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摘要：文章从秉持面向产出和持续改进理念 、充分利用基于 JupyterHub 的水库数据和优化调度平台 、 培养学生解决复杂工程问题的能力、重视课程思政建设四 个方面论述了工程认证背景下“水库调度”课 程教学改革策略 。
关键词：水库调度,课程教学,工程认证,课程思政
工程教育专业认证(以下简称“工程认证”)是实 现工程教育国际互认的重要途径，即通过认证协会认 证的工科专业毕业生，其学位可以得到《华盛顿协议》 其他成员组织的认可[1]。在工程认证的背景下，我国高 校必须坚持以学生为中心和产出导向的理念，据此开 展人才培养工作[2]。课程是人才培养的核心要素，教学 改革改到深处就是课程。在水电特色学科专业中广泛 开设的“水库调度”课程主要讲授水电站水库的调度 、 运行和管理等内容，具有很强的应用性和复杂性 。 同 时，在“双碳”目标的宏观政策指导下，水电机组启停 灵活、调峰能力强，对构建以新能源为主体的新型电 力系统具有重要意义，由此“水库调度”课程的重要性 进一步突显。
为加深学生对“水库调度”课程知识的理解，武汉 大学、华北电力大学等高校教师在该课程教学中改革 传统教学方式[3]、强化实践环节[4] 。武汉大学的艾学山 等[5]针对“水库调度”课程开发了水库常规调度教学演 示软件、水电站水库中长期优化调度教学演示软件[6]。 华北电力大学以“大电力”学科为依托，对水文与水资 源工程专业体系[7]和“水库调度”课程实践教学创新体 系[8]做出了系统阐述。另外，面向产出(OBE) 的教学模 式[9]、团队学习模式[10]、多元化教学方法[11]也在“水库调 度”课程的一线教学实践中得到了运用 。这些措施有 助于高校提高教学质量，但是在对工程教育理念的落 实和解决复杂工程问题能力的培养方面仍然存在不 足，如实践环节未能充分做到以学生为中心，且水库 常规调度教学演示软件主要用于演示调度结果，学 生不能自主编写调度模型; 实践教学创新体系缺乏 具体实践平台的支撑 。此外，课程思政理念日渐深入 人心[12]，得到了高等院校的高度重视，但是关于“水库调度”课程的思政建设尚未见报道。
本文针对“水库调度”课程教学，以工程认证为背 景，通过教学探索与实践，提出了以下课程教学改革策 略：秉持面向产出和持续改进理念，建立课程教学的科 学评价体系和持续改进措施;充分利用基于 Jupyter- Hub 的水库数据和优化调度平台，提升学生的实践能 力;在教学中结合工程案例和复杂工程问题，将教学 过程与工程实践紧密结合， 培养学生分析和解决复杂 工程问题的能力;重视课程思政建设，在课程教学中有 机融入思政元素，落实立德树人根本任务。笔者通过教 学实践发现， 这些改革策略可以提高课程教学质量和 专业人才培养水平， 更好地适应现代高等教育教学模 式，培养出更多社会需要的专业应用型人才，进而为国 家经济社会发展和工业现代化建设做出更大贡献。
一、秉持面向产出和持续改进理念
面向产出是指教学设计和教学实施的目标是学 生所取得的学习成果 。OBE 教学模式以学习知识、培 养能力及提高素质为教学目标，实现了从知识课堂向 能力课堂的转变。“水库调度”课程支撑的毕业要求指 标包括工程知识、设计/开发解决方案、使用现代工具、 项目管理，相应的教学目标分别如下：①学习水库调 度的基本理论和方法，了解水库调度在水库运行和管 理中的地位与作用，以及其对水资源分配和利用的意 义;②能够将水资源系统分析和运筹学的基本原理和 方法运用到水库优化调度的建模和求解中，掌握水库 调度计算及成果表述与分析，并能够在水库调度模型 和决策中考虑社会、安全、生态等问题;③能够使用建 模语言和编程工具实现水库调度模型;④掌握水库防 洪、发电及综合利用调度相关的调度图、规程、模型和 计算方法，能够分析防洪、发电及综合利用等在不同情景下的主次和优先关系 。基于此，教师应秉持面向 产出和持续改进的工程教育理念，建立“水库调度”课 程的科学评价体系和持续改进措施。
为有效评价学生对知识的掌握程度和能力素质目标达成情况， 需要结合学生的基础理论掌握情况、 学习能力，以及学习方法运用等多方面内容进行综合 考核 。本课程的评价方式包括理论和实践两部分，其 中理论部分包括课堂表现、平时作业、期末考试，实践 部分包括水库平台数据查询与运行合理性评估报告、 水库优化调度建模和求解分析 。另外，教师要依据学 生在各个环节中的表现、计算结果的合理性、提交报 告的质量给出各环节的成绩 。课程考查结束后，教师 应计算和评估课程教学目标和毕业要求的达成情况， 并针对课程进行全面的教学总结，提出改进措施 。本 课程的持续改进措施主要包括以下四点：①通过实际 操作为学生演示并解释教材中的重要原理、算法及步 骤，以培养和提高学生解决实际问题的能力;②开发 编写更多的优化调度模型， 以便于学生进行学习，培 养学生的创新意识和创新能力;③通过专业软件应用 等课程提高学生的编程和计算机应用能力;④设计开 放性团队协作课题，增加实践环节的考核比重。
二、充分利用基于 JupyterHub 的水库数据和优化调 度平台
笔者所在的“水库调度”课程教学团队已收集和 积累了江西省 30 个重点水库近年来的运行数据，将 水库运行数据整理为统一 的格式并使用 SQLite 数据 库存储，该数据为本课程教学提供了有力支持 。通过 查询和展示水库的历史运行水位、入库和出库流量 等，学生可了解真实的水库运行情况，并能够分析和 评价水库现行运行方式的合理性和不足之处。
“水库调度”课程具有很强的应用性和复杂性， 而理论课程往往只能讲授原理和简单算例， 实际的 水利水电工程优化调度问题则需要通过编程和建模 来解决 。而现有线上教学平台的功能一般仅限于视 频、作业等教学资源的发布和管理，无法满足本课程 实践教学的要求。
对此，JupyterHub 可以在云或服务器的硬件上运 行，使用户可以访问预配置的计算环境和资源，而不 会给用户增加安装和维护任务的负担;同时用户可以 在共享资源上自己的工作区中完成工作，且这些资源 可以由系统管理员进行有效管理。
因此， 为避免烦琐的软件安装和计算环境配置，提高课堂效率和教学质量， 教学团队基于 JupyterHub 建设了水库数据和优化调度平台，如图 1 所示 。该平 台为“水库调度”课程教学提供了一个统一、便捷的在 线查询数据和编写水库优化调度模型的环境，学生只 需打开浏览器即可专注于水库优化调度的建模和求 解学习。该平台有助于提高课程教学质量和专业培养 水平， 能更好地适应现代高等教育信息化教学模式， 并与现今工程认证的大背景相融合，进而能有效提高 学生解决复杂工程问题的能力。
基于 JupyterHub 的水库调度平台系统组成如下。 ①服务器运行 Ubuntu 操作系统， 安装 JupyterHub 服 务。②水库基础数据，包括特征水位、水位-库容曲线、 尾水位曲线、泄流能力曲线、入库流量过程、负荷、装 机容量组成、出力限制、耗水率曲线等。③数据读写与 处理模块 Numpy 。④Python 优化建模对象Pyomo 。 目 标函数是发电、防洪效益最大，约束条件包括水库特 性约束和水电站特性约束，其中水库特性约束包括水 量平衡、库容曲线、水位/蓄水量限制、泄流能力等，水 电站特性约束包括水头、出力限制、耗流量特性等;水 库优化调度模型使用 Pyomo 具体模型(ConcreteMod- el) 表达，其中约束条件使用Pyomo 建模对象中的规则 进行表达。⑤数学规划解算器模块。集成Ipopt、Bonmin 和 Couenne 等数学规划解算器， 并对其目录设置环境 变量， 以便于直接调用调度模型; 此外还可以调用 NEOS 在线解算器。⑥可视化模块 Matplotlib，即使用绘图命令生成水库调度计算成果图，输出到用户端。
用户可使用浏览器访问该平台， 终端操作系统不 限，可同时支持电脑和移动端(平板、智能手机) 。系统 管理员为任课教师， 用户则是学生。学生可以在线编 写、修改水库优化调度模型，服务器端则处理模型并计 算，用户端可实时显示计算过程和结果。学生可在线查 询水库运行数据，编写和计算水库优化调度模型，具体 操作步骤如下：①通过学号登入;②打开或新建 Note- book;③导入水库数据;④定义决策变量;⑤按规则表 达目标函数;⑥按规则表达约束条件;⑦优化求解; ⑧获取决策变量的值;⑨绘图展示优化调度成果。所有 计算均在服务器端完成， 学生还可以在线修改调度模 型，并实时获得计算结果，使用效果如图2 所示。
三、培养学生解决复杂工程问题的能力
复杂工程问题具备一定的规模、难度、复杂度和 综合性， 是毕业生在职业岗位中会真正面对的实际 工作问题[13] 。复杂工程问题具有如下七个特征[14-15]： ①必须运用深入的工程原理， 经过分析才可能得到 解决;②涉及多方面的技术、工程和其他因素，且各 因素可能相互有一定冲突; ③需要通过建立合适的 抽象模型才能解决， 且在建模过程中需要体现出创 造性;④不是仅靠常用方法就可以完全解决的;⑤问 题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践 的标准和规范中;⑥问题相关各方利益不完全一致;⑦具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。
“水库调度”课程不但需要“水文水利计算”“水资 源系统分析(含运筹学) ”“水资源规划及利用”“水电 站”等多门课程的理论知识，还需要水利工程、电气工 程、计算机技术等多学科交叉的综合知识，因此本课 程包含大量的复杂工程问题 。通过分析行业需求，整 理课题组水库调度相关的科研和生产项目，提取典型 的行业应用的复杂工程问题，本课程中符合复杂工程 问题特征的部分课程内容如表 1 所示。具体到本专业 人才培养和课程教学， 这些选题具有以下共同特征： ①选题需要借助计算机编程完成调试和验证;②每个 选题的求解方案不是唯一 的， 学生需要通过前期分 析、查阅资料、交流探讨后才能确定最为合适的方案; ③在方案实现过程中，需要设定相应的参数，建立相 关的模型，综合考虑整体性能和制约关系。
结合基于 JupyterHub 的水库数据和优化调度平 台，教学团队采用“线上+线下”教学方法，并构建了“水 库调度”课程解决复杂工程问题能力培养体系，如图 3 所示。线上教学主要实现理论知识学习，以水库调度相 关的复杂工程应用问题作为主线， 构思和设计教学内 容;线下教学主要培养工程能力，以复杂工程问题为导 向，从水库调度需求分析、数学建模、求解方法、合理性 评估和改进、实施运行的项目全过程入手，旨在训练学 生的工程设计能力、实践能力、管理能力和创新能力， 让学生身临其境地了解本行业解决复杂工程问题的流 程与方法。“线上+线下”教学过程中的水库调度建模、 求解和分析均在基于 JupyterHub 的水库数据和优化调 度平台完成。同时，根据复杂工程问题的特征，应有针 对性地设置实践环节、作业环节， 为学生创造独立分 析、解决复杂工程问题的实践机会，从而帮助学生做到 理论联系实际，提高解决复杂工程问题的能力。
四、重视课程思政建设
对于“水库调度”课程来说，要想在教学中实施课 程思政，落实立德树人根本任务，就要将价值塑造、知 识传授和能力培养三者融为一体，寓价值观引导于知 识传授和能力培养， 从而帮助学生塑造正确的世界 观、人生观、价值观。专业课程是课程思政建设的基本 载体，基于此，“水库调度”课程教师要系统梳理教学 内容，结合课程特点，深入挖掘课程思政元素，提炼本 课程知识点中蕴含的思想价值和精神内涵。笔者在教 学中融入了以下思政元素：水利行业从业者的艰苦奋 斗精神;水电清洁能源和水库生态调度对建设生态文 明的意义;防洪与兴利关系分析中用到的马克思主义 立场观点方法;认识江西水利，服务江西发展。
在具体的教学环节中，笔者融入了以下典型思政 案例。在绪论章节，与学生一起学习《习近平考察三峡 工程：大国重器必须掌握在我们 自 己手里》《三峡工 程：国之重器奋斗典范》等报道，培养学生精益求精的 大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命 担当;在发电调度相关章节，介绍水库调度领域科技 人物张勇传院士，让学生了解老一辈科研工作人员刻 苦钻研，最终解决水电站水库优化调度中的技术瓶颈 问题的事迹，以此培养学生热爱科研、刻苦钻研、乐于 解决生产技术问题的精神;在防洪与兴利关系分析章 节，运用马克思主义立场观点方法，从整体出发，全面 权衡防洪、发电矛盾，提出协调和缓解以上两对矛盾 的水库运行方案，以提高学生正确认识、分析和解决 问题的能力 。如此将思政元素有机融入课程教学，可 达到润物无声的育人效果。
综上所述，本文以工程认证为背景，提出了“水库 调度”课程教学改革策略，包括秉持面向产出和持续改 进的工程教育理念， 建立科学的评价体系和持续改进 措施; 充分利用基于 JupyterHub 的水库数据和优化调度平台，提升学生的实践能力;在教学中结合工程案例 和复杂工程问题，将教学过程与工程实践紧密结合，培 养学生分析和解决复杂工程问题的能力; 重视课程思 政建设，落实立德树人根本任务。这些改革策略可以提 高课程教学质量和专业人才培养水平， 对高校相关课 程的教学改革也有一定的借鉴意义。
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