环境系统分析上机实验内容设置探讨

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摘 要：环境系统分析上机实验有助于培养学生建立环境系统模型和应用模型解决实际问题的能力。针对环境系统分析课程内容抽象和应用性强的特点，本文探讨设置实验教学内容时应遵循的原则，介绍适合学生的环境系统分析上机实验项目的构建和实施。教学实践证明，目前的实验教学内容是合理可行的，但仍需在实践中进一步提升和完善。

关键词：环境系统分析；上机实验；实验内容

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2012）11-0001-02

环境科学是依托化学、生物学、水文学、地学、流体力学等传统学科产生和发展起来的一门综合性科学。环境科学的实践性很强，因此，环境科学专业所开设的课程一般都包含相应的实践教学内容。环境系统分析是环境科学的基础学科之一，主要研究环境系统的模型化和最优化[1]。该课程具有较强的理论性，涉及一些抽象的概念和复杂的数学公式，同时也是一门应用性很强的课程，在教学过程中必须十分重视实验教学。本文介绍了笔者在环境系统分析教学实践中设置实验教学内容时应遵循的原则以及上机实验项目的构建和实施办法。

一、 上机实验在理论课学习中的作用

环境系统分析课程综合性很强，涉及数学、物理、化学、生物学、工程等相关领域的背景知识，理论课内容抽象、公式复杂、求解繁琐[2]。如果单纯依靠理论课教学，不通过上机实验来促进学生对环境模型理论、方法和概念的理解，不通过上机操作让学生领会到环境系统分析这门课程的实际应用价值，那么学生只能是在枯燥乏味中死记硬背，势必理解不深。

环境系统分析需要进行大量的数据运算和微分方程、规划模型的求解，这些任务只有借助计算机才能解决。安排一定学时的上机实验，学生可以针对一个具体的问题，自己动手操作，或编程计算，或使用Excel或通用的环境质量模型软件，完成模型的参数估值，给出环境质量预测结果，从而有助于学生将专业知识、数学建模及计算机应用等知识结合起来，激发学生的学习兴趣，提高学生学习的主动性和积极性。因此，上机实验是实现环境系统分析课程教学目标的重要环节。

二、上机实验课的历史沿革

华中农业大学从2004年开始开设环境系统分析课程，没有安排上机实验。理论课结束后，学生反映课程晦涩难懂，收获有限。在2005年的教学实践中，我们尝试增加10学时的上机实验，但由于初次开设，实验安排在很大程度上借鉴了其他学校的实验内容及其素材[3]，以Excel应用为主，同时要求学生编程解决一些课内外习题。由于大部分学生对计算机编程不熟悉，上机实验趣味性不足。此外，上机实验解决的是单纯的计算问题，是书本上公式的简单套用，在一定程度上与实际问题脱节，学生对课程的实用性认识不足。随着环境模拟方面科研活动的开展，围绕环境模型的应用，近3年我们收集了一些模拟案例和实验素材，通过合理选择和整合优化，构建了目前正在实施的实验项目。

三、实验内容设置

实验课教学内容是保证课程教学质量和教学效果的要素之一。在近几年环境系统分析课程的探索和教学实践中，我们重点对实验教学内容进行改革，并结合学科发展和教学需要适时更新实验素材。

（一）实验内容设置的原则

根据环境系统分析课程实践性和应用性强，但涉及的理论较为抽象，解决问题的公式复杂，需要进行大量的数据运算和微分方程、规划模型的求解。为此，我们明确设置实验教学内容时应遵循的如下原则。

1.目的性。课程教学服务于专业人才培养目标，实验教学和理论教学内容则应满足课程教学目的和要求，实验教学是实现课程教学目标的重要环节。环境系统分析不是数学课，不是统计课，也不是计算机编程课，上机实验不应过分强调数学算法及计算机编程，其目的在于将专业知识、环境数学模型和计算机应用有机结合，培养学生运用专业知识建立环境数学模型，并上机完成模型计算。实验重点在于让学生通过练习，切实领会数学建模及计算机在环境系统分析中的作用，让学生明白环境系统模型能解决什么样的实际问题。

2.实用性。实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节。因此，在设计实验内容时，一方面要体现理论课知识在实践中的指导作用，又要兼顾对学生实践能力的培养。针对学生渴求将理论知识转化为解决实际问题能力的特点，环境系统分析课程要体现其实用性的一面，设置与实际联系紧密的实验项目，充分调动学生的学习积极性。

3.可操作性和层次性。环境系统分析课程的学习需要学生具备数学、化学、生物学、流体力学等相关领域的背景知识，而部分学生没有选修环境流体力学、空气污染气象学等相关基础课程。环境系统分析课程实验内容的安排须考虑学生的知识储备和接受能力，实验应具可操作性。若上机实验过多的涉及理论基础知识，一方面会与理论课重复，另一方面学生又会产生畏难情绪，实验教学难以达到目的。从可操作性出发，实验内容的安排应难易适中，并具有一定的层次性。比如，最简单的是要求学生利用Excel工具做回归分析而获取线性模型中的参数，稍复杂一点的要求学生通过规划模型对S-P模型中的降解速率系数和复氧速率系数进行率定。通过这些简单的练习，让学生深入认识和掌握基础理论；在此基础上，通过安排一些成熟模型的练习，初步锻炼学生解决实际问题的能力。

（二）实验内容

根据上述原则，在教学过程中，我们设计了以下3个部分的实验。

1.Excel在简单数学建模和规划求解中的应用。本实验目的在于让学生了解Excel在规划求解、数学分析上的实际功能，通过对Excel的练习，理解灰色模型是如何建立，其中的参数是如何率定的，加深对优化模型的功能及其建立、求解方法的理解，让学生逐步形成对数据进行处理及分析的能力。参考有关教材[3-4]中的例题和习题，安排简单线性回归、多元回归建模的实验内容；结合S-P水质模型的学习，让学生利用Excel工具依据实验观测数据来确定模型中的相关参数；最后，要求学生能利用规划求解工具库完成污水处理场的选址等优化问题。

2.河流水质模型练习。为体现该课程的实用性，结合2003年国家开展的水环境容量核算工作，将河流水环境容量分析系统的应用作为一项实验内容[5]。要求学生利用河流水环境容量分析系统考察污染源的位置、污水排放量、排放浓度、河水流量等因素对河流水环境质量的影响，理解水质模型在环境规划、环境影响评价及污染控制方案效果评估等方面的强大功能。此外，给学生介绍原理与河流水环境系统分析系统相同，图形用户界面采用Excel实现，但功能更为强大、应用更为广泛的一维河流水质模型-QUAL2K[6]。由于QUAL2K模型是英文版本，模拟参数众多，在有限的学时内学生不可能完全理解和掌握，因此，由指导教师作简单的模型介绍后，学生按指导练习模型的运行，让学生领会模型强大的实际功能，为其提供必要的知识储备。

3.大气扩散模型练习。在大气环境质量模型的应用这一环节，我们以周边烟囱为例，使用工业复合源短期浓度计算模型ISCST3模拟烟气排放对校园周围环境的影响[7]。在理论课介绍原理的基础上，实验课让学生熟悉该模型的运行和对运行结果进行分析。模型需要准备的数据包括污染源数据、气象数据、受体点位置及地形数据，所有这些数据按照一定的格式存放在专门的输入文件里，模型运行时自动调用输入文件，完成计算，然后给出污染物浓度的空间分布。鉴于本科生的实际水平及授课学时，遵循可操作性原则，气象数据的前处理等由指导教师事先完成，对学生不作要求。

四、结语

经过三年来的教学实践及改进，大部分学生对环境系统分析上机实验内容十分感兴趣，参与实验的积极性也很高。毕业论文选题时有学生主动要求教师安排相关课题，有些学生针对大气环境质量模拟中模型对气象数据的要求，独立开发出气象数据处理的小型软件。

当然，实验教学中也存在一些问题。如学生的计算机知识基础参差不齐，实验安排的内容有些同学很快就可以完成，而部分同学在规定的时间内无法完成。对此，我们在实验内容的安排上更灵活一些，由必做题和选做题来构成整个实验项目。总之，从学生的反馈来看，经过改进后的实验教学内容是合理可行的。在今后的教学实践中，仍需要不断收集素材，吸收他校经验，进一步提升和完善环境系统分析课程的实验教学环节。

参考文献：

[1]程声通.环境系统分析教程[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]朱小娟.环境系统分析课程教学改革探讨[J].中国科教创新导刊，2008，（30）.

[3]蔡建安，张文艺.环境质量评价与系统分析[M].合肥：合肥工业大学出版社，2003.

[4][美]Haith D.A.袁铭道，季民译.环境系统最优化[M].北京：中国环境科学出版社，1987.

[5]中国环境规划院.全国水环境容量核定技术指南[R].2003.

[6]Chapra S.C.and Pelletier G.J.QUAL2K：A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality：Documentation and Users Manual.2003.

[7]U.S.Environmental Protection Agency.User’s Guide for the Industrial Source Complex（ISC3）Dispersion Models，Volumes 1.EPA Publication Nos.EPA-454/B-95-003a.1995.