[出处] 教育教学论坛_2022年第28期

汪昆平，翟 俊，陈猷鹏，曾晓岚，付国楷

（重庆大学 环境与生态学院，重庆 400044）

引言

新兴信息技术革命正驱动着全球工程教育的深刻变革，知识总量快速增长，知识需求日新月异，这对研究生工程教育教学理论、模式及教学内容、教学资源提出了全新的要求。限于规定学时内完成有限内容的传统教学模式越来越不能适应社会需求，特别是教材内容更新频率越来越跟不上知识增长频率，学生知识陈旧的问题越来越突出，规模化课堂统一传授知识与社会知识需求多样化要求的矛盾也越来越突出。面对这样的形势，在《专业学位研究生教育发展方案（2020—2025）》中，国务院学位委员会、教育部明确要求专业学位研究生培养要造就“创新型、复合型、应用型人才”，在适应社会分工日益精细化、专业化、对人才需求多样化方面发挥优势。

城市水务是应城市发展需求而设立的，是城市经济社会发展的命脉。智慧水务是基于信息技术为城市水务提供信息化、智慧化支撑。构建全方位城市智能水务系统，利用计算机模型和智能控制模型，形成“水务物联网”，可降低城市水务系统建设和运营成本，提升工作效率、升级功能，实现智能自动运行和调度，测控城市供水、排水、水环境风险，由数据推演预测水问题情势，并提供相关依据供决策参考。随着物联网、大数据、云计算的兴起，智慧水务发展迅猛。智慧水务涉及的知识体系，并非通过对传统水务人才培养知识体系的简单修订就可达成。基于这样的情形，本文探讨了在学时有限的条件下，通过构建智慧水务案例库，既为“线（网）上+线（网）下”混合式教学提供素材，又基于相应的资源引导帮助学生进行以需求为导向、以问题解决为导向的自主学习，培养锻炼学生分析问题、探索与解决问题、进行创新的意识与能力，为智慧水务专业硕士研究生人才培养的多样化途径创造条件。

一、智慧水务案例库建设目标

案例库建设，应体现专业学位研究生教学内容与方法改革，除反映相关课程的时效性，特别应重视适应实践应用能力和创新能力的培养锻炼。智慧水务案例库建设目标为：构成以解决智慧水务实际问题为中心的案例库，为智慧水务现行教育教学提供案例素材，同时为专业硕士研究生以问题解决为导向的自主学习提供系统性引导，使之能够围绕城市厂网一体化联合调度的应用需要，熟悉地理信息系统、物联网、云计算、大数据等技术，能关联在线监测和管网运维，参与数据平台、应用平台的建设、完善，实施对排水户、管网、调蓄池、泵站、污水厂等水务基础设施的一体化监测、运维、管理和服务，实现自动化监测、实时化调度、网络化事务处理、系统化管理、科学化决策、规范化服务的技术系统构建与功能发挥。

二、智慧水务案例库建设的指导思想

在这个知识爆炸式增长、工程教育教学发生深刻变革的背景下，基于传统教育教学模式获取知识已不能满足社会创新发展的需要，案例库不应只是传统课堂教学的素材。世界各国都已将知识的自主获取作为驱动创新发展的重要手段，重视学生核心素养的培育，将大学生的自主学习意识、自主获取知识能力作为核心素养框架的核心和本质，但在目前我国教育教学实践中，还缺少相应的保障机制和资源。

利用案例库的教育教学，应能够充分体现构建主义的以学生为中心，引导学生以需求、问题解决为导向主动发现与探索，并构建相应的知识体系；依托案例库，使教育教学主体逐渐从“以教为主”向“以学为主”转变，使与时代发展相适应的教学内容、教学资源、教学模式重构和重组的改革能够逐渐得以拓展延伸。相对传统的教育教学内容，案例涉及的知识新，与新的时代需求呼应，特别是案例源于实践，具有很强的实用性。利用其解决实际问题，可关联涉及的多样化知识，构成起以解决相应问题为中心的知识体系。利用共享开放性案例库，通过“线（网）上+线（网）下”混合式教学方式，即可辅助完成规定的教学任务，也可帮助学生基于自己的兴趣爱好参与产学研活动；基于实际问题的解决，选择案例库中的相关案例，自主学习，可获得解决问题的知识、方法。通过案例引导学生以问题解决为导向进入角色，进行案例自主学习、消化、吸收、分析、讨论，可明确解决实际问题的途径、方法。通过这种以问题解决为导向的自主学习，学生将逐渐形成以问题解决为导向的，自主学习、分析问题、探索与解决问题、进行创新的意识与能力。同时，学生基于自己的兴趣、爱好，通过针对性地利用特定案例，参与、介入多样化的产学研活动，能够适应多样化人才培养要求。

三、智慧水务案例库的建设实践

智慧水务涉及的知识体系覆盖面广，在案例库建设过程中，需要充分进行水环境工程与给排水工程学科间的交叉、渗透、融合。要重视智慧水务的完整逻辑结构、知识体系，重视为学生的自主学习提供系统引导、素材资源保障；同时，兼顾现行相关课程教学大纲要求，为完成现行教学任务提供丰富、生动的素材。要基于全方位收集的城市智能水务系统，诠释利用计算机模型和智能控制模型形成的“水务物联网”，明确智慧化如何降低城市水务系统建设和运营成本，提升工作效率，升级功能，并实现智能自动运行和调度，测控城市供水、排水、水环境风险，由数据推演预测水问题情势，并为相关决策提供参考与依据。

（一）案例库内容

本案例库包括“智慧海绵城市系统”“智慧供水系统”“智慧排水系统”“智慧建水系统”“智慧水环境系统”“智慧防洪排涝系统”“智慧水务综合系统”7个方面共22个案例。

1.智慧海绵城市系统。（1）雨水综合利用案例（覆盖现行大纲部分内容），通过绿地、景观塘等城市设施，实现雨水渗透、净化、储存滞蓄、调节回用、集中和分散相结合的水污染控制与治理，以及雨水及再生水的循环利用等功能。（2）海绵城市系统智慧化途径案例（现行大纲未包括），通过改进海绵城市系统建设与运维监管方式、城市雨水资源状态和数据采集、城市雨水资源体系的建模、统计和利用过程的数字化动态监测、一体化的业务监管云平台，实施海绵城市系统建设，实现海绵城市系统智能化管理、运维及与市民体验交互的服务。（3）内涝防控智慧海绵城市系统案例（覆盖现行大纲部分内容），通过智慧化的数字手段，从宏观尺度对内涝灾害进行风险评估，建立智慧海绵监管平台，进行海绵单元按源头减排的过程控制，进行情景模拟与低影响措施的开发与布设，实现防洪排涝设计、生态修复、景观、集成多尺度多时态的风险排除和安全预警等功能。

2.智慧供水系统。（1）智能供水系统设计案例（覆盖现行大纲部分内容），利用一体式传感器、水力模型、DMA分区计量技术降低管网漏损，通过联网技术、大数据分析技术、GIS技术、计算机技术、一体式传感器、水力模型等应用，实现一体化的综合性供水运营管理。（2）供水管网智慧管理案例（覆盖现行大纲部分内容），针对能源资源浪费方面城市供水管网漏损的问题、原因，以及我国当前城市供水管网的漏损情况，通过基于压力驱动漏失（PDD）的管网建模技术、三层级管网分区技术、管网动态压力调控技术、基于贝叶斯与盲源分离算法的漏失评价定位技术、基于异网通信的城市管网在线监控系统技术，实现供水管网的优化智慧管理。（3）智慧水厂案例（覆盖现行大纲部分内容），通过物联网、云计算、大数据、人工智能、BIM、远程监控等新一代信息技术，建设生产、运行、维护、调度和服务等全方位、全过程各环节高度信息互通、反应快捷、管理有序的高效节能、绿色环保、环境舒适水厂。（4）智慧供水在线监测案例（覆盖现行大纲部分内容），通过SCADA系统对供水运行设备进行监视和控制，关联GIS系统对海量空间数据、拓扑结构、拓扑关系进行有效管理，构建集地图管理、管网编辑、SCADA监控、爆管监察、系统管理等于一体的供水管网在线监测系统，实现数据采集、设备控制、参数调节以及各类报警、与空间相关的查询统计、空间分析等功能。

3.智慧排水系统。（1）城市面源SWMM模型案例（覆盖现行大纲部分内容），通过SWMM模型的建立、率定与验证，利用SWMM模型分析城市雨水排水系统对雨水径流及面源污染负荷总量的收集及输送能力，识别城市雨水排水系统的薄弱环节以及城市雨水排水系统对面源污染总量控制的贡献，分析城市雨水管道系统输移城市初期雨水的污染负荷变化规律，实现城市雨水的高效收集及调蓄，提高城市面源污染控制率。（2）智慧排水体系构建案例（覆盖现行大纲部分内容），通过GIS系统，利用感知监测网、物联网、云计算、移动互联网、工业控制和水力模型等新一代信息技术手段，构建安全预警平台，以城市排水设施数据为基础，结合管网监控数据、气象雨情状况，全方位感知市政排水运行工况，提高应急指挥及快速处置能力，实现城市汇水区智能划分、排水科学合理规划、防涝预测。（3）智慧排水体系安全机制案例（覆盖现行大纲部分内容），通过智慧排水系统网络感知层、网络层及应用层、在线监测、智慧排水系统安全机制、智慧排水系统标准化体系，实现城市排水管网有害气体安全检测与预警、污水处理设施应对冲击负荷的联动调控、城市排水设施的安全运行与应急调度。

4.智慧建水系统。（1）高层建筑供水系统智能精细化节水案例（覆盖现行大纲部分内容），针对高层建筑不同供水模式的用水规律和特征、精细节水控制和用水舒适度的需求，以自动控制为基础，通过选择节水控制环节或设施，采用多点压力和流量实时监测、反馈与智能控制，实现管网漏损的控制管理、加压设备的优化。（2）高层消防系统案例（覆盖现行大纲部分内容），通过构建物联网消防水系统，实现系统及设备的水位和水压监控、水泵状态监测、系统流量测试、各种信号反馈联动、系统巡检，实现系统运行状况远程监控、火灾数据实时传送。（3）智慧建水案例（覆盖现行大纲部分内容），通过集成一体化二次给水系统，实现变频控制器智能泵自动启停运行，对给水水量、水质和水压进行智能控制和系统故障等信息查询，实现对系统的数据采集、数据分析、远程控制及高效运行。

5.智慧水环境系统。（1）河流水环境治理-防洪排涝、水资源调度、水生态维护协调案例（覆盖现行大纲部分内容），综合运用物联网、大数据、模型模拟、地理信息系统、3D可视化、虚拟现实技术等构建水环境智慧管理系统，通过信息化技术工程与主体工程的同步建设、同步运行，实现城市河流综合治理与区域防洪排涝、水资源优化调度、水环境监控保护与水生态恢复重建等的优化匹配。（2）河流流域环境综合整治-多功能项目协同案例（覆盖现行大纲部分内容），通过排水管网优化完善、溢流污染调蓄、水质提升回用、河湖滞蓄海绵、河湖绿岸构建、流域管控智慧化等工程，实现河流域的水库、河道、水质提升回用设施、湿地、补水管线的统一管理和调控，实现区域水环境管理水平的全面提升。（3）河流生态治理工程-信息化的应用与协同案例（现行大纲未包括），针对河流水环境治理和生态修复，通过综合运用以物联网、云计算和公共信息平台为代表的技术和手段，实现跨地区、跨部门、跨层级的信息共享，实现城市信息资源的全面感知、全面整合、全面挖掘、全面分析、全面共享和全面协同，实现城市管理和服务水平的全面提升。

6.智慧防洪排涝系统。（1）雨量防洪规划案例（覆盖现行大纲部分内容），基于暴雨资料选样、资料插补延长、面雨量计算、特大暴雨处理以及频率分析、由雨量资料推求设计洪水量以及防洪匹配措施，通过物联网、云计算、移动互联、大数据等技术手段，建设统一管理的城市排水防涝数字信息化管控平台，实现城市排水防涝数字信息化管控、一张图雨洪状态呈现、排水防涝设施的管养、排水防涝智能规划、排水防涝业务审批管理、内涝预警、内涝应急调度等功能。（2）智慧雨情监测案例（现行大纲未包括），通过雨量站点的优化布设，由自动雨量站、数据通信网络、数据中心工作站及其局地计算机网络组成的自动雨量站监测网络，实现对城市雨情的智慧监测、数据处理和反馈。（3）智能城市防汛监测系统案例（现行大纲未包括），基于实时更新的短时气象雷达预报数据，以及湖泊河道、排水管网、闸门、泵站、调蓄池、污水厂、尾水湿地等水利要素的监测数据，实现雨水管网水力状态、地表径流、城市内涝、合流制及分流制溢流、污染物迁移和扩散等实时模拟计算，及时发现并管控风险。

7.智慧水务综合系统。（1）供排水全过程智慧化管理案例（现行大纲未包括），基于集成工艺监控、设备管理、化验管理及能耗管理等生产单位的控制系统，实现水质智慧保障RTB系统全程监控水质安全；利用“互联网+在线监控”技术，建立管网地理信息系统，收集、处理供水的基础设施和供水动态活动的相关信息，并实时传输、控制、生成数据信息。（2）智慧水务一体化平台案例（现行大纲未包括），通过智慧水务一体化平台的构建，在生产管理系统实现水力模拟、能耗管理、SCADA调度，在运维管理系统实现GIS、DMA功能，在经营管理系统实现手机抄表、自助缴费功能，在客户服务体系实现微信公众号、门户网站功能，在综合管理系统实现决策分析、工程智慧管理等功能。（3）智慧水务建设实施案例（现行大纲未包括），基于物联网技术的智慧水务传输网络，通过信息传感设备的立体感知，借助水务云实现对海量信息的汇集、处理、分析、管理和服务，实现数据采集自动化、信息传输网络化、应急管理数字化、信息处理实时化、预报决策智能化。

（二）案例结构形式

各案例结构形式包括案例背景、主题与案例问题、情景与细节描述、评析等。以文字说明、工程图、实景图片及动态视频为主。

1.背景。呈现针对的问题或困扰事件，说明案例发生的特别原因或条件。

2.主题与案例问题。提炼案例的核心理念，从最有收获、最有启发的角度确定主题。呈现围绕主题的各种问题，这些问题能够阐述案例的主题，揭示各种困惑，关联有关理论，启发学生的讨论和反思。

3.情景与细节描述。基于原始材料，环绕主题，筛选、剪裁情节，有针对性地描写特定的内容，明晰关键细节，层层演进，引人入胜。

4.评析。从不同理论视角切入，理论联系实际，诠释案例的意义和价值。

结语

随着科学技术与信息技术的飞速发展，传统的研究生教学模式已不能适应现代人才培养对个性化、创新开拓性的要求。依托案例库辅助教学，不仅可为现行工程教育教学提供丰富生动的教学素材与资源，弥补教育与实践的疏离，而且可作为进行专业研究生教育教学改革的契机，探索、拓展新的教育教学模式，引导学生以需求为导向、以问题解决为导向，在产学研等活动中扮演积极主动的角色，通过相关案例进行自主学习，逐渐培养学生成为创新型、复合型、应用型的高素质人才。