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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
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 SPH 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 - 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”。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。
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。
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。
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 SPH 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] 李济源,张明,韦学玉.混合式教学在建筑给排水课程教学改革中 的研究[J].科技视界,2022(10):85-87.
[6] 毛明清.数字化建模与虚拟仿真技术在“机械制造基础”课程改 革中的应用策略[J].教育现代化,2019.6(63):115-117.122.
[7] 荣海宏.关于《城市给排水工程》课程教学的探讨[J].黑龙江生态 工程职业学院学报,2007(2):97-98.
[8] 陈学彬,卓献荣,李雪梅,等.基于产业导向的数字化建模与仿真 人才培养模式探索:以工程流体力学教学为例[J].高等建筑教育,2022. 31(3):63-69.
[9] 刘海洋,宣传忠, 曲辉,等.人工智能、大数据和虚拟仿真技术在测 控类课程教学中的改革与实践[J].内蒙古农业大学学报(社会科学 版),2023.25(2):27-31.
[10] 陈飞国 , 葛蔚 . 多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综 述[J].力学学报,2021.53(9):2357-2373.
[11] 班晓娟,周靖,王笑琨,等.面向光滑粒子流体动力学(SPH)流体的 湍流细节模拟[J].北京理工大学学报,2021.41(8):847-854.
[12] 张建伟,主攀, 陈海舟,等.基于光滑粒子流体动力学方法的表中 孔泄流模拟[J].水电能源科学,2022.40(3):127.136-139.
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