水文学水资源专业生运筹学教学

摘 要：运筹学是水文学及水资源专业研究生的一门重要基础课程.针对目前运筹学教学中存在的教学内容不科学、实践教学不足、教学方法不合理等问题,提出在水文学及水资源专业研究生运筹学教学中,应扩展运筹学教学内容尤其是现代优化理论与算法的教学,加强学科应用实例教学和软件教学.通过这些教学改革,获得了良好的教学效果.

关 键 词：水文学及水资源专业；运筹学；教学内容与方法

中图分类号：G643；O22文献标志码：A文章编号：10052909（2012）06009303提高研究生教育质量一直是高校研究生教育工作的重中之重,如何培养高层次、高质量的研究生对中国科技发展、社会进步至关重要［1-2］.运筹学是水文学及水资源专业研究生的一门重要基础课程,加强其教学内容和教学方法的改革,“量身,因材施教”,对提高学生质量有着至关重要的作用.

一、运筹学教学中存在的问题

运筹学作为一门管理数学,已经广泛应用到国民经济建设的多种行业中.水文学及水资源专业与运筹学结合紧密,如水资源配置时需要线性规划、目标规划、动态规划等方面的知识［3］；地下水数值模拟参数选取时经常需要应用诸如遗传算法等现代优化理论［4］,分布式水文模型参数率定时需要现代优化算法［5］；流域区域水资源管理中经常应用多目标规划、线性规划等理论；水库优化运行、地下水水源地优化运行经常用到多目标规划、动态规划、先行规划等方面的理论［6］.在研究生运筹学教学中,中国大多高校目前存在的问题主要集中在教学内容不科学、实践教学不足、教学方法不合理等方面［7-11］.

(一)教学内容不科学

随着现代优化理论与算法的发展,运筹学的内容不断增加,但由于教学课时有限,不可能涵盖运筹学的所有内容,需要根据专业要求合理地选择教学内容才能满足教学需要.首先,当前中国高校运筹学教学中,教学内容的选择带有一定的随意性,存在着因教师的专业背景不同而教学内容不同现象；其次,教学内容偏重理论知识与公式推导,轻视或忽略实际应用与能力培养,学生缺乏解决实际问题的能力.（二）实践教学不足

中国高校研究生在实践（实验）教学中,往往是教师先设置好上机实验内容,再让学生具体操作,这种方法导致学生缺乏实践想法,难以达到实践教学的目的.缺乏实例（文献）教学和文献阅读特别是英文文献阅读能力的培养是导致学生实践教学不足的另一原因.运筹学软件教学内容少且单一,学生不知道怎样根据自己的特点和爱好使用相关软件,诸如Excel、Matlab、DPS统计软件［12］、Lingo、Lindo、WinQSB［13］等.

(三)教学方法不合理

不少高校在运筹学教学中还存在着“填鸭式”“灌输式”教学,在实际教学中没有发挥学生能动性,无法进行启发式教学.另外,板书教学存在信息量少、课堂效率低等缺点；多媒体教学在理论推导的时候会引起学生思路跟不上或注意力分散等缺点；需要进行多媒体加板书式教学,增加文献讨论课,促进教师与学生互动、学生与学生互动,以提高教学质量.

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

平建华,等水文学及水资源专业研究生运筹学教学探索

二、教学内容改革

加强现代数学及现论优化算法诸如遗传算法、神经网络、模拟退火、禁忌搜索等算法和耗散论、博弈论的介绍与应用,以提高学生在今后科研和工作中应用现代优化理论与方法的能力,提高学生科研创新能力,拓宽学生知识面.

三、实例教学

在阐述运筹学教学内容时,结合具体的水文水资源学科实例,既重视基本概念和原理的讲述,又注重水文水资源学科的应用.实例教学有助于激发学习兴趣,提高其自学能力,有利于今后毕业设计选题的确立.

线性规划法在求解水文地质参数［14］、水库优化调度［15］、水资源配置［16］、水源地优化运行［17］等方面都有广泛应用.目标规划在水资源配置［18］、水库调度［19］、地下水资源管理［20］方面应用较多.动态规划在水库水电站优化调度［21］、水资源优化配置［22］、水资源系统优化运行［23］、水质-水量联合调度［24］、污水处理［25］等方面有很多运用.现代数学优化算法也有大量的应用实例,如神经网络应用于水环境质量评价、水资源系统优化计算、水电站优化运行、水文预报等方面,遗传算法应用于参数优化、水资源系统优化决策、水资源系统评价等方面.

在讲述耗散论、突变论、协同论、博弈论时,结合应用实例介绍其在水文学及水资源学科中的应用.

四、运筹学软件教学

Excel（或其他背景下）的spreadsheet将所要解决的实际问题进行概念描述、数据处理、建立并求解模型,使运筹学的理论与方法变得易于理解和使用,推动了运筹学方法在科研和生产中的应用［26］.吴忠、江滨［27］　应用基于Excel的spreadsheet举例求解了线性规划、目标规划和非线性规划；郑蕉、涂传清［28］应用Excel解决了多目标规划问题并进行了灵敏度分析；海心［29］应用Excel求解了动态规划问题；晶晶［30］应用Excel中的随机函数模拟了多服务台单对列排队系统,提供了Excel解决排队论的实例；付木亮、余小飞［31］应用Excel结论了网络最短路问题的求解；Excel在决策分析、存储论、随机模拟等方面也有大量的应用［32］.在教学中,介绍了各种基本规划的原理后,实验课运用Excel实例教学,使学生加深了对基本原理的理解,并掌握应用软件求解优化问题的方法.

Matlab（Matrix　Laboratory）是矩阵实验室简称,它是由美国MathWorks　公司研制开发的一套高性能的集数值计算、算法开发、数据分析、信息处理、图形显示等于一体的可视化数学工具软件,目前已有8.0版本.相对于C或Fortran等语言,Matlab的基本数据单位是矩阵,它的表达式与数学和工程中常用的形式十分相似,应用十分方便.Matlab中包含多个功能强大的“工具箱”,如主工具箱（Matlab　main　toolbox）、控制系统工具箱（control　system　toolbox）、优化工具箱（optimization　toolbox）、神经网络工具箱（neural　work　toolbox）、小波工具箱（wele　toolbox）等,这些工具箱在解决线性规划、目标规划、动态规划等方面都有广泛的应用［33-34］,在应用神经网络、遗传算法、模拟退火、蚁群算法等现代算法中也有大量的应用.教学过程中,结合Matlab在优化管理方面的应用,使学生迅速掌握Matlab求解优化问题的技术,提供学生解决实际问题的能力.另外,国内自主开发的DPS统计软件、Lingo、Lindo、WinQSB都可以作为运筹学教学软件使用.

五、结语

通过以上教学内容与方法上的改革,学生既加深了对运筹学理论的理解又掌握了运筹学在水文水资源学科中的应用,熟悉了一些运筹学专业软件的应用.总之,在水文学及水资源专业研究生运筹学教学中,教师要不断地探索新的理论知识和技术方法,推动教学改革,加强与学生的互动,调动他们的积极性,挖掘他们的潜力,提高教学质量,培养优秀专业技术与管理人才.

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编辑詹燕平