张泽中 刘尚蔚 徐红松 齐青青

摘要：水利水电工程概论不仅是水利类专业大学生入学的引导课程，而且是非水利类专业大学生的科普性课程。在介绍了虚拟仿真技术和水利水电工程概论的基础上，文章分析了该课程教学现状及存在的问题，提出引入先进教学技术虚拟仿真技术背景下的合理优化教学内容、改革教学方法和改革学生考核方法等教学体系一体化改革的教学模式。通过对该课程改革，构建适应高等工程技术应用性人才培养需要的课程教学体系，从而提高学生的工程实践能力，促进学生由知识向能力的高效转化，为兄弟院校开展该课程教学提供科学参考。

关键词：教学改革；虚拟仿真；水利水电工程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）12-0158-03

一、虚拟仿真技术简介

虚拟仿真技术[1-3]是一种计算机领域最新技术，把力学、数学、机构运动学等理论融合计算机图形技术、多媒体技术及仿真技术而成一体的综合应用技术。此项技术可以通过计算机技术与相关理论生满足视、听、触觉等真实感的虚拟环境，设计者和师生可在这种虚拟环境中进行相应工程推演与实验操作。该技术[4-5]在一些重要军事和民生重大工程等领域的教学科研与应用蓬勃发展。虚拟现实技术不仅在工程施工与管理等方面发挥了重要作用，而且是高校实践性教学最安全、最高效和最低成本的先进教学技术手段。

二、水利水电工程概论简介

水利水电工程概论[6]是面向华北水利水电大学全校本科各专业学生的水文化素质课，具有二十多年的授课历史。其主要目的是让非水利水电类学生和水利水电类专业刚入学的学生认识水利水电行业，学习水利水电工程建设的相关知识，建立初步的水利水电工程概念，了解水利水电工程涉及的主要范畴、工程的组成及作用，了解现代水利水电工程的发展趋势。通过本课程的学习，学生能够开阔视野，培养正确的水利观，能够客观地看待人类治水的历史，正确认识水利水电工程的利益与不足。

三、目前该课程教學中存在的问题

（一）学生上课动力不足与积极性悬殊

教学改革加快了我校各专业教学进程，本专业基础课程吸引了大部分学生学习精力。有些学生，特别是文理科学院，连基本的水利水电工程专业知识都不了解，造成了学习动力不足、积极性差异悬殊。上课时，老师如果没发现这种差异，采用“一刀切”的授课[7]，会造成学生学习兴趣严重两极分化。老师们给非水利类工程专业上水利水电工程概论课必须要正确面对该问题。这不仅需要增加学生使命感和责任感，而且需要老师进行教学改革。

（二）实践与理论教学“两层皮”

理论与实践相结合较强不仅是水利水电工程概论的特色，而且体现了水利工科生高动手能力的要求。选修的水利水电工程概率课时少，又无实践经费支撑，造成只有理论无实践。进而形成学生上课听老师讲授的内容都能听懂，自己应用或解释问题就“蒙圈”[8]。当要求学生用理解的语言解释或描述说明相关工程问题、机理时，他们就脑袋空白了。这需要借助虚拟仿真技术实现理论教学与实践教学同步，增强学生的理解与感性认知，提高教学效率。

（三）学时与教学量的矛盾

目前，学时不能满足教学内容方面的需求。如果面面俱到，教师们感觉课程内容讲得蜻蜓点水，对不起良心；讲授内容多，学生又觉得讲得快、掌握不了。通过虚拟仿真技术平台，学生可以自己预习和复习水利水电工程概论教学内容，课堂上节省出的时间可供老师深入完整教授重点、难点内容，提高课堂教学效率和效果。

（四）概念抽象与原理复杂

该课程涉及到地质工程、水文地质、材料力学、水力学、钢筋混凝土结构等，不仅要学生克服“三多”（学科多、专业知识多、费解概念多）困难，而且抽象概念，如灌浆和渗流概念抽象、重力坝和拱坝工作原理比较复杂，文科学生（没学物理）很难理解和接受，因此，有的学生感觉这些知识像“无字天书”。这种情况下的教学效果不会好。通过虚拟仿真技术平台，学生可以自己预习和复习水利水电工程概论课程中抽象的概念，自己动手实验验证重力坝和拱坝工作原理等复杂理论，提高课堂教学效率和效果。

四、课程教学改革探索

（一）合理优化教学内容

课程的设立为学生今后从事本专业工作时具有良好的水利水电工程方面的基础知识和基本能力起到了技术支撑的作用。在教学中就要结合实际的教学对象专业特点，优化教学内容，完成专业知识的衔接，如水文与水资源工程专业的学生在教学环节中对土石坝渗流理论、水闸防渗、生态环境需水理论进行重点讲授，使之与水文与水资源工程专业的水文知识理论相衔接，形成“来多少水，如何来，用多少水，都谁用，如何配置和调度，才能实现人水和谐的生态调度”的连贯思路，这有助于学生在实际工作中的能力的培养。

（二）改革教学方法

1.“觉醒—兴趣—引导”理论教学法。该课程上课对象主要是刚刚结束“填鸭式”教育、才上大学的新生，或是对水利知识空白的大学生。他们或厌倦“填鸭式”的教学方式，或对水利知识无兴趣，或对水利一无所知。这种情况对水利水电工程概论授课教师提出很高要求，第一，如何“于无声处听惊雷”地进行开篇课。评书演员讲书都有开篇诗和书胆醒木，教师的第一堂课也非常关键，采用别具一格（或触目惊心，或望梅止渴，或妙趣横生）的首堂课引起学生兴趣，变“要学生上课”为“学生要上课”。第二，如何“寓繁于简、深入浅出”地把沉闷严肃的水利水电知识刻画在学生心中，使学生时常有“原来如此”恍然大悟的感觉。第三，如何从非常规角度提出问题让学生解决“小困难”，抛砖引玉引导学生，使得学生“耳目一新，越听越新鲜”，引导学生保持对水利水电工程的兴趣，并跃跃欲试想多了解，变“要学生学”为“学生要学”。第四，如何传授学生适宜的学习方法，使学生“明珠见夜，点石成金”，变“学生学会”为“学生会学”。在理论教学中，根据学生的实际状况，教师要优化教学内容，幽默式传道，引导式授业，互动式解惑。教师要牢牢把握住课堂上的主导作用，充分激发学生学习的主动性和积极性。

2.“模擬专家”案例研讨教学法。针对治河工程和水利工程生态调度的重点部分，结合学生身边的龙湖、龙子湖或郑州其他水系建设实际，要求学生以水利专家的身份在课前通过各种渠道进行重点案例的搜集调研，加之学生自己的分析理解，在课堂中进行“项目组答辩”和“评委团评审”的案例研讨教学。教师组织所有学生进行案例研讨，激发学生的兴趣，使理论教学与实践教学相结合。不论是项目组的“专家”，还是评委团“专家”在“模拟专家”案例研讨过程中都学到了很多知识，了解了科研思路和方向，提出许多奇思妙想，大大加深了学生对课程理论知识的理解与应用，提高学生创新能力。

3.“一见胜百闻”实物剖析教学法。水利水电工程建筑物繁多，相似物不胜枚举。如果单纯采用板书、多媒体课件的形式在教室完成水利水电工程概论课程所有理论知识的讲授，学生觉得陌生、抽象，很难理解，易于混淆，甚至乏味。通过虚拟仿真技术，学生可以亲手拆开、解剖各类水工建筑物。比如混凝土重力坝和土石坝光从外部很难区别，但是，通过虚拟仿真技术，学生亲自动手剖开重力坝和土石坝的坝工建筑物，不仅可以清晰看到混凝土重力坝的横缝、纵缝和各类廊道以及相应止水，而且加深理解混凝土重力坝和土石坝的各种联系与区别。这种先进科技教学合理运用有助于提高学生学习效率和教师授课效果。再比如，讲授“泵与泵站”，让学生掌握如何实现水泵提水，了解泵站与水轮机区别。可以让学生进入实虚拟仿真泵站验室，通过虚拟仿真技术，学生亲自参观并操作水泵等设备，亲身体会能看得见、“摸得到”的“实物”模型、流程模拟设备、电机等设备、现场施工图。这种“亲力亲为”有助学生了解泵与泵站的结构特点、工作原理，这就能大大激发学生的学习兴趣，大大提高教学效果。

通过虚拟仿真技术，学生“参观和操作”实验室的设备、原理，学到了更多知识，感性认识很快上升到理性认识，大大加深了对课程知识的理解。

（三）改革学生考核方法

1.考试试卷改革。试题不能考学生死记硬背，考后无用的死知识。学生应对考试的方式就是依靠简单的记忆、背诵，“死记硬背”之后往往很难真正理解如何运用知识。如何对死的知识点灵活考核是门艺术。科学、准确、全面地评价学生的基础知识和综合能力，课程的考核方式一改以往传统的试题模式。如针对水多、水少、水脏和水浑的中国四大水问题，这样四个填空就把“试”考死了。如果在填空下加上“你的家乡哪种水问题最突出”“你有何治理措施”“请列出三条以上措施”等问题，这样修改后的考题由单点“死”考题转变成了“流动”活考题，由考死记硬背考试变成考查学生学习能力（发现问题、分析问题和解决问题）的考题。如果在填空后让学生列举他最喜欢的水工建筑物，并指出这种建筑物容易破损的部位是哪里、如何运行保养和修复等，这样既考查了学生对水工建筑物知识点的掌握，又考核了学生运行养护管理知识。这样的考试试卷有利于改变学生死记硬背应付考试的坏习惯，有利于提高学生能力和素养。

2.考试时间改革。考试的时间也需要改革，在平时上课我们随机进行测试，绘制土石坝渗流曲线、泵站效率曲线等，这样可以培养学生良好的学习习惯，并不是到期末集中突击，这有利于学生扎实地掌握知识。比如在虚拟仿真课上让学生先讲部分内容，老师点评与给分。这样不仅考核学生是否预习了，又考核了学生对知识掌握程度；同时，提高了学生学以致用和表达能力。

五、结论

借助虚拟现实技术，通过上述改革措施实施，有效地解决了水利水电工程概论非水利类教学中四大主要问题。相信在以后教学中，教师会更加自信，通过教学带科研，科研促教学，不断地创新教学方法和教学模式，来培养出更多更好的能适应新时代需要的复合型水利水电工程应用人才。

参考文献：

[1]李翠超，凌芳.虚实结合的虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J].实验室科学，2015，18（2）：129-132.

[2]蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，28（8）：76-79.

[3]郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学，2010，13（5）：175-178.

[4]黄少华，张德文，李小帅.虚拟现实技术在水利工程仿真中的应用[J].人民长江，2006，37（5）：36-38.

[5]尹红霞，王一新，简新平.虚拟仿真系统在水电站教学中的应用研究[J].高等建筑教育，2016，（4）：15.

[6]李宗坤，孙明权.水利水电工程概论[M].郑州：黄河水利出版社，2005.

[7]文华，李铭，刘义坤，等.非石油工程专业石油工程概论课程教学改革探索及效果[J].科技资讯，2014，（7）：3.

[8]邱元锋，李小平.灌溉排水工程“卓越工程师”实践教学模式[J].教育教学论坛，2016，（2）：110-111.

The Teaching Reform Water Resources and Hydropower Projects Based on Virtual Simulation Technology

ZHANG Ze-zhong，LIU Shang-wei，XU Hong-song，QI Qing-qing

（School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou，Henan 450045，China）

Abstract：Introduction to water resources engineering is not only a water conservancy engineering guide courses for admission to the college students，college students' educational course and is water conservancy engineering. In virtual reality is introduced and，on the basis of introduction to water resources and hydropower engineering，this paper analyzes the present situation and existing problems of the teaching，puts forward the introduction of advanced teaching under the background of virtual reality technology to optimize teaching contents，teaching methods and reform the teaching system integration such as student assessment method of teaching mode. Through the reform of the course，build to satisfy the needs of the higher engineering technology applied talents training course teaching system，so as to improve the students' engineering practical ability，promote students' efficient transformation from knowledge to ability，which can provide a scientific reference for other universities.

Key words：teaching reform；Virtual reality；Water conservancy project