基于SPH建模仿真技术的“城市供排水工程”课程教学改革.pdf

基于 SPH 建模仿真技术的“城市供排水工程”课程教学改革闫晓惠，尚孜涵，刘建卫，陈小强（大连理工大学，辽宁 大连，116000）2022 年是我国教育数字化转型的关键时期。同年1 月，教育部在全国教育工作会议中提出“实施教育数字化战略行动”，这一工作成为教育部本年度工作重点。同年 3 月，“发展在线教育”被写入 政府工作报告，指出要加快教育数字化转型，同期，教育部举行国家智慧教育平台启动仪式。同年 8 月，“2022 全球智慧教育大会”在北京开幕，会议从科技赋能教育方向探讨智能发展与教育的深度融合。同年 10 月，党的二十大提出“推进教育数字化”，加大教育新型基础建设，不断深化教育服务平台，改革教育教学模式。同年11 月，中国教育电视台推出 智慧教育大讲堂，展现优秀教育案例，探索教育现代化和智慧教育发展新途径。同年 12 月，联合国教科文组织举办的 2022 国际人工智能与教育会议开幕，旨在引领教育智能升级。教育数字化是数字中国战略不可或缺的重要组成部分，“构建数据教育模式”“积极建设智慧教育平台”“发展在线教育”“深入推动 互联网+教育”等已成为当今教育发展的重要内容，也是全面推进数字化教育发展的重大改革措施1-3。“城市供排水工程”是高校工科学生学习、掌握以城市为中心的原水供应和废水排放工程的专业课，旨在让学生重点掌握该类工程的规划、设计、施工方法。该课程集理论教学与实践培养为一体，在教学内容上着重讲解基础理论知识和基本设计方法；在实践培养方面着重于实际工程问题的分析和基本设计技能的训练。“城市供排水工程”课程为 32 课时，其教材是大连理工大学（以下简称“我校”）校内讲义。该课程要求学生通过学习城市供排水规划设计施工方法，形成城市水源工程基本设计能力与实际工程问题处理能力。在教育数字化背景下,高校要将专业课程教学与数字化手段紧密结合，形成教育发展新局面。基于此，针对实际教学中存在的问题，我校水利专业在数字化教育建设要求指导下，以学生为中心，以“城市供排水工程”课程为抓手，对课程教学方式进行创新改革，结合教学目的在课程中引入 SPH 建模仿真技术，对课程基础知识与工程实例进行建模和仿真分析。将数字化技术融入教学实践，对水利专业教学与课程数字化建设具有重要意义。一、“城市供排水工程”课程教学存在的问题（一）教学内容理论性强，较为抽象“城市供排水工程”是我校水利专业学生学习、掌握以城市为中心的原水供应和废水排放工程的专业课，其要求与基础课有所不同。在教学内容上，涉及专业知识与实际工程设备的内容较多，如工艺介绍、设备构造、管路布置、水动力演变、流域水文模型等，且这些内容理论性强，较为抽象。目前，该课程仍侧重于传统的理论教学，教师简单直观的概念讲解和公式推导，使得学生无法充分了解给排水管道的具体构造及施工过程，不利于学生理解和建立相关的知识体系。（二）教学形式单一，学生基础不牢固该课程涉及的内容较多，工艺流程复杂。教师授课大多采用面对面教学，辅以多媒体视频，这种单调的教学模式不仅容易打消学生学习的积极性，也容易使学生形成固化思维，不利于学生自主学习能力与创新能力的培养。另外，“城市供排水工程”属于水利专业的专业课程，需要一定的学科基础支撑，应在学完“工程水文学”“水工建筑学”“土木水利工程概论”等基础课后再进行学习，因此学生对基本课程的知识掌DOI：10.16681/ki.wcqe.202319035作者简介：闫晓惠（1989），男，副教授，博士，硕士研究生导师。研究方向：数字流域智能模拟的基础与应用。注：本文系中央高校基本科研业务费资助 编号：DUT20RC（3）096。摘要：文章首先分析了“城市供排水工程”课程教学存在的问题，然后论述了基于 SPH 建模仿真技术的“城市供排水工程”课程教学改革，最后阐述了基于 SPH 建模仿真技术的“城市供排水工程”课程教学改革成效。关键词：SPH 建模仿真技术；“城市供排水工程”课程教学；教育数字化中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：2095-6401(2023)19-0144-04西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期握程度也对该课程学习有很大影响，即学生若是基础不牢固，容易在课上难以掌握课程知识4-5，造成“知识断节”与“概念不清”等情况的发生。（三）教学实践受限，理论与实践脱节该课程集理论和实践内容为一体，但是出于现场安全考虑，线下实践受限，学生只能通过视频的方式观看管道技术与施工过程。在课堂教学后，教师若没有进行实践操作，帮助学生加强理论知识理解，则会导致学生理论与实践相脱节，不利于培养学生的综合素质。另外，借助多媒体技术虽然能展示实际施工工程，但具体的工艺构造和细节往往难以清楚地展现。对此，该问题适合用符合教育数字化发展战略要求的数字化建模与仿真技术解决。二、基于建模仿真技术的“城市供排水工程”课程教学改革（一）SPH 建模仿真技术概述数字化建模与仿真手段是基于计算机技术发展而来的。随着近年来计算机技术的快速发展，数字化建模与仿真技术不断革新，并逐步应用于多学科课程建设。通过进行数字化建模，构建一个虚拟的实验设备、实验平台或实训场景，可以轻松实现情景设计与实验模拟。例如，将三维实体建模技术用于机械制造专业零件装配模拟与加工过程震动模拟等6；将 RFPA 数值计算软件用于岩土工程专业破坏模拟，呈现岩体仿真模型在力学边界条件下的破坏过程7；借助 CFD 技术模拟流场细节，并将其用于工程流体力学课程教学设计和优化等8。光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydro原dynamics，SPH）是数字化建模与仿真手段在流体力学中的应用，是实现流体仿真模拟的主要技术之一9-12。该方法的基本思想是将计算域内流体离散成若干个粒子，并赋予每个粒子物理变量，如位置、密度、质量、速度等。通过数字化建模对所要研究的流体进行数值模拟，如此便能够获取流体运动过程中各个变量的时间历程与状态参数，然后借助可视化处理，对碰撞过程进行动画模拟，从而获得整个模拟流程中流体粒子的受力分析、运动状态、粒子速度和位置等。目前，已经有高校在课堂教学中引入数字化建模与仿真技术，以实现对流体动力学理论知识的验证和实际工程的模拟，但是 SPH 建模仿真技术在水利专业课程的应用很少。该课程通过在教学过程中引入 SPH建模仿真技术，一方面，可使学生理论知识与工程实际紧密结合；另一方面，能巩固课程理论概念，如拉格朗日与欧拉公式、迹线与流线、层流与湍流、水力坡降与流量等。在教学过程中，教师通过 SPH 建模仿真技术分析工程实际遇到的问题，可充分激发学生学习积极性，使学生掌握初级 SPH 数值建模与仿真分析方法，为学生自主处理工程实际问题提供技术手段。（二）教学改革实践以“城市供排水工程”课程为研究对象，引入数字化建模与仿真技术进行教学改革，结合该课程的课程特点（既有较强的理论性又与工程实践紧密联系），在理论与实践基础上增加 SPH 模拟，可形成如图 1 所示的“理论+实践+仿真”结合式教学方法。根据侧重点不同，可将教学模型分为两类。理论教学方面，将理论知识与数值仿真相结合，形成“基本理论模型”；实践教学方面，将工程实例与数值仿真相结合，形成“三维SPH 仿真模型”。图 1“理论+实践+仿真”结合式教学方法1.理论教学改革。理论教学阶段是学习与认识环节。由于“城市供排水工程”课程教学存在教学内容抽象、理论性强且教学形式单一、学生基础不牢固的问题，因此为了提高课堂教学的有效性，对理论教学内容与形式进行行之有效的改革尤为重要。本次课程教学改革中，教师从学生已知的相关内容出发，设计导入连贯的教学内容，引入 SPH 数字化建模与仿真手段作为辅助教学的工具，借助图 1 中的“基本理论模型”将抽象的内容直观化、形象化。另外，设置切实可行的学习活动和任务供学生参与，在教学过程中开展课堂讨论环节，引导学生参与以重要概念为线索的深入讨论分析活动。基于以上理论教学改革的策略，打破了“以教师为主体”的教学传统，克服了课程在以往教学中存在的问题，将抽象内容化繁为简，并且积极与学生西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期互动，提升了学生学习的兴趣和主动探究的积极性。例如，在教学“城市供水、调水、排水工程”的内容时，教师引入 SPH 建模理论与相关技术，结合理论知识进行 SPH 建模，借助“基本理论模型”讲授工程应用设备、工艺构造、工作过程及设计要点，帮助学生分析理解抽象的理论知识。以城市供水工程中地下水含水层分类为例，如图 2 所示，含水层按照埋藏条件分为隔水层、承压含水层、非承压含水层、滞水含水层；根据地下水位与位置不同，可以将井分为自喷井、自流井、地下水位井、上层滞水面井等。这些概念名称相似，含义却有细微差别且容易混杂，对此，建立如图 2所示的“含水层分类”基本理论模型，可帮助学生借助模型化记忆的方式，区分、理解并加深记忆。本次理论教学改革有利于学生了解城市水源工程规划布置，为其进一步学习地下水、地表水取水、净水工程体系奠定基础。图 2 含水层分类2.实践教学改革。实践教学阶段是增强实践能力环节。由于课程实践教学受限，易造成理论与实践脱节的问题，因此本次实践教学改革引入 SPH 建模仿真技术作为主要实践教学手段，精心组织、设计、调研与教学内容紧密结合的工程案例，将工程实例与数值仿真结合，形成“三维 SPH 仿真模型”。同时，设置针对性的课后作业，鼓励学生借助 SPH 建模仿真技术动手实践并积极参与教学活动，指导学生积极参加相关专业建模大赛。基于以上实践教学改革的策略，学生能够亲身感受到日常理论知识与实际工程实践的紧密联系，克服理论与实践脱节的问题，从而提升学习积极性。在具体教学中，教师可选取与课程联系紧密的工程案例，以城市洪水排放、污水处理设计为例，结合SPH 建模仿真技术，建立“洪水演进”“管道内部流场、水温、及污染物输移”等三维 SPH 仿真模型，展现复杂的给排水处理过程。例如，研究洪水演进过程时，教师可以 2022 年 7月辽河洪水事件为例，在课堂上播放洪水出流与泄洪视频，使学生初步了解洪水演进流程，并提前对洪水演进过程进行模型简化，建立洪水演进三维 SPH 仿真模型，如图 3 所示。图示洪水流出后，缺口处的水流速迅速增加，并向缺口的下游及两侧扩散。随着时间的推移，扩散到下游的水继续向下游流去，而扩散到两侧的水撞击侧壁，然后再向下游方向流去。通过 SPH仿真模拟，将水流进行粒子化，箭头能显示水流流动方向，可以看出水流的运动形态，基于此，更改初始设定如水流速度可以分析具体某一参数对水流运动过程的影响。学生在此过程中可以清晰地观察出流过程水流流出形态、流速大小、水流形态变化及水流运动过程，这些都是在传统“城市供排水工程”课程中难以实现并观测的。图 3 洪水演进三维 SPH 模拟又如，讲解地下污水处理时，教师可使用 SPH 建模方法构建下水管道内部流场、水温及污染物输移仿真模型，将流体分散为大量具有自身速度、加速度的粒子，设置模拟范围、管道内温度、边界条件及其粒子状态参数。在设置时应将不同的污水分不同管口输入，对污染物运移进行模拟。用不同的颜色表示温度不同的污水入流，如此可以清晰看出混合段管道中污染物扩散、混合及输移过程。将三维 SPH 仿真模型作为实践教学手段，可以克服理论抽象和无法实践给课程教学带来的难题。承压含水层隔水层西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期另外，在实践教学实施中，教师要积极鼓励学生自主使用 SPH 建模仿真平台，学习专业知识及相关软件，在完成课程学习后，通过调查所在城市的供排水问题，如城市供排水工程现状，城市水利发展方向，城市供排水、防洪问题，同时借助 SPH 建模知识，结合实际情况进行分析，形成一篇结业报告。在完成课程教学后，教师要指导学生参与建模大赛，如大学生结构设计大赛、建筑信息模型大赛、三维数字化创新设计大赛等。SPH 建模仿真技术能在一定程度上帮助学生克服对工程项目实践环节的模糊认识问题，并有效弥补传统模拟过程相对简单，无法详细展示实际状况的缺陷，可实现对实际工程项目的精细模拟，极大地提高了学生的工程应用能力。三、基于建模仿真技术的“城市供排水工程”课程教学改革成效第一，SPH 建模仿真技术解决了“城市供排水工程”课程内容抽象、形式单一的问题。基于该课程教学过程中课程内容抽象与教学形式单一的问题，我校进行了理论教学改革。教学形式上，布置预习任务，鼓励学生积极讨论；教学内容上，引入 SPH 建模仿真技术，建立“基本理论模型”。经过一学期的教学改革和实践，学生反映在课堂上引入 SPH 建模仿真技术，加深了对知识的理解，使抽象理论变得简单有趣；方便自主讨论，课堂积极性和学习效率显著提高。同时从考核成绩来看，期末考核成绩优良率显著提高，均分在85 分以上，达到学校优秀水平，学生对课程及仿真模拟教学手段都给予了高度认同。第二，SPH 建模仿真技术解决了实践受限的问题，提高了学生认识和解决供排水工程问题的能力。基于该课程实践受限的问题，我校以 SPH 建模仿真为主要实践手段，进行了实践教学改革。具体措施是将 SPH建模仿真技术与实际案例相结合，这有利于学生实现理论知识与生活实际的融合，培养学生从工程角度思考问题的能力，为后续专业课程设计及毕业设计奠定了一定基础。同时，课程将结业报告纳入成绩考核范围，从结业报告情况来看，基于 SPH建模仿真的教学改革得到较好的效果，学生工程问题分析能力比往届学生有明显提高。第三，SPH 建模仿真技术培养了学生的科研兴趣，提高了学生的科研素质。在教学改革中，教师积极鼓励学生自主使用 SPH 建模仿真技术，基于基础知识对实际问题进行建模分析，从而提高了学生的科研兴趣。另外，教师指导学生积极参加相关专业技能大赛，如大学生结构设计大赛、建筑信息模型大赛、三维数字化创新设计大赛等。学生参与率比往届有所提高，并获得若干市级、国家级奖项，科研兴趣与科研素质显著提升，这为其科研道路发展奠定了良好的基础。四、结语顺应教育部提出“实施国家教育数字化战略行动”，本文基于 SPH 建模仿真技术对“城市供排水工程”课程教学进行改革，分析了“城市供排水工程”课程教学中存在的主要问题，重点提出了“理论+实践+仿真”结合式教学方式。在理论教学与实践教学两方面进行改革，在理论教学中引入 SPH 建模仿真技术，以含水层分类为例建立基本理论模型，实践教学中以洪水演进、管道内部流场、水温及污染物输移仿真为例建立三维仿真模型，并指导学生参与相关建模大赛。结果表明，SPH 建模仿真技术缓解了专业课程教学难度大的问题，提高了学生认识和解决工程问题的能力，培养了学生科研兴趣与科研素质。数字化建模与虚拟仿真技术在解决“城市供排水工程”等专业基础课程的教学问题方面具有明显优势，是发展数据化教育、智能化教育的基础技术。目前，该课程教学改革已取得较为理想的成效，但仍需进一步改革。参考文献：1 雷朝滋.抓住数字转型机遇构建智慧教育新生态J.中国远程教育,2022(11):1-5,74.2 杨宗凯.建设国家智慧教育平台 推动高等教育高质量发展J.中国教育信息化,2022,28(4):3.3 李爽.2020 年全球智慧教育大会模拟同声传译实践报告D.昆明:云南师范大学,2022.4 孙晓旭,徐进.基于应用型人才培养理念城市给排水管网工程教学改革探究J.山东化工,2019,48(20):195-196.5 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