1、灌区水管理水量分配及预期后果可视化教学研究与实现李彦 曹伟 黄宝游 夏庆成 岳春芳（新疆农业大学水利与土木工程学院）摘要：可视化能够实现对大型数据和复杂过程的直观理解，是一种非常重要的工具。我们通过采用可视化的手段，将水量的分配和不同水量所产生的结果（生长良好、轻度干旱、中度干旱、重度干旱）可视化显示，并直接应用于教学中，实验结果表明，该方法简单、有效，教学效果得到了显著提高。关键词：课程 可视化教学灌区水管理是水资源管理系统的一个重要组成部分，随着社会主义市场经济的逐步建立，国民经济的发展和生产力的极大提高，水资源如何支撑和保障社会经济的持续发展及其可持续利用已成为我国面临的巨大挑战。在我国
2、农业用水所占比重较大，而管理技术和管理水平仍停留在粗放的水平上，面对缺水的巨大压力、用水浪费和水源污染的现状，强化灌区用水管理势在必行。灌区水管理是一门关于对灌区用水户的用水调配、用水过程和用水行为及环境管理的管理技术，灌区水管理是水资源管理的核心环节 1。在课程讲授水量分配过程中，发现学生对水量分配所造成的结果理解不深刻。仅通过课堂讲授，学生在水量分配过程，以及造成后果等方面仍然缺乏认识；对需水大于供水时，该采取何种措施以及某种措施将对供需水平衡的贡献没有直观的认识；对某种措施适宜的条件、成本、效益等缺乏经济上的评价。本课题通过采用可视化的手段，将水量的分配和不同水量所产生的结果（不受旱、轻
3、度受旱、严重受旱、绝收）直接显示出来，使学生能深刻地体会水量分配直接关系到灌区人民的经济利益。1、可视化教学的优点知识可视化不但可以更好地传递和呈现教学信息，还可以帮助学生把教学信息通过重构转换为自己；不但可以传递显性知识，还能传递隐性知识；不但可以创建知识，还可以帮助学生进一步协作 2。可视化教学是建立在以现代化计算机辅助多媒体教学或网络教学基础上的新的教学模式，它可使学生在课堂上得到的抽象理念。经过可视化教学过程得到升华，从而使学生的创造性思维能力得到启迪和深化。这种新的教育教学模式在西方发达国家已经取得了成功，他们使学生真正从粉笔加黑板的原始教学模式中解放出来：使学生从课堂的纯教条的抽象
4、说教中摆脱出来，步入一个身临其境、饶有兴致的现实世界。在那里，他们所学知识的悟性和灵感在不知不觉中得到升华。实践能力和创新能力也得到充分的发挥，同时，大大增强了解决实际问题的能力。这些恰恰体现了素质教育的基本精华，与传统教学模式相比，采用可视化教学法具有如下明显优势。(1)采用可视化教学法能够激励学生学习，也可以帮助其将观念存储在长期记忆中；(2)可视化教学软件能够展示算法所执行的过程，如此可以帮助学生更好地理解算法内容。掌握其实质；(3)可视化教学软件不像教材般的枯燥乏味，教师可以利用它来吸引学生注意力。激发学生学习兴趣。使学生产生学习欲望，从而形成学习动机；(4)学生在课后可利用可视化教学
5、软件来探索算法的执行过程，这对有意深入探索算法的学生来说。有着显著意义。另外，可视化教学法可以使得教师有更多的时间去接触每一个学生。也有更多的时间去考虑课程设计等其它方面的问题，它使得因材施教成为可能，学生的自主学习使得教师将更多的时间花费在更加需要的地方 3-4。2、灌区水管理水量分配及预期后果可视化总体设计2.1总体设计依据灌区预计来水、实际来水及实际需水进行供需平衡分析，如果实际来水作物实际需水量，则按需配水，作物不受旱，产量不受影响；如果实际来水作物实际需水量，则按比例配水，作物要受旱，产量受影响，根据两种比例：按灌溉面积的比例和按毛需水量的比例使灌区作物所分得的水量是不同的，因此受旱
6、程度也不同，减产的幅度也不同。此时，用不同的色块代表受旱程度的不同，通过对两种配水方式所产生受旱及减产程度的对比，使同学们深刻认识到配水工作不是简单的数字游戏，它关系到灌区人民的经济效益 4-5。2.2案例分析某灌区总面积为 2.0821 万亩，由一条干渠两条支渠控制，该灌区种植8 种作物，作物的面积见表 1。预计 5 月来水流量为 0.72m3/s，实际来水流量为 0.58m3/s，以下用两种配水方法进行配水。两种配水比例及各斗渠所分水量计算见表 2、表 3。从表 2、表 3 可以看出：两种不同的配水方式对作物产生的影响是完全不同的，根据作物的灌溉制度，棉花在 5 月份是不需要灌水的，因此按
7、毛需水量比例分配时，1 干 4 斗分配的水量为 0，而按灌溉面积比例分配时，1 干 1 支 4 斗分配的水量为 19.48 万 m3， 1 干 1 支1 斗和 1 干 2 支 1 斗，所分水量大于需水量，造成作物受淹。两种配水方式所得的结果差异很大，按灌溉面积法所得的亏水率在-35.17%43.68%变动，按毛需水量法所得的亏水率为 14.27%。通过对作物的需水量和来水量进行计算，可以得到不同配水方式下每种作物的水分亏缺程度，见图 1、图 2。用不同色块代表作物受旱的程度，其中生长良好表示作物不受旱，以棉花的干旱指标为例， 0亏水率10% 为轻度干旱，10亏水率15%为中等干旱，亏水率15%
8、为重度干旱。从图 1 和图 2 可以看出：5 月份实际来水流量为 0.58m3/s，用两种方式给灌区配水，对作物的影响是截然不同的。从图 1 可以看出：3 条斗渠控制的区域来水量大于需水量，处于受淹状态，4 条斗渠控制的区域处于重度干旱状态，1 条斗渠控制区域处于轻度干旱状况。从图 2 可以看出：1 条斗渠控制的区域处于正常生长状态，7条斗渠控制的区域处于中等干旱状况。总体而言，按毛需水量法符合作物生长的实际情况，建议在今后的配水实际工作中，按毛需水量法给各用水单位分配水量。但按毛需水量法所要求的基本资料较多而且作物的灌溉制度必须真实，因此需要在基础资料收集方便做很多的工作。表 1 灌区作物种
9、植面积表干渠1 支 2 支渠系1 斗 2 斗 3 斗 4 斗 1 斗 2 斗 3 斗 4 斗作物 果园 冬小麦 玉米 棉花 棉花 牧草 苜蓿 冬小麦 瓜菜 油料合计面积（亩）2143.9 2209.9 2266.9 2677.1 1416.8 1416.8 2770.6 3022.5 2455.8 440.8 20821.1 表 2 灌溉面积法配水比例计算1 干1 支 2 支渠系1 斗 2 斗 3 斗 4 斗 1 斗 2 斗 3 斗 4 斗合计面积 2143.9 2209.9 2266.9 2677.1 2833.6 2770.6 3022.5 2896.6 20821.0 比例(%) 10.
10、30 10.61 10.89 12.86 13.61 13.31 14.52 13.91 100.00 分水量(万 m3) 15.60 16.08 16.50 19.48 20.62 20.17 22.00 21.08 151.54 需水量(万 m3) 13.49 28.56 27.90 0.00 15.26 21.31 39.06 31.19 176.78 缺水量(万 m3) -2.11 12.47 11.40 -19.48 -5.37 1.15 17.06 10.11 25.23 亏水率(%) -15.64 43.68 40.86 0.00 -35.17 5.38 43.68 32.42
11、表 3 毛需水量法配水比例计算1 干1 支 2 支渠系1 斗 2 斗 3 斗 4 斗 1 斗 2 斗 3 斗 4 斗合计毛需水量(万m3) 13.49 28.56 27.90 0.00 15.26 21.31 39.06 31.19 176.78 比例(%) 7.63 16.16 15.78 0.00 8.63 12.06 22.10 17.65 100.00 分水量(万 m3) 11.57 24.48 23.92 0.00 13.08 18.27 33.48 26.74 151.54 缺水量(万 m3) 1.93 4.08 3.98 0.00 2.18 3.04 5.58 4.45 25.2
12、3 亏水率(%) 14.27 14.27 14.27 0.00 14.27 14.27 14.27 14.27 图 1 按灌溉面积比例分配水量预期结果图 2 按毛需水量比例分配水量预期结果分 水 闸干 渠支渠支渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠果 园冬 小 麦玉 米棉 花 棉 花 牧 草苜 蓿冬 小 麦瓜 菜 油 料分 水 闸干 渠支渠支渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠斗 渠果 园冬 小 麦玉 米棉 花 棉 花 牧 草苜 蓿冬 小 麦瓜 菜 油 料受淹轻度干旱重度干旱生长良好中等干旱3、总结知识可视化是应用视觉表征手段，促进群体知识的传播和创新。它为不能直接作用于人
13、的感官的隐性知识创造有效条件，使其以图解的手段表示出来，形成可以直接作用于人的感官的显性知识。研究开发可视化教学系统及其教学模式，可以直接改革课程的教学方法和手段，提高教学效率和质量，不仅在课堂教学中发挥良好作用，同时有利于学生进行自学和复习。无论对于难以理解的静态概念，还是无法直接观察到的自然或实验现象，抑或单独靠人脑想像有困难的动态过程，我们都可以利用适当的可视化方法把它们表示出来，使之容易接受和理解。这一过程有效地实现了抽象知识具体化、生动化，非常有利于教学效果的提高5。通过将不同水量的分配方式所造成的结果可视化，使同学们可以将所学的灌溉排水工程学、土壤农作学、水利工程经济等相关课程联系
14、起来，在课堂上就能深刻地体会到水量分配与灌区人民的经济利益有直接和紧密的关系，将课堂所学与实际生产联系在一起，将有助于在做大作业或今后从事此项工作时，所做出的决策更加符合灌区作物需水的实际情况。参考文献：1雷晓云等编著.灌区水管理M，新疆乌鲁木齐新疆农业大学水利与土木工程学院，20072 姜世华,陈新红,梁鹏. 知识可视化在计算机教学中的应用J. 东北农业大学学报(社会科学版),2012,10(2):77-813谢维，沈大林关于多媒体CA1课件设计的分析与思考J教育科学研究，2007，(5)：40-42 4罗圣敏. 计算机图形学算法可视化教学研究与实现J. 广东技术师范学院学报(自然科学)，2011,(1):84-865 田素贞,赵昕.知识可视化及其在教学中的应用J. 商丘职业技术学院学报,2009,8(2):43-45作者简介：李彦，女，讲师，讲授灌区水管理课程，研究领域为水资源的高效利用与管理。曹伟，男，讲师，主要讲授计算机信息技术基础课程。黄宝游，男，水利学院水管092班学生。夏庆成，男，副教授，主要从事水电站优化运行管理课程的教学与研究工作。岳春芳，女，副教授，主要从事水利工程运行管理课程的教学与研究工作。
