城市水资源系统动态模拟基础教学的课件设计与实践

郑剑锋

摘 要：水资源系统动态模拟是《水资源利用与保护》课程的难点，在给排水专业学生普遍没有学习过优化技术的情况下，若仅凭想象，学生在学习时有一定困难。该文介绍了一种“水资源系统动态模拟”课件设计思路，包括课件设计的基本思想、总体设计、主要内容及应注意的问题，直观、简洁地将本章内容向学生展示。

关键词：城市水资源系统动态模拟 基础教学 课件设计

中图分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0098-02

《水资源利用与保护》是给排水科学与工程专业的核心课，其中的水资源供需平衡分析是这门课的重点和难点，教学过程中学生普遍反映，对其中的水资源系统动态模拟的学习尤为困难，甚至对于水资源系统优化管理的概念都无法深刻理解，而城市水资源系统优化又恰是给排水专业知识的融汇之处，掌握城市水资源系统动态模拟基础知识，有助于学生加深对给排水专业内涵和其它专业知识的理解。

随着多媒体逐渐在教学中普及，将课程内容做成集文字、声音、图像和视频为一体的教学材料，具有交互性强、表现力强和信息量大的优点。此外，将原本静止枯燥的语言文字用有声有色的方式表现出来，使学生更有兴趣，也使课程内容更易理解。笔者通过可视化教学手段，以实际所做课题为实例，将水资源系统的概化、模型建立、结果分析等以浅显易懂的方式进行讲解，使学生能深刻体会城市水资源系统优化管理的目的、意义及原理。

1 课件设计的基本思想

多媒体教学课件的作用在于利用多媒体与传统教学的手段组织教学，因此“城市水资源系统动态模拟分析”多媒体课件应具有如下功能：（1）在友好通用的操作平台上进行制作，运用多媒体技术将图、文、声、动画集于一体，使课件具有良好的人机交互界面；（2）课件可系统地、有条理地演示课程的知识点，配合教师形象地解释课程重点和难点；（3）通过图片、视频、动画等增强学生对城市水资源系统动态模拟目的及意义的感性认知；（4）帮助学生准确、快速掌握城市水资源系统动态模拟分析的原理及流程。

2 课件设计及主要内容

根据教学大纲的要求，课件总体按照城市水资源系统简介，模型构建和成果综合分析进行设计。

2.1 城市水资源系统简介

用文字、图片、表、视频配合教师向学生讲解水资源系统模拟技术发展的历程，以及城市水资源系统的基本构成，以增强学生的感性认识。同时，介绍目前国内外关于水资源系统分析的最新进展，以弥补教材内容的不足，重点使学生了解城市水资源系统是由来水、用水、蓄水和输水等子系统组成，具有多用途、多目标的复杂系统，涉及社会、经济和生态环境等多项效益。

2.2 建模方法简介

建模方法可分三步进行讲解：（1）讲解城市水资源系统动态模拟模型的基本原理，包括水资源系统概化、模型目标、约束条件等；（2）讲解优化模型的基本步骤，包括模型的建立、检验和运行；（3）简单介绍最常用的建模技术。授课过程中，最好让学习过数学建模的同学介绍学习心得和体会。

2.3 实例分析

结合笔者所完成课题的部分内容，从城市水资源系统概化、建模过程和成果综合分析进行城市水资源系统动态模拟的实例讲解，具体如下：

（1）城市水资源系统概化

选择学生熟悉的区域作为实例分析的研究区，以便于更贴近学生实际生活。根据研究区水资源系统的实际运行情况，将研究区水资源系统概化为三个子系统，分别为供水子系统、用水子系统和外排水子系统，结合图1分别对系统内的要素情况进行详细讲述。

（2）建模过程

按建模一般流程，建模过程应从模型的决策变量、目标函数、约束条件、求解方法和模型验证四方面讲解，可按以下步骤进行讲述：①从数据库调入有关数据，如自来水和再生水月供水量、城市月径流量、各用水单位月实际用水量等和有关参数；②以经济效益和生态环境效益最大化为目标构建目标函数，重点解释经济效益、社会效益和生态环境效益的含义，并简单介绍如何将经济效益、社会效益和生态环境效益用数学模型描述；③向学生介绍约束条件的含义和作用，并结合实例讲解建立水量平衡约束、可利用水资源量约束、蓄水量、排涝设施输水约束、地表水体纳污能力约束、非负约束等建立的方法；④以多目标规划法为例，讲述优化模型的求解方法，并简单介绍几种目前流行的模型求解方法；⑤以线性回归的方法为例，通过模型模拟结果与实际数据的拟合度，讲解如何进行模型验证。

（3）成果综合分析

对于城市水资源系统动态模拟的综合成果分析的介绍，应包括以下内容：①不同水平年的需水量和可供水量的平衡情况；②长时间系列的水资源供需平衡情况；③城市开源、节水措施的方案规划和定量分析；④通过多种方案的演算和情境分析，对研究区水资源供需平衡动态变化作出分析评价。本部分是从理论到实践的过程，要着重讲解如何对各种方案进行评价分析，使学生了解城市水资源系统动态模拟的实际应用过程，故宜采用师生互动的方式，让学生提出城市水资源的问题，老师辅助其他同学谈解决问题的方法，这不仅扩充了本章的内容，也更贴近学生的认识，更易被学生理解。

3 应注意的问题

通过课堂教学实践，学生普遍反映对于城市水资源系统动态模拟的原理和基本方法的理解更为深刻，尤其是通过具体实例的演示，使学生对城市水资源系统动态模拟的建模过程有了更为直观的了解。但在结合可视化教学手段时，仍应注意以下问题：

（1）教师在讲授这部分内容时，决不可贪多，而应按照城市水资源系统动态模拟的内涵→建模方法→实例分析的步骤进行讲解。前言介绍主要让学生懂得城市水资源系统动态模拟作用及内涵；建模方法的讲解不是要使学生完全掌握具体方法，而是让学生了解建模的基本原理即可；实例分析为本章讲解的重点，一定要选择学生所熟悉的实例，配合文字、图片和流程图，重点使学生了解理论应用于实际的过程。

（2）课件需要有大量素材支持，因而教师要不断收集各类有用的素材，要将平时身边的、生动的、直观的可视化教材收集起来，并对素材进行修改和完善。充分利用互联网资源，要经常浏览与水资源优化相关的网站，一方面可收集各类有用的素材，另一方面也可了解最新的水资源优化管理技术。

（3）可视化教学的素材都有一定的局限性，各类文字、图片甚至视频教材都无法达到现场教学的实战效果。因此，在使用各种可视化教学素材时，应尽可能进行现场教学，让学生到与水相关的智能化调度中心学习参观。

（4）在实际授课过程中应强调师生互动，一方面可以有效提高学生学习的积极性和学习乐趣，有助于加深学生对城市水资源系统动态模拟的理解程度；另一方面，也有助于教师从学生的观点中得到启示和灵感，对教师的教学和科研工作都有极大的帮助。

参考文献

[1] 李广贺.水资源利用与保护[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 熊正为，彭福全.《水资源利用与保护》课程教学改革[J].湘潭师范学院学报， 2008，30（2）：224-226.

[3] 刘艳芹.可视化教学在大学数学研究性教学中的应用[J].榆林学院学报，2012，22（2）：55-57.

[4] 姜世华，陈新红，梁鹏.知识可视化在计算机教学中的应用[J].东北农业大学学报：社会科学版，2012，10（2）：77-81.endprint

摘 要：水资源系统动态模拟是《水资源利用与保护》课程的难点，在给排水专业学生普遍没有学习过优化技术的情况下，若仅凭想象，学生在学习时有一定困难。该文介绍了一种“水资源系统动态模拟”课件设计思路，包括课件设计的基本思想、总体设计、主要内容及应注意的问题，直观、简洁地将本章内容向学生展示。

关键词：城市水资源系统动态模拟 基础教学 课件设计

中图分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0098-02

《水资源利用与保护》是给排水科学与工程专业的核心课，其中的水资源供需平衡分析是这门课的重点和难点，教学过程中学生普遍反映，对其中的水资源系统动态模拟的学习尤为困难，甚至对于水资源系统优化管理的概念都无法深刻理解，而城市水资源系统优化又恰是给排水专业知识的融汇之处，掌握城市水资源系统动态模拟基础知识，有助于学生加深对给排水专业内涵和其它专业知识的理解。

随着多媒体逐渐在教学中普及，将课程内容做成集文字、声音、图像和视频为一体的教学材料，具有交互性强、表现力强和信息量大的优点。此外，将原本静止枯燥的语言文字用有声有色的方式表现出来，使学生更有兴趣，也使课程内容更易理解。笔者通过可视化教学手段，以实际所做课题为实例，将水资源系统的概化、模型建立、结果分析等以浅显易懂的方式进行讲解，使学生能深刻体会城市水资源系统优化管理的目的、意义及原理。

1 课件设计的基本思想

多媒体教学课件的作用在于利用多媒体与传统教学的手段组织教学，因此“城市水资源系统动态模拟分析”多媒体课件应具有如下功能：（1）在友好通用的操作平台上进行制作，运用多媒体技术将图、文、声、动画集于一体，使课件具有良好的人机交互界面；（2）课件可系统地、有条理地演示课程的知识点，配合教师形象地解释课程重点和难点；（3）通过图片、视频、动画等增强学生对城市水资源系统动态模拟目的及意义的感性认知；（4）帮助学生准确、快速掌握城市水资源系统动态模拟分析的原理及流程。

2 课件设计及主要内容

根据教学大纲的要求，课件总体按照城市水资源系统简介，模型构建和成果综合分析进行设计。

2.1 城市水资源系统简介

用文字、图片、表、视频配合教师向学生讲解水资源系统模拟技术发展的历程，以及城市水资源系统的基本构成，以增强学生的感性认识。同时，介绍目前国内外关于水资源系统分析的最新进展，以弥补教材内容的不足，重点使学生了解城市水资源系统是由来水、用水、蓄水和输水等子系统组成，具有多用途、多目标的复杂系统，涉及社会、经济和生态环境等多项效益。

2.2 建模方法简介

建模方法可分三步进行讲解：（1）讲解城市水资源系统动态模拟模型的基本原理，包括水资源系统概化、模型目标、约束条件等；（2）讲解优化模型的基本步骤，包括模型的建立、检验和运行；（3）简单介绍最常用的建模技术。授课过程中，最好让学习过数学建模的同学介绍学习心得和体会。

2.3 实例分析

结合笔者所完成课题的部分内容，从城市水资源系统概化、建模过程和成果综合分析进行城市水资源系统动态模拟的实例讲解，具体如下：

（1）城市水资源系统概化

选择学生熟悉的区域作为实例分析的研究区，以便于更贴近学生实际生活。根据研究区水资源系统的实际运行情况，将研究区水资源系统概化为三个子系统，分别为供水子系统、用水子系统和外排水子系统，结合图1分别对系统内的要素情况进行详细讲述。

（2）建模过程

按建模一般流程，建模过程应从模型的决策变量、目标函数、约束条件、求解方法和模型验证四方面讲解，可按以下步骤进行讲述：①从数据库调入有关数据，如自来水和再生水月供水量、城市月径流量、各用水单位月实际用水量等和有关参数；②以经济效益和生态环境效益最大化为目标构建目标函数，重点解释经济效益、社会效益和生态环境效益的含义，并简单介绍如何将经济效益、社会效益和生态环境效益用数学模型描述；③向学生介绍约束条件的含义和作用，并结合实例讲解建立水量平衡约束、可利用水资源量约束、蓄水量、排涝设施输水约束、地表水体纳污能力约束、非负约束等建立的方法；④以多目标规划法为例，讲述优化模型的求解方法，并简单介绍几种目前流行的模型求解方法；⑤以线性回归的方法为例，通过模型模拟结果与实际数据的拟合度，讲解如何进行模型验证。

（3）成果综合分析

对于城市水资源系统动态模拟的综合成果分析的介绍，应包括以下内容：①不同水平年的需水量和可供水量的平衡情况；②长时间系列的水资源供需平衡情况；③城市开源、节水措施的方案规划和定量分析；④通过多种方案的演算和情境分析，对研究区水资源供需平衡动态变化作出分析评价。本部分是从理论到实践的过程，要着重讲解如何对各种方案进行评价分析，使学生了解城市水资源系统动态模拟的实际应用过程，故宜采用师生互动的方式，让学生提出城市水资源的问题，老师辅助其他同学谈解决问题的方法，这不仅扩充了本章的内容，也更贴近学生的认识，更易被学生理解。

3 应注意的问题

通过课堂教学实践，学生普遍反映对于城市水资源系统动态模拟的原理和基本方法的理解更为深刻，尤其是通过具体实例的演示，使学生对城市水资源系统动态模拟的建模过程有了更为直观的了解。但在结合可视化教学手段时，仍应注意以下问题：

（1）教师在讲授这部分内容时，决不可贪多，而应按照城市水资源系统动态模拟的内涵→建模方法→实例分析的步骤进行讲解。前言介绍主要让学生懂得城市水资源系统动态模拟作用及内涵；建模方法的讲解不是要使学生完全掌握具体方法，而是让学生了解建模的基本原理即可；实例分析为本章讲解的重点，一定要选择学生所熟悉的实例，配合文字、图片和流程图，重点使学生了解理论应用于实际的过程。

（2）课件需要有大量素材支持，因而教师要不断收集各类有用的素材，要将平时身边的、生动的、直观的可视化教材收集起来，并对素材进行修改和完善。充分利用互联网资源，要经常浏览与水资源优化相关的网站，一方面可收集各类有用的素材，另一方面也可了解最新的水资源优化管理技术。

（3）可视化教学的素材都有一定的局限性，各类文字、图片甚至视频教材都无法达到现场教学的实战效果。因此，在使用各种可视化教学素材时，应尽可能进行现场教学，让学生到与水相关的智能化调度中心学习参观。

（4）在实际授课过程中应强调师生互动，一方面可以有效提高学生学习的积极性和学习乐趣，有助于加深学生对城市水资源系统动态模拟的理解程度；另一方面，也有助于教师从学生的观点中得到启示和灵感，对教师的教学和科研工作都有极大的帮助。

参考文献

[1] 李广贺.水资源利用与保护[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 熊正为，彭福全.《水资源利用与保护》课程教学改革[J].湘潭师范学院学报， 2008，30（2）：224-226.

[3] 刘艳芹.可视化教学在大学数学研究性教学中的应用[J].榆林学院学报，2012，22（2）：55-57.

[4] 姜世华，陈新红，梁鹏.知识可视化在计算机教学中的应用[J].东北农业大学学报：社会科学版，2012，10（2）：77-81.endprint

摘 要：水资源系统动态模拟是《水资源利用与保护》课程的难点，在给排水专业学生普遍没有学习过优化技术的情况下，若仅凭想象，学生在学习时有一定困难。该文介绍了一种“水资源系统动态模拟”课件设计思路，包括课件设计的基本思想、总体设计、主要内容及应注意的问题，直观、简洁地将本章内容向学生展示。

关键词：城市水资源系统动态模拟 基础教学 课件设计

中图分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0098-02

《水资源利用与保护》是给排水科学与工程专业的核心课，其中的水资源供需平衡分析是这门课的重点和难点，教学过程中学生普遍反映，对其中的水资源系统动态模拟的学习尤为困难，甚至对于水资源系统优化管理的概念都无法深刻理解，而城市水资源系统优化又恰是给排水专业知识的融汇之处，掌握城市水资源系统动态模拟基础知识，有助于学生加深对给排水专业内涵和其它专业知识的理解。

随着多媒体逐渐在教学中普及，将课程内容做成集文字、声音、图像和视频为一体的教学材料，具有交互性强、表现力强和信息量大的优点。此外，将原本静止枯燥的语言文字用有声有色的方式表现出来，使学生更有兴趣，也使课程内容更易理解。笔者通过可视化教学手段，以实际所做课题为实例，将水资源系统的概化、模型建立、结果分析等以浅显易懂的方式进行讲解，使学生能深刻体会城市水资源系统优化管理的目的、意义及原理。

1 课件设计的基本思想

多媒体教学课件的作用在于利用多媒体与传统教学的手段组织教学，因此“城市水资源系统动态模拟分析”多媒体课件应具有如下功能：（1）在友好通用的操作平台上进行制作，运用多媒体技术将图、文、声、动画集于一体，使课件具有良好的人机交互界面；（2）课件可系统地、有条理地演示课程的知识点，配合教师形象地解释课程重点和难点；（3）通过图片、视频、动画等增强学生对城市水资源系统动态模拟目的及意义的感性认知；（4）帮助学生准确、快速掌握城市水资源系统动态模拟分析的原理及流程。

2 课件设计及主要内容

根据教学大纲的要求，课件总体按照城市水资源系统简介，模型构建和成果综合分析进行设计。

2.1 城市水资源系统简介

用文字、图片、表、视频配合教师向学生讲解水资源系统模拟技术发展的历程，以及城市水资源系统的基本构成，以增强学生的感性认识。同时，介绍目前国内外关于水资源系统分析的最新进展，以弥补教材内容的不足，重点使学生了解城市水资源系统是由来水、用水、蓄水和输水等子系统组成，具有多用途、多目标的复杂系统，涉及社会、经济和生态环境等多项效益。

2.2 建模方法简介

建模方法可分三步进行讲解：（1）讲解城市水资源系统动态模拟模型的基本原理，包括水资源系统概化、模型目标、约束条件等；（2）讲解优化模型的基本步骤，包括模型的建立、检验和运行；（3）简单介绍最常用的建模技术。授课过程中，最好让学习过数学建模的同学介绍学习心得和体会。

2.3 实例分析

结合笔者所完成课题的部分内容，从城市水资源系统概化、建模过程和成果综合分析进行城市水资源系统动态模拟的实例讲解，具体如下：

（1）城市水资源系统概化

选择学生熟悉的区域作为实例分析的研究区，以便于更贴近学生实际生活。根据研究区水资源系统的实际运行情况，将研究区水资源系统概化为三个子系统，分别为供水子系统、用水子系统和外排水子系统，结合图1分别对系统内的要素情况进行详细讲述。

（2）建模过程

按建模一般流程，建模过程应从模型的决策变量、目标函数、约束条件、求解方法和模型验证四方面讲解，可按以下步骤进行讲述：①从数据库调入有关数据，如自来水和再生水月供水量、城市月径流量、各用水单位月实际用水量等和有关参数；②以经济效益和生态环境效益最大化为目标构建目标函数，重点解释经济效益、社会效益和生态环境效益的含义，并简单介绍如何将经济效益、社会效益和生态环境效益用数学模型描述；③向学生介绍约束条件的含义和作用，并结合实例讲解建立水量平衡约束、可利用水资源量约束、蓄水量、排涝设施输水约束、地表水体纳污能力约束、非负约束等建立的方法；④以多目标规划法为例，讲述优化模型的求解方法，并简单介绍几种目前流行的模型求解方法；⑤以线性回归的方法为例，通过模型模拟结果与实际数据的拟合度，讲解如何进行模型验证。

（3）成果综合分析

对于城市水资源系统动态模拟的综合成果分析的介绍，应包括以下内容：①不同水平年的需水量和可供水量的平衡情况；②长时间系列的水资源供需平衡情况；③城市开源、节水措施的方案规划和定量分析；④通过多种方案的演算和情境分析，对研究区水资源供需平衡动态变化作出分析评价。本部分是从理论到实践的过程，要着重讲解如何对各种方案进行评价分析，使学生了解城市水资源系统动态模拟的实际应用过程，故宜采用师生互动的方式，让学生提出城市水资源的问题，老师辅助其他同学谈解决问题的方法，这不仅扩充了本章的内容，也更贴近学生的认识，更易被学生理解。

3 应注意的问题

通过课堂教学实践，学生普遍反映对于城市水资源系统动态模拟的原理和基本方法的理解更为深刻，尤其是通过具体实例的演示，使学生对城市水资源系统动态模拟的建模过程有了更为直观的了解。但在结合可视化教学手段时，仍应注意以下问题：

（1）教师在讲授这部分内容时，决不可贪多，而应按照城市水资源系统动态模拟的内涵→建模方法→实例分析的步骤进行讲解。前言介绍主要让学生懂得城市水资源系统动态模拟作用及内涵；建模方法的讲解不是要使学生完全掌握具体方法，而是让学生了解建模的基本原理即可；实例分析为本章讲解的重点，一定要选择学生所熟悉的实例，配合文字、图片和流程图，重点使学生了解理论应用于实际的过程。

（2）课件需要有大量素材支持，因而教师要不断收集各类有用的素材，要将平时身边的、生动的、直观的可视化教材收集起来，并对素材进行修改和完善。充分利用互联网资源，要经常浏览与水资源优化相关的网站，一方面可收集各类有用的素材，另一方面也可了解最新的水资源优化管理技术。

（3）可视化教学的素材都有一定的局限性，各类文字、图片甚至视频教材都无法达到现场教学的实战效果。因此，在使用各种可视化教学素材时，应尽可能进行现场教学，让学生到与水相关的智能化调度中心学习参观。

（4）在实际授课过程中应强调师生互动，一方面可以有效提高学生学习的积极性和学习乐趣，有助于加深学生对城市水资源系统动态模拟的理解程度；另一方面，也有助于教师从学生的观点中得到启示和灵感，对教师的教学和科研工作都有极大的帮助。

参考文献

[1] 李广贺.水资源利用与保护[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 熊正为，彭福全.《水资源利用与保护》课程教学改革[J].湘潭师范学院学报， 2008，30（2）：224-226.

[3] 刘艳芹.可视化教学在大学数学研究性教学中的应用[J].榆林学院学报，2012，22（2）：55-57.

[4] 姜世华，陈新红，梁鹏.知识可视化在计算机教学中的应用[J].东北农业大学学报：社会科学版，2012，10（2）：77-81.endprint