虚拟仿真在《水文预报》课程教学中的应用
魏娜 解建仓 罗军刚 宋孝玉
摘 要：《水文预报》是水文与水资源工程专业本科教学的主干课程之一，为了发挥虚拟仿真实验在《水文预报》教学方面的作用，作者结合课程特点，分析了该课程虚拟仿真教学的必要性，并以新安江流域水文模型为例进行《水文预报》的虚拟仿真教学，对模型内部蒸散产流、水源划分、坡地汇流、河道汇流四个重要环节进行探讨，为学生提供动手实践的平台。该课程的虚拟仿真实验教学注重知识与能力的结合，推进了信息技术与教育教学深度融合，解决了实体实验不能解决的问题，培养了学生的创新精神和实践能力，提高了课程改革质量。
关键词：虚拟仿真;水文预报;新安江模型;改革实践
中图分类号：G434? ? ? ? 文献标志码：B? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2019）24-0034-04
一、引言
2019年2月中共中央办公厅、国务院办公厅印发《加快推进教育现代化实施方案（2018-2022年）》，强调大力推进教育信息化，促进信息技术与教育教学深度融合，支持学校充分利用信息技术开展人才培养模式和教学方法改革，逐步实现信息化教与学应用师生全覆盖，将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量。虚拟仿真实验教学作为国家信息化教育战略的重要实践内容，已经成为工科学生工程能力及创新能力培养的重要手段，其教育模式、教学方法、教学手段不断得以完善[1-9]。水文与水资源工程专业作为水利行业的重要专业领域之一，为与国民经济发展密切相关的多个支柱产业提供智力支撑，教育信息化革新了传统水文与水资源工程专业的教学模式，提出了许多新思想、新理念、新战略与新举措，因此，与时俱进地将其贯穿于水利人才培养全过程中，以满足现代水利理念对人才培养的需求。目前，国外单独开设水文与水资源工程本科专业的学校较少，大多数在土木工程专业、环境专业或者地学类专业，且多以研究生教育为主，国内有50余所高校开设了水文与水资源工程专业，且多数高校已经构建了水文与水资源类专业的人才培养特色[10] [11]。
西安理工大学水文与水资源工程专业是全国水文学及水资源学科获批的首批重点学科，在多年教学实践中，形成了“注重基础、强化实践、推进创新”的专业特色。2017年，西安理工大学“水资源与水环境虚拟仿真实验教学中心”正式获批陕西省虚拟仿真实验教学中心，中心立足“以学生发展为中心”，面向全院学生开展教学改革，建立以课程教学内容为主题，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，在教学过程中发挥重要作用。中心以知识可视化综合集成平台为支撑[12]，采用面向服务的体系结构（SOA）技术、Web Service技术及组件技术等，构建了集成应用模式下的水文水资源虚拟仿真实验教学系统，具备集中式的硬件平台，包括了工作站、投影、音响和中控等系统，为保证虚拟仿真实验教学质量提供了必要的物质基础。本文针对《水文预报》这一专业主干课程，阐述《水文预报》虚拟仿真教学的必要性、实施方案及考核，探讨虚拟仿真实验教学在革新传统教学模式、教学方法、教学手段中发挥的重要作用。
二、《水文预报》虚拟仿真教学的必要性
1.水资源系统的特殊性
水资源系统是一个动态演化的复杂系统，气候、地质、植被等自然条件变化对水资源的质与量及其分布状况产生影响，人类活动（用水需求增加、水利工程建设、非常规水源利用、地下水开发利用等）也直接或者间接对水资源的质与量及其时空分布产生影响。水资源系统作为一个“人工—自然”复合的复杂系统，具有跨区域、多尺度、动态性、多目标性及随机性等特点，例如，在时间尺度上具有过去时、现在时、将来时、长中短期等，在空间尺度上具有上游和下游、干流和支流、地上和地下、左岸和右岸等，这些都使得水资源的规划、设计、开发、利用和保护具有不确定性，小尺度的微观机理可以通过真实实验来实现，大尺度的宏观规律或机理真实实验则无法实现，亟需借助虚拟仿真教学来提高学生的认知水平和实践能力。
2.课程培养的必要性
《水文预报》作为水文学科的重要组成部分，是一门理论、技术和实践均较强的专业课程。水文预报工作要服务于生产实际，必须从“单一”的预报转向“预报→调度→决策”的全过程服务，尤其是在防洪减灾中，洪水预报为调度决策提供重要的科学依据，关系到人民生命财产安全和经济社会稳定发展的大局[13]。由于水资源系统的特殊性，导致真实实验环境复杂、实验成本高、部分实验不可及等现实局限，如流域水文模拟、河道洪水演进、实时洪水预报等。随着信息时代的到来，计算机的发展有了新突破，在水文预报领域逐渐推广，水文模拟技术逐步提高，在水文预报方法、水文模型、水文预报系统及新技术应用等方面均有很大提高，开展《水文预报》课程虚拟仿真实验，填补了真实实验无法实现的教学实验项目，为学生创新实践能力的培养奠定了坚实的基础。
3.专业培养的紧迫性
在工程教育认证理念下，水文与水资源工程专业要求培养品德优良、基础理论和专业技能扎实、创新意识强、实践能力突出，具有国际视野和良好发展潜力的高素质复合型人才。实验教学作为高校教学、研究、培养高素质人才的重要途径，践行“虚实结合”的创新实践培养模式，开展大数据支撑下的教育治理能力优化行动，構建“互联网+教育”支撑服务平台，打破传统教育的封闭状态，突破传统教育的时空界限，实现推动以互联网等信息化手段服务教育教学全过程，把学生培养成“水利+信息技术”“水利+生态”“水利+环境”“水利+管理”等的复合型人才，适应国家对未来人才的广泛需求。
4.现代水利发展的必然性
随着计算机与信息技术的飞速发展，物联网+、大数据、云计算已成为水利信息化应用研究的热点，是传统水利的主要方向。以前无法实现的实验、不能开展的实验，目前都可以借助最新的信息技术在计算机中开展虚拟仿真实验。虚拟现实技术、三维建模与可视化、3S技术（遥感技术、地理信息系统和全球定位系统的统称）、数字地球技术等都已在水利工程建设与运行管理中得到广泛应用。现代水利就是要打破常规，将各种先进的信息技术应用于教育教学过程中，开展虚拟仿真实验教学，是革新传统教学方式方法的迫切需要，也是实现水利现代化的迫切需要。
三、《水文预报》虚拟仿真教学的实施方案
水文学是地球科学的一个重要分支，是一门研究地球上水的时空分布与运动规律并应用于水资源的规划、设计、开发、利用和保护的科学[14]。《水文预报》作为水文学科的重要组成部分，在水文现象基本规律和水文模型研究的基础上，紧密结合生产实践，构建预报方法或预报方案，从而解决生产实践中的问题，也是目前普遍采用的有效的非工程措施之一[15]。20世纪60年代，专家学者对数学模拟的概念进行了改造与完善，使流域水文模型在水文学科领域得到广泛应用，水文模型是对自然界中复杂水文现象的一种概化，采用水文模型能够模拟流域降雨（融雪）～径流的形成过程。水文模型作为模拟流域水文过程和认识水文规律的重要工具，对流域产汇流分析、洪水预报以及水资源的开发、利用和保护等具有重要的现实意义。随着水文学科领域自身的发展，加之不同社会发展阶段新技术的产生与融合，各国水文学家先后开发建立了各种类型的水文模型[16] [17]，本文主要以新安江流域水文模型为例进行虚拟仿真实验教学。
考虑降雨和流域下垫面分布的不均匀性，新安江模型采用分散性结构设计，主要包括蒸发产流计算、水源划分计算、坡地汇流计算、河道汇流计算四个层次，并将全流域划分为若干个单元流域[18]，图1为单元流域新安江模型流程图（方框外的字母代表模型参数，方框内的字母代表状态变量），各个单元流域在全流域出口断面流量过程的叠加之和，即为全流域出口断面的总流量过程。在生产实践中，模型多存在结构复杂、参数多且不易确定、预报精度不达标、修正困难等问题，采用虚拟仿真实验教学，学生可以系统地掌握模型各个层次结构之间的联系、不同类型参数的功能（如蒸散发参数、产流参数、分水源参数、汇流参数等）、对预报精度的影响等，全方位、多层次、多角度地理解模型的原理，掌握模型的结构与性能。
图2所示为新安江流域水文模型虚拟仿真实验界面，该实验将教学实验流程以可视化的方式展现，学生可以依据实验流程一步步完成实验，包括初始数据输入、模型参数率定、模型计算、反馈修正、确定最终模拟结果等。此外，学生可以通过不同的气象条件、地理条件、下垫面条件等组合形成不同的模拟方案，针对不同的模拟方案进行对比分析。
以蒸发产流过程为例，如图3所示为新安江流域水文模型参数率定界面，依据参数的物理意义调整参数值，包括地下径流出流系数（KG）、壤中流出流系数（KSS）、平均自由蓄水容量（SM）、不透水面积参数（IMP）等，由于涉及参数多、信息量少，分析蒸发产流过程所涉及各个参数的敏感性和相关性，避免出现参数的相关性、不稳定性和不唯一性等问题。通过模拟计算，得到地面径流流量过程（RS）、地下径流流量过程（RG）和壤中流过程（RSS）。对比预报洪水流量总过程和实测洪水流量总过程，如图4所示，并对洪水预报结果进行综合评定，包括洪峰流量绝对误差、洪峰流量相对误差、确定性系数、峰现时间等，分析水文预报误差产生的原因，使水文预报精度更具可靠性和有效性。
四、《水文预报》虚拟仿真教学的考核
考核是教学过程中不可或缺的环节。首先，考试内容具有科学性和严密性，要突出创新人才培养的要求;其次，考试方式具有多样性和灵活性，包括闭卷考试、开卷考试、参与项目、实践操作等;最后，考试评分具有科学性，包括知识、能力、素质的综合评判。本课程考核包括平时成绩（10%）、实验成绩（20%）、卷面考核（70%）三部分，目前对于学生虚拟仿真实验考核还没有定量的方法。随着虚拟仿真实验在教学和科研中的深入发展，后期将建设虚拟仿真实验考核与管理系统，制定切实可行的考核实施办法，包括实验教学、实验考核、实验操作预约、实验答疑等，一方面促进实验室各项规章制度的进一步健全和完善，使实验考核不断规范化、科学化;另一方面促进实验教学的全面开展，提高实验开课率和仪器设备使用率。
五、结论
《水文預报》作为一门理论性、技术性和实践性较强的课程，教师在教学过程中要勇于探索和实践，打破传统培养模式单一、实验内容形式固定、学生自主创造受限等局限，将信息技术与教育教学深度融合，充分利用信息技术开展人才培养模式和教学方法改革，提升学生学习专业知识的积极性，激发学生自主发展潜力，强化学生专业知识的实际运用能力。
《水文预报》虚拟仿真实验教学突破传统实验室分散的、封闭式的管理、服务对象单一、共享机制不完善等不足，不受时间、空间的限制，只要有网络的地方就可以动手做实验，将原理融入实验过程，有效引导学生搭建完整的知识体系，使学生在实验活动中由“要我做实验”变为“我要做实验”，实现了真正意义上的资源整合、开放共享，为培养学生自主学习能力和开展创新实践训练提供支撑。
虚拟仿真教学的实施尽管已经取得了一定的效果，但仍有很大发展空间，以《水文预报》课程的教学为例，虚拟仿真可以打破跨学科的实验屏障，注重多学科交叉渗透，支撑复杂的多学科交叉的系统性实验，提升实验教学效果，降低教学成本，同时可以与教师的科研项目和课题研究相结合，从而进一步提升高等学校科学研究与创新服务能力。
参考文献：
[1]槐文信，李丹，赵明登，等.水力学虚拟实验平台建设与实践[J].高等理科教育，2017（5）：121-125.
[2]卢艳丽，董文强，王永欣，等.材料类专业虚拟仿真实验教学中心的建设与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（11）：153-157.
[3]程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，30（7）：94-97.
[4]王李冬，安康，曹世华.基于虚拟实验平台的计算机网络实践课程教学探讨[J].高等理科教育，2014（6）：93-97.
[5]魏娜，解建仓，罗军刚，等.水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台建设探析[J].实验室研究与探索，2017，36（11）： 169-171+278.
[6]张景川，石鲁珍.大学物理虚拟实验实践教学与理论分析[J].高等理科教育，2009（2）：79-82.
[7]李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014，31（2）：5-8.
[8]唐向阳，马骁飞，郭翠梨，等.建设高水平“化学化工虚拟仿真实验教学中心”的思路与探索[J].高等理科教育，2015（6）：102-106.
[9]马文顶，吴作武，万志军，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014，31（9）：14-18.
[10]陈华，张翔，陈杰，等.新形势下水文与水资源工程培养目标分析研究[J].教育现代化，2018，5（28）：213-216.
[11]莫淑红，宋孝玉，黄领梅.新形势下水文与水资源工程专业人才培养保障体系探究[J].中国电力教育，2014（5）：61-63.
[12]解建仓，罗军刚.水利信息化综合集成服务平台及应用模式[J].水利信息化，2010（4）：18-22.
[13]张建云.中国水文预报技术发展的回顾与思考[J].水科学进展，2010，21（4）：435-443.
[14]夏军，左其亭.国际水文科学研究的新进展[J].地球科学进展，2006，21（3）：256-261.
[15]晋美次旦.基于鱼群优化支持向量机的水文预测系统[D].天津：天津大学，2009.
[16]金鑫，郝振纯，张金良.水文模型研究进展及发展方向[J].水土保持研究，2006，13（4）：197-199.
[17]徐宗学.水文模型[M].北京：科学出版社，2009：3-5.
[18]芮孝芳，凌哲，刘宁宁，等.新安江模型的起源及对其进一步发展的建议[J].水利水电科技进展，2012，32（4）：1-5.（编辑：鲁利瑞）
