杨海波 张晓庆

摘 要：随着信息技术的发展，水利专业化知识急需和虚拟仿真技术进行深度融合促进教学与实践。以培育创新能力与增强工程实践为导向，建立“应用+前沿”的课程大纲，建设基于仿真教学平台的教学模式，扩充工程案例作为三维的“活教材”激发学生的实践认知能力，严格把握以仿真课程设计为控制目标的考核模式，以科研项目促进教学基础知识深化与创新能力培养增强。基于虚拟现实的水利信息可视化技术仿真教学模式探索与研究，将为水利工程教学、人才培养、虚拟仿真实验教学中心建设、乃至学科发展提供重要的支撑。

关键词：水利信息；可视化技术；水利工程；虚拟仿真；实验教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）20-0067-03

Abstract： With the development of information technologies， water conservancy specialization knowledge urgently needs to be deeply integrated with virtual simulation technology to promote teaching and practice. Aiming to educate the innovative and practical abilities， new type "application-frontier" course guideline was built， and simulation teaching platform were realized by adding many three dimensional （3D） samples from true engineering projects. Exam and test based on the 3D teaching platform were performed， and also scientific research projects were introduced into this teaching reform to make sure enhancing students' comprehensive abilities. The exploration and research of simulation teaching mode of water conservancy information visualization technology based on virtual reality will provide important support for water conservancy engineering teaching， talent training， virtual simulation experiment teaching center construction and even discipline development.

Keywords： water conservancy information； visualization technology； hydraulic engineering； simulation； experiment

传统的教学观念主要是“传道、授业、解惑”，这种教学方法是以教为主，学生始终处于被动的学习环境中，现代化的教学方法要求改变传统的课堂讲授式为启发引导式，赋予学生学习的主动性[1]。随着信息技术的发展，将虚拟现实技术引入到教学中，构建基于虚拟仿真教学平台，可以创建逼真教学环境，从而为学生提供良好的人机交互功能[2]。虚拟仿真教学可以更高效的培养学生创新精神和实践能力，共享优质实验教学资源，进一步完善教学体系，整合相关学科的教学和人力资源[3]。越来越多的水利专业化的内容需要和信息技术进行深度融合。从专业发展对于人才培养的角度来看，越来越需要提高创新型水利人才与实践型水利工程师的培养深度与效率。

一、虚拟仿真教学模式建设背景与意义

随着虚拟现实技术迅猛发展，联合多种手段，如三维模型、PPT、音像等，能提供界面友好、形象直观的交互式学习环境，有利于发展联想思维和建立新旧知识之间的联系。基于虚拟现实技术的特点，它的实际应用在理工科的教学中比较广泛。哈尔滨工业大学市政环境虚拟仿真实验教学中心，可三維可视化显示市政、能源设备内部构造及工艺流程等，可为环境工程和给水排水等本科专业提供直观的教学辅助手段[4]。宁波大学和福州大学土木工程虚拟仿真实验教学中心，包含工程结构、道路工程、给排水工程和水利工程等虚拟仿真实验室。河海大学力学与水工程虚拟仿真实验教学中心，开发了“创新研究型”、“专业实践型”、“基础扩展型”三大类虚拟仿真实验项目，使学生通过在虚拟环境中开展实验，提高了学生创新和实践能力。

本校进行水利信息可视化技术仿真教学模式探索与研究的需求主要体现在以下几个方面：1. 开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，旨在贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》精神和《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，推动高等学校实验教学改革与创新，全面提高大学生的创新精神和实践能力[5，6]。因此，若要开展虚拟仿真实验教学中心的建立，尤其要加紧课程仿真教学模式改革的步伐。2. 水利信息技术作为一门相关新兴的交叉学科，可以很好的结合最新的信息技术促进水利工程学科的发展，并逐渐起到尖兵作用。3. 水利信息可视化技术仿真是水利信息技术硕士专业和水利水电工程本科专业的主干专业必修课之一，开展水利信息可视化技术仿真教学模式探索与研究有利于整个学科教学水平的推进。

二、虚拟仿真教学模式建设思路与内容

水利信息可视化技术仿真教学模式探索与研究的整体思路如图1所示。

本课程的教学研究内容如下所示。

（一）建立以培育创新能力与增强工程实践为主导的“应用+前沿”课程大纲

根据水利水电工程专业工程教育认证相关的要求，教学模式要服务于人才培养模式。对于要培养具备扎实理论基础与创新能力的科研型人才和动手能力强与工程实践经验丰富的应用型工程技术人才的培养方案，要求课程大纲也能满足两者的需要。增加目前在建筑与机械行业最前沿的“Building Information Modeling， BIM”，增加水利建筑的信息驱动内容，再进一步增强工程的全生命周期理论，为水利专业工程师和创新人才一体化培养方案的修订奠定基础。因而制定“应用+前沿”课程大纲，实行 “一体化教学”等，深化课程体系改革。明确把课程基础知识、工程实践素材、与科技前沿整合到课程大纲中。

（二）建立基于仿真教学平台的教学模式

根据虚拟现实技术与水利工程教学紧密结合的思路，提出以仿真教学平台为基础的教学模式。如在学习各种类型的大坝模型（包括大坝的不同部件），总结各自的特点、要素、计算方法、差异性与关联性等内容，及分析水利工程建筑物与地形相互关系等内容，结合二维CAD图形以及相应不同部件三维模型与空间关系进行展开[7]。让水利信息可视化技术仿真课程教学从传统的“板述”到目前的“PPT”再进一步到“仿真教学平台”这样的一种教学模式。实现课程内容与仿真教学平台内容设定的深度融合。

（三）扩充工程案例作为三维的“活教材”激发学生的实践认知能力

通过收集目前国内外已建的水利工程公布的素材，包括前期规划方案、修改方案、最终方案、设计资料（水文气象、地质、工程单价等）、设计内容、设计进度、设计成果、施工相关文件、工程管理运行及维护等资料，构建三维工程“活教材”案例库。通过仿真教学平台扩展功能，增加相应的全生命周期功能，从而可以使学生学习已建工程从规划-设计-施工-管理一整套的内容。扩展了实际工程现场实习时不能了解工程设计过程全貌，从而可以激发学生的工程实践认知能力。

（四）基于仿真教学平台的课程设计为控制目标的考核模式

对于水利工程可视化技术这一重要的专业课程，不仅强调常规考试来衡量学生撑握情况，更要抓住课程设计这一考核模式。通过仿真平台中课程设计模块设定不同内容与情景让学生进行深度学习，并能把不同章节的内容进行有效的串起来，同时留有灵活性的自主设计的想法得以实现。从课程内容的重要性和关联性角度，制定基于仿真平台的课程设计内容与次序，并建立考核机制与要点。应用工作流程模式，对每一项课程设计环节进行布置，并设定评价调整理论学时和实践学时比例。按照“基本能力→实践能力→综合能力”的实践教学培养体系设定课程设计要点与考核指标，并进行综合评价。

（五）以科研项目促进教学深化基础知识与增强创新能力培养

让学生参与或对具体的科研项目进行深入学习与分析，不仅能提高专业基础知识的应用，更有利用对水利工程创新型人才的培养。把水利工程虚拟仿真项目划分为地形地质仿真环境构建、水利工程建筑模型构建、水利设计方法知识库构建、人机交互辅助设计等子任务，并进行子任务的解决方案制定，使之由浅入深、徐徐渐进，从而有利于学生进入研究状态，不至太难而放弃。制定以研促教切实可行的方案，有效地提高学生的创新能力和组织协调能力。

三、结束语

水利工程乃至工程学科，具有很强的理论知识与实践知识结合紧密的需求，同时也有信息技术深入融合的可行性与先天优势。结合水利工程传统知识与虚拟仿真技术，进行水利信息可视化技术教学模式探索与研究，从新型课程大纲、基于仿真教学平台的教学、三维“活教材”工程案例库、以仿真课程设计的考核模式、科研促进教学等内容，以培育创新能力与增强工程实践为导向，促进了课堂教学与工程实践的深入结合，学生们了解到水利三维设计及BIM的应用前景，掌握了相关的技能，提高了学生积极性和主动性及对水利工程大局观与前沿性的认识，水利工程专业与水利信息技术专业的学生实践动手能力和创新能力得到较大提高，从而推动了水利專业人才培养质量的提高，实现知识、能力、素质的协调发展。对水利工程教学、人才培养、虚拟仿真实验教学中心建设、乃至学科发展提供重要的支撑。本项目的探索，促进更多课程进行仿真教学的应用和推广。

参考文献：

[1]李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014（09）：82-85.

[2]刘琼，何洁凝，关冠恒，等.虚拟仿真实验室对教学的作用研究[J].中国教育学刊，2015（S2）：318-319.

[3]刘华颖.浅谈虚拟仿真实验教学中心的构建[J].实验科学与技术，2018，16（3）：150-152.

[4]刘育，孙连鹏，陈玉娟.环境工程虚拟仿真实验项目建设[J].高教学刊，2018（15）：63-65.

[5]刘军，施晓秋，金可仲.面向地方院校工程教育类专业的虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学，2017（01）：74-78.

[6]柳浩，万新，朱光俊，等.虚拟仿真实验教学探索与实践[J].中国冶金教育，2016（06）：89-91.

[7]王岩.土石坝三维仿真教学系统关键技术研究[D].郑州大学，2014.