)能解決某項水環(huán)境實際問題，才能讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)水環(huán)境模型技術(shù)的價值，才會讓學(xué)生產(chǎn)生興趣，才能讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的動力，才會讓后續(xù)的學(xué)習(xí)事半功倍。而“做什么”是學(xué)生們緊接著想了解的事情，這項任務(wù)類似于水質(zhì)模型技術(shù)中的“概念模型”，即把物質(zhì)在水質(zhì)的理化規(guī)律抽象的描述，讓復(fù)雜的事情簡單化，讓晦澀的事情清晰化，這要求教師們高屋建瓴的說清水質(zhì)模型技術(shù)的輪廓，也是體現(xiàn)教學(xué)相長的典型案例。輪廓里的具體內(nèi)容，是不同類型的水質(zhì)模型技術(shù)，也就是前面提到的高級知識，可以理解為“是什么”?！笆鞘裁础笔菍λ|(zhì)模型教科書知識的介紹，知識傳播的要求是嚴(yán)謹(jǐn)，傳播的過程要簡要，盡量使用簡單的邏輯、形象的比喻去介紹知識。因此，利用系統(tǒng)化的教學(xué)方式，依次采用“為什么”“做什么”“是什么”的授課邏輯講授水質(zhì)模型技術(shù)，會讓學(xué)生在興趣中開始、在思考中掌握、在理解中記憶，真正實現(xiàn)感受到水質(zhì)模型技術(shù)課的靈魂。

水質(zhì)模型技術(shù)是一門涉及多種學(xué)科的綜合性課程，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程前，完成環(huán)境科學(xué)概論、水力學(xué)、水文水資源學(xué)、高等數(shù)學(xué)等課程的學(xué)習(xí)。然而，不同學(xué)生對這些課程的掌握情況不一樣，需要在實際教學(xué)中關(guān)注不同學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。學(xué)習(xí)效果可利用多個手段了解，例如，課前基礎(chǔ)知識考查、課中隨堂提問、課后作業(yè)、日常訪問等方式。通過學(xué)習(xí)效果調(diào)查，可以掌握班級學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時調(diào)整教學(xué)節(jié)奏，避免教與學(xué)之間發(fā)生斷層。另一方面，對于本科生而言，水質(zhì)模型技術(shù)涉及的內(nèi)容晦澀難懂，如何讓課程有趣成為水質(zhì)模型技術(shù)改革的難點。實際上，水質(zhì)模型中涉及的很多關(guān)于水的知識和哲理，都或多或少的與某些中國傳統(tǒng)詩詞相輝映。從一些常見的、學(xué)生熟悉的古詩詞引出水質(zhì)模型的內(nèi)涵，進而用科學(xué)的語言準(zhǔn)確描述相關(guān)概念，既能讓學(xué)生體會到學(xué)習(xí)的樂趣，也能加深學(xué)生對一些晦澀難懂知識的記憶。

在水質(zhì)模型中，有很多復(fù)雜的方程，如果只介紹這些方程，學(xué)生很難深刻理解方程本身的物理意義，而在課堂上對這些方程進行推導(dǎo)，會花費大量的時間。實際上，由于課程時間限制，不可能對所有的方程都進行演示和推導(dǎo);因此，選擇一些重點方程進行演示和推導(dǎo)，而對另外一些相對次要且復(fù)雜的方程，則借助成熟的計算機軟件進行快速演示。例如，對于水力學(xué)模型的零維方程、一維方程、二維方程可以進行演示和推導(dǎo)，對河流水質(zhì)模型的Streeter-Phelps方程進行求解，而對Conner模型、MIT溫度模型、Baca-Arnett模型進行計算機輔助演示。

在實踐教學(xué)中，可以選擇QUAL-2模型進行演示。QUAL-2模型是目前世界上應(yīng)用最廣泛的河流水質(zhì)模型之一，也是美國環(huán)保署開發(fā)的免費軟件，可以在excel里進行運行，操作簡單，能夠滿足大部分計算機的硬件要求，同時具有結(jié)構(gòu)清晰，指標(biāo)數(shù)據(jù)簡單等特點，特別適合本科階段的水質(zhì)模型技術(shù)學(xué)習(xí)。對于軟硬件條件較好的高校，可以適當(dāng)增加計算機實踐環(huán)節(jié)，或邀請其他高水平高校教師進行指導(dǎo)，或從最新研究的角度講解未來水質(zhì)模型技術(shù)的發(fā)展趨勢，拓展學(xué)生對水質(zhì)模型技術(shù)的興趣和眼界。

三、結(jié)論

水質(zhì)模型技術(shù)是描述水體中污染物隨時間和空間遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程。從1925年建立斯特里特-菲利普斯（Streeter-Phelps）方程到現(xiàn)在，水質(zhì)模型技術(shù)已發(fā)展近百年，成為一套有效的解決水質(zhì)安全問題的技術(shù)工具，并形成了完整的應(yīng)用學(xué)科理論。然而，在水質(zhì)模型技術(shù)發(fā)展的大多數(shù)時間里，工程師和研究人員大多在遇到實際問題的時候才開始了解水質(zhì)模型技術(shù)。

在人工智能技術(shù)已進入千家萬戶的時代，數(shù)學(xué)模型技術(shù)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ膶ο?。隨著信息化的快速發(fā)展，數(shù)學(xué)模型技術(shù)必將成為給排水科學(xué)與工程專業(yè)未來的發(fā)展方向之一;因此，對于給排水科學(xué)與工程專業(yè)的本科生來說，盡早學(xué)習(xí)和了解水質(zhì)模型技術(shù)，可為未來從事給排水專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究打下堅實的基礎(chǔ)，同時也有助于培養(yǎng)利用模型技術(shù)解決水質(zhì)問題的能力，使培養(yǎng)出的給排水科學(xué)與工程專業(yè)的人才更能滿足社會的預(yù)期。

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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