雷晓辉，龙岩，柴蓓蓓，张峥，张运鑫

摘  要：在新时代背景下，针对水电站课程教学痛点问题，结合新时代大学生的学习特点，充分利用现代信息技术手段助力形成新的教学方法和科学的教学评价方式。（1）引入计算机编程技术，培养学生通过数值模拟计算解决水电站中水轮机选型、引水系统设计、调节保证计算等工程技术问题的能力。（2）通过自主研发水电站三维虚拟仿真平台的开放式教学实训系统，支撑学生进行线上线下的自主学习研究，进行水电站工程认知、水锤规律学习、工程调控措施选择、复杂问题探索性研究等。（3）根据新时代对大学生发展的需求，借助信息技术构建了“三多一细”的教学评价体系，更符合专业认证强调工程教育的基本质量要求。（4）构建综合智慧教学体系，利用线上资源解决教学内容问题，“转动+翻转”课堂解决教学方法问题，并将最新科研成果渗透到教学过程中，充分调动学生解决水电站相关工程问题的积极性。

关键词：水电站;信息化;教学方法;教学评价

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）32-0054-04

Abstract： In the context of the new era， aiming at the pain points of the teaching of hydropower station courses， combined with the learning characteristics of college students in the new era， it makes full use of modern information technology to help form new teaching methods and scientific teaching evaluation methods. The methods include four points. The first one is introducing computer programming technology to cultivate students' ability to solve engineering technical problems such as hydraulic turbine selection， water diversion system design， and adjustment assurance calculations in hydropower stations through numerical simulation calculations. The second one is through the independent research and development of the open teaching and training system of the three-dimensional virtual simulation platform of hydropower stations， supporting students to conduct online and offline independent study and research， conduct hydropower station engineering cognition， water hammer law learning， engineering control measures selection， and exploratory exploration of complex issues research etc，. The third one is according to the needs of the development of college students in the new era， with the help of information technology， constructing a teaching evaluation system of "three more and one detail"， which is more in line with the basic quality requirements of professional certification emphasizing engineering education. The four one is building a comprehensive smart teaching system， using online resources to solve teaching content problems， "turn + flip" classrooms to solve teaching method problems， and infiltrate the latest scientific research results into the teaching process， fully mobilize students to solve engineering problems related to hydropower stations

Keywords： hydropower station; informatization; teaching method; teaching evaluation

教育部關于印发《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》[1]中明确指出：以教育信息化带动教育现代化，是我国教育事业发展的战略选择。推进信息技术与教育教学深度融合，实现教育思想、理念、方法和手段全方位创新。水电站课程是高等学校水利工程专业一门综合性强、涉及知识面广的必修专业课，新时代背景下，水电站课程在教学过程中应积极进行教学改革，教会学生自主学习;教为学服务[2]，适应未来工程行业发展的新需求。作为水电站课程的主讲教师，必须要重新审视新时代背景下水电站课程面临的教学痛点问题，抓准时机对水电站课程进行正确的定位，提升水电站课程的整体教学水平，提高学生对专业知识的理解及解决复杂工程问题的能力。

那么在水电站课程设计中如何应用信息化手段呢？通过资料的查询得知，信息化手段在教学实践中一般包含硬件、软件和资源。硬件一般是指基础环境和应用、服务环境，例如投影仪、交互电视、一体机无线网等这些教学的基础环境，还有手机、平板、录播系统、VR/AR设备等服务设备;软件平台要与硬件设备结合起来，才能发挥最大的作用，一般软件包括雨课堂、超星等在线学习平台、MOOC资源、资源库、题库等学习资源平台、QQ和微信等沟通交流平台;通常我们所了解到的用于教学的数字化资源包括：动画、视频、仿真软件和微课。本研究主要是在硬件和软件的基础上，充分利用信息技术，从互联网+入手破解水电站课程教学痛点问题。

一、水电站课程教学难题

水电站课程是水利工程专业的一门必需专业课，通过讲述水轮机、引水系统及厂房三大知识点，让学生掌握如何选取一台水轮机、修一条引水渠、盖一座厂房三大专业技能。但是目前水电站课程的教学主要是传统的“注入式”教学方法，带来一系列教学痛点问题：（1）涉及面广：水电站由水轮机、引水系统、厂房及水工建筑物等部分组成，结构复杂、设备众多，涉及专业知识面广，单纯依靠教材不容易讲清楚，学生也很难认识准确;（2）计算复杂：水电站存在大量的水力计算工作，学生基础差异大，传统的“教师照本宣科、学生被动接收”方式，容易导致学生知识掌握程度参差不齐;（3）实践困难：水锤实验具有破坏性和危险性，在实践教学环节中面临“无法让学生亲身体验现场实验”等困境，导致在专业知识理论与实践教学间出现了教学断层;（4）大班教学：学生众多，很难实现个性化教学，同时学生的参与度很低，课堂教学以单向的知识灌输为主、交流互动严重不足、难以真正教学相长。

这些痛点问题严重影响水电站课程达成度情况，与工程教育专业认证[3]的工作有些不符，因此需要对水电站课程教学方法进行创新，探寻“突出以学生为中心，关注产出实效”的新型教学模式。基于此，水电站课程在教学过程中除传统授课外，还通过引入计算机编程技术，培养学生通过数值模拟计算解决水电站中的工程技术问题的能力;通过自主研发水电站三维虚拟仿真平台的开放式教学实训系统，以实际工程问题为导向，开展独立操作、小组讨论协作等多种动手实践操作型活动，并对实验结果进行总结归纳汇报，开展生生互评、教师总结等以学生为中心的翻转课堂活动。

二、OBE教学理念及多层次教学目标

在“成果导向教育”[4-5]（Outcome based education，简称OBE）理念指导下，以学生为中心，采用“转动+翻转”两种课堂有机结合，实现水电站相关“知识、技能、素养”三层次教学目标;以“虚实一体、承创转化、同异互进、情智相长”为原则，“价值、情感、认知、技能、行动”五维度融入水电情怀思政元素，进行教学过程设计;引入水电站虚拟仿真实验平台、雨课堂、MOOC、科普短视频等多种新媒体及信息化技术手段，构建综合智慧教学体系;通过案例式、讨论式、情景式、参与式等多重教学模式应用，保证学生掌握水轮机选型、输水建筑物设计、厂房布置设计等基本技能与解决综合性复杂工程问题的高阶性行业发展新需求;结合课前、课中、课后师生互动、生生互动等方式，全过程跟踪评价，持续反馈改进。构建了“一个中心、两种课堂、三个目标、四种原则、N种形式”的立体化智慧教學模式，全方位推进水电站课程课堂教学改革，将“45分钟课堂”作为主战场。

本课程以天津大学徐国宾主编的《水电站》为主体教材，构建以问题导向为主线的立体化、多层次、多形式的课程教学目标。

1. 认知培养

融合多个版本的《水电站》现有相关教材与《水工设计手册》《水力机械》等多个参考书，并结合团队长期承担的相关科研经历，形成大工程、智慧化特色的水电站课程教学内容，培养学生掌握水电站相关基本概念和理论。

大工程特色主要体现在以三峡、龙羊峡、锦屏等典型大型水电工程为案例，介绍水轮机、引水系统、水电站厂房等相关知识点。

智慧化特色主要体现在经典水电站课程相关知识点讲解过程中，介绍本学科在智慧化方面的最新进展，特别是以物联网、大数据、云计算、数字孪生、5G等智慧化新技术在水电站规划、设计、施工和运行管理中的应用现状及前景。

2. 技能培养

围绕水电站课程的3大知识点：水轮机、引水系统和水电站厂房，通过针对性设置课后作业、课程设计和毕业设计，培养学生能够根据工程特点，进行水轮机选型、输水建筑物设计、厂房布置设计方面的专业技能，让学生掌握水电站设计的基本方法。

3. 素养培养

通过课堂开放式讨论、课程设计创新比赛等方式，引入基于Excel的VBA编程和虚拟仿真教学实验平台，培养学生运用相关知识，对水电站规划、设计和运行中的复杂问题进行分析与优化、比较与综合的能力。

三、信息化助力教学方法创新

通过网络平台资源提升课程建设实效，疫情期间，利用雨课堂、腾讯会议等多种方式进行线上授课，课程教学团队通过QQ群、微信群等与学生即时互动，释疑解惑。同时公共平台可以加强教师之间的资源信息共享，经验交流。万物互联时代，线上线下双线教育号角已吹响，面对课堂教学改革，我们必须摒弃传统思维模式，接纳崭新思维范式，从教育理念、价值观，到教育行为、教育制度，建立一套完整的线上+线下、虚拟+现实的双线立体教学思维模型，应对瞬息万变的互联网时代。针对教学痛点问题，结合新时代大学生的学习特点，充分利用现代信息技术手段助力形成新的教学方法[6]。

1. 通过运用设计图纸、物理模型、现场实习、三维仿真教学平台、数字孪生、动画视频等多途径认识水电站，特别是自主研发了水库大坝、水轮发电机、引水系统、厂房等三维仿真数字孪生平台，从而首次实现了在计算机上进行水电站认识实习，解决了水电站综合性强、涉及知识面广，难以讲解的难题。

2. 通过师生协同运用嵌入Excel的VBA编程语言，开发了引水明渠水力计算、水轮机选型等多个水力计算工具。其中，对编程能力强的学生可以指导其进行VBA二次开发和拓展问题研究，其他学生重在应用Excel进行计算、分析以及相关知识点的掌握。此外，通过引导学生课前利用仿真软件操作手册及视频进行预习，课中进行Excel和仿真软件的实验、讨论和测验，课后进行深入分析、拓展探索和二次开发，提升学生解决复杂水力计算问题的能力。

3. 利用BIM等信息技术，自主研发了水电站虚拟仿真实验平台，首次实现了在计算机上进行水锤计算、调保计算等破坏性实验和分析工作。在该平台的使用过程中，引导学生开展课前视频自学，课中分组实验、教师辅导、小组讨论掌握水锤的基本概念，并鼓励学生开展课后拓展研究。此外，结合团队承担的科研项目设置课程设计题目，让学生通过接触实际工程的具体问题，真正提升学生分析和解决问题的能力。

4. 运用雨课堂辅助大班课堂测试，实现全员参与，并围绕课程设计/创新比赛开展小班主题讨论，提高学生积极性与参与度，解决大班教学存在的学生参与度低的问题。

四、科学的教学评价

专业认证强调工程教育的基本质量要求，是一种合格评价[7]，其直接评价依据为各门课程的“课程达成评价”和“毕业要求达成评价”。传统的教学评价基本上是一种总结性学习终端评价，它以甄别学生对知识掌握的水平与选拔优秀学生为导向，是一种教师、教育主管部门、考试机构等自上而下的对学生“定性”评价，只注重学生最终对知识的掌握程度，评价内容统一、评价标准统一。这种教学评价不能完全适应新时代的发展特点，需要制定科学的教学评价方式。根据新时代对大学生发展的需求，借助信息技术构建了“三多一细”的教学评价体系。

1. 多元化评价方式

教学评价包含阶段考核和期末考核两阶段，评价形式包含线上评价和线下评价;阶段考核贯穿整个课程期间，考核方式包括课堂小测试、学生提问、虚拟仿真实验汇报、线上答疑、作业完成度等;期末考核采用试卷考试。

2. 多样化测试手段

利用雨课堂、QQ群、问卷星等多媒体，评价学生知识的掌握情况;利用虚拟仿真平台、计算机编程等信息技术，评价学生对知识、技能的运用情况;利用课后大作业、课程设计、期末考试等测验手段，真实评价学生对知识、技能的理解情况。

3. 多途径跟踪反馈

除学校教务系统中的学评教、教评教外，同时采用问卷星小程序对教学效果跟踪反馈。来自多个专业的学生对教学效果给出了90%以上的正向评价，认为基于虚拟仿真的智慧化教学模式激发了对课程的兴趣、有助于加深对相关知识的理解，对教学效果表示满意。

4. 详细化评价标准

在阶段考核和虚拟实验操作考核中提供清晰合理的评价规则和标准，积极创造学生自我评价和同伴互评的机会。其中阶段考核主要是从课程小测试、学生提问情况、虚拟仿真实验得分、线上答疑和作业完成度五个方面进行考核，每项得分占总成绩的10%。

课程小测试主要借助雨课堂、超星、智慧树等教学辅助平台进行测试;学生提问主要是通过学生的课前、课中的学习，从发现问题-提出问题-分析问题三个层面进行考核;虚拟仿真实验得分主要是根据学生实验任务完成度、基础理论掌握情况、实验流程合理性、实验操作流畅性、实验纪律、实验汇报、测评考试以及实验结果分析汇报等方面进行考查;线上答疑主要是利用线上资源解决课程中遇到的问题，例如通过文献调研、视频学习等对开放性题目的完成情况;作业完成度主要是统计平时的课后作业、大作业、课程设计等是否保质保量完成。

五、实施效果

基于虚拟仿真的智慧化教学模式近几年在教学中应用效果良好。使用虚拟仿真的智慧化教学模式之后（水工16级之后）：在认知目标层次上，水电站课程期末平均成绩80分以上，目标达成度0.85以上，良好率逐年提升（图1、图3）;在技能目标层次上，课程设计完成情况逐年稳步提升，成绩良好率逐年提升（图2），学生技能达成度增加显著;在素养目标层次上，毕业生从事水电站相关工作，解决综合性复杂工程问题能力提升，得到用人单位广泛好评，供需比连续三年超过1：2。

六、结束语

基于问题导向，突出学生中心、关注产出实效，发挥科研反哺优势，基于自主研发的虚拟仿真实验构建的智慧教学模式，既保证了水电站课程教学目标的达成，又突出了教与学过程的针对性、亲和力、时代性、感染力，极大程度激发了学生的学习兴趣与热情，使传统专业焕发新生机。同时通过如盐化水式思政融入，增强了学生专业自信与家国情怀，课程教学中采用的讨论式、翻转式等教学方法提高了学生批判创新意识，锻炼了解决多学科交叉复杂性工程问题的能力。

1. 引入计算机编程技术，培养学生通过数值模拟计算解决水电站中水轮机选型、引水系统设计、调节保证计算等工程技术问题的能力。

2. 通过自主研发水电站三维虚拟仿真平台的开放式教学实训系统，支撑学生进行线上线下的自主学习研究，进行水电站工程认知、水锤规律学习、工程调控措施选择、复杂问题探索性研究等。

3. 根据新时代对大学生发展的需求，借助信息技术构建了“三多一细”的教学评价体系，包含多元化评价方式、多样化测试手段、多途径跟踪反馈、详细化评价标准。

4. 构建综合智慧教学体系，利用线上资源解决教学内容问题，“转动+翻转”课堂解决教学方法问题，并将最新科研成果渗透到教学过程中，充分调动学生解决水电站相关工程问题的积极性。

参考文献：

[1]教育部关于印发《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》的通知[Z].2012-03-13.

[2]蔡宝来.教育信息化2.0时代的智慧教学：理念、特质及模式[J].中国教育学刊，2019（11）：56-61.

[3]张静，程良伦，丁磊.智慧教学对预警学生的精准学习服务及教学效果探讨[J].高教学刊，2021（6）：112-115.

[4]王永为，高亚贤，郭森，等.OBE理念下高校课堂教学质量评价指标的构建研究[J].创新创业理论研究与实践，2021（3）：149-151.

[5]安寧，鲁立军，齐瑞红，等.OBE理念在智慧教学环境建设中的现实意义研究[J].工业和信息化教育，2020（11）：114-118.

[6]王运武.智慧教育的多维透视——兼论智慧教育的未来发展[J].现代教育技术，2020（2）：21-27.

[7]张国强，陈峻，王昊，等.工程教育认证背景下“交通控制与管理”课程达成度评价研究与实践[J].东南大学学报（哲学社会科学版），2017（S2）：150-153.