水利水電工程專業虛擬仿真實驗教學平臺建設探析

魏 娜， 解建倉， 羅軍剛， 汪 妮， 黃領梅

(西安理工大學 水利水電學院，西北旱區生態水利工程國家重點實驗室，西安 710048)

水利水電工程專業虛擬仿真實驗教學平臺建設探析

魏 娜， 解建倉， 羅軍剛， 汪 妮， 黃領梅

(西安理工大學 水利水電學院，西北旱區生態水利工程國家重點實驗室，西安 710048)

信息技術的發展，對高等教育產生深遠影響，傳統的實驗教學模式正在成為制約現代水利人才培養的瓶頸。采用虛擬仿真技術，解決了傳統實驗教學中存在的環境復雜、成本高，以及部分實驗不可及等難題。分析了水利水電工程專業實驗教學存在的主要問題，探究了水利水電工程專業虛擬仿真實驗教學平臺建設的意義及前景。在此基礎上，初步提出了水利水電工程專業虛擬仿真實驗教學平臺的建設內容，為水利類專業學生實踐和創新能力的培養開辟了一條具有現代水利特色的道路。

水利水電工程專業； 實驗教學平臺； 虛擬仿真

0 引 言

隨著計算機與信息技術的飛速發展，物聯網+、大數據、云計算已經成為水利信息化應用研究的熱點，是傳統水利的主要方向，有力地促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革。2010年5月國務院審議通過的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010～2020年)》指出：“信息技術對教育發展具有革命性的影響，必須予以高度重視。”要求將高等教育與信息技術進行深度融合，對人才培養模式進行創新，從知識技能型向應用創新型轉變【1-5】。教育部2013年3月頒布的《教育信息化十年發展規劃(2011～2020年)》則從頂層設計入手，從宏觀戰略的高度提出了建立具有中國特色的教育信息化體系，建成人人可享有優質教育資源的信息化學習環境【6】。近些年，國內部分高校針對自身的教學與科研需求相繼開發了專業相關的虛擬仿真實驗，有力地推進了虛擬仿真實驗教學平臺的建設【7-10】。

綠色、安全、高效，是水利相關行業的共同愿景，其實現需要大量基本功扎實、工程素養高、實踐能力強的專業技術人才。水利行業水電工程專業所涉及的實驗教學課程多是面向水利水電、能源、水文水資源工程領域相關人才培養的核心課程。由于水資源的開發、利用和保護存在很大的不確定性，導致真實實驗環境復雜、實驗成本高，以及部分實驗不可及等現實局限。加之近年來，水利相關專業招生持續增多，使得該類實驗教學課程難以真實開展，或者難以達到教學效果，成為高素質水利技術人才培養的瓶頸。

本文借助計算機虛擬仿真技術，將以前無法實現的、不能開展的實驗，可以通過開展水利水電工程專業虛擬仿真實驗教學平臺建設，搭建安全、可靠、直觀、經濟的非常規實驗教學平臺，將虛擬現實技術、三維建模與可視化、數值模擬軟件、人機交互技術、數字地球平臺等技術相結合，解決在水利行業技術領域內，不具備和難以完成的真實實驗問題，是革新傳統教學方式、培養高素質水利技術人才的迫切需要，也是實現水利現代化的迫切需要。

1 水利水電工程專業實驗教學存在的主要問題

1.1 水資源系統的特殊性

水資源系統是受氣候變化和人類活動影響的動態演化系統，是一個人工-自然復合的復雜系統，空間上涉及到地上、地下、上下游、左右岸、干支流多個空間尺度，時間上涉及過去、現在、將來、長期、中期、短期多個時間尺度。跨區域、多目標、多尺度、動態性、復雜性的特點使得水資源的開發、利用和保護面臨很大的不確定性，迫切需要借助模擬仿真實驗來提高認識水平和決策的科學性。

1.2 專業培養的緊迫性

加強實踐教學環節，培養創新型復合人才是水利水電工程專業人才培養的核心內容。水利水電工程專業要求學生學習掌握水資源的工程勘測、規劃、設計、開發利用和保護等方面的基本理論與技術，其教學實踐性很強。如何通過實驗教學全面提高學生的創新實踐能力是迫切需要探索和解決的問題。需要通過實驗教學平臺的建設，對學生進行多層次、全方位的綜合訓練，獲得可視化的認知效果，增強學生對知識理解的系統性。

1.3 真實實驗的局限性、實驗成本高

由于水資源系統的特殊性，小尺度微觀機理可通過真實實驗來實現，大尺度宏觀規律或機理真實實驗則無法實現，如梯級水庫群調度、區域性水資源配置、跨流域調水、洪水淹沒模擬等。這些真實實驗環境復雜、成本高，難以實現，學生對這些教學內容的本質認知比較抽象。需要采用真實實驗、虛擬仿真實驗和現場實踐相結合，完成實驗項目內容，在達到相同教學效果的前提下，大大降低開展真實實驗的成本和消耗。

2 水利水電工程專業虛擬仿真實驗平臺建設意義及應用前景

2.1 建設意義

現代信息技術的發展趨勢表明，高素質水利技術人才的培養是我國當前國民經濟發展潛力提升、國家可持續發展的重要任務之一。構建水利水電工程專業虛擬仿真實驗教學平臺，既能彌補現有真實教學無法實現、不能開展等現實局限，破解制約水利人才培養的實驗教學難題，又能反映當前水利技術相關領域內重要進展及主要方向，實現了理論教學、前沿拓展和實踐教學的高效有機融合。

(1) 學生層面。開展系統深入的本科虛擬仿真實驗教學，彌補了實踐性教學的不足，克服了真實實驗的局限性、成本高等問題，填補了真實實驗無法實現的教學實驗項目，為深入系統開展本科實驗教學創新及培養學生創新實踐能力奠定了堅實的基礎。

(2) 教師層面。圍繞水利類專業各環節中的實驗需求，綜合應用虛擬現實技術、動態建模、三維動畫技術、數值模擬軟件，數字地球平臺等，強化全過程特色，構建了水資源的工程規劃、開發、利用、保護全過程的虛擬仿真實驗，完善了實驗教學體系、革新教學方式，實現了水資源開發利用全方位虛擬仿真實驗教學。

(3) 學校層面。平臺建設以全面提升學生創新精神和實踐能力為宗旨，大力發展和共享優質實驗教學資源，在建設過程中強調以創新意識為中心的個性發展，形成以興趣為導向、信息平臺為支撐的創新人才培養機制，提升教育教學水平。此外，與其他學校開展交流合作，將本校的虛擬實驗資源進行推廣應用，擴大了行業影響力。

(4) 社會層面。推動以協同創新為核心的全面創新，基礎在教育，其關鍵是培育具有創新精神、創新能力的人才。借助虛擬仿真技術，搭建網絡學習平臺，拓寬水利類專業學生獲取知識信息資源的渠道，提高獲取知識信息資源的效率，提升水利行業信息化水平，以信息化帶動教育現代化【11】。

2.2 應用前景

平臺的建設考慮了教學資源的共享要求，具備高度的共享機制，高校、企業等使用單位經過授權后可使用相關的教學資源。

(1) 面向校內共享。平臺除了正常教學安排的專業課程實驗外，面向全校本科生開放。申請人提出實驗請求之后，可遠程獨立操作完成實驗項目，或由指導教師在后臺輔助完成并反饋實驗結果。為跨專業選修實驗、科技創新實驗、水利創新設計大賽、科研訓練計劃、自選興趣實驗以及部分畢業設計等提供實驗條件和技術支持，有效促進相關專業、學科交叉、融合發展。

(2) 面向國內同類高校共享。平臺建立面向國內水利專業高校的門戶網站，比如清華大學、武漢大學、河海大學等，提供通過門戶網站直接開展實驗項目的通道，將實驗教學改革的成果及資源與行業高校共享，在實驗教學研究與人才培養方面相互交流，保證虛擬仿真實驗教育資源的最大利用率。

(3) 面向企業共享。平臺本著“校企合作，充分發揮企業技術優勢”的建設理念，在已有的企業合作共享實驗資源的基礎上，積極開展與國內外知名公司的合作，通過校企聯合合作，擴大實驗室受益面，引進先進的技術和設備，培養和鍛煉教師隊伍，促進產學研的發展，為校企共同服務的同時，創造更多的社會和經濟效益。

3 水利水電工程專業虛擬仿真實驗教學平臺建設內容

水利水電工程專業虛擬仿真實驗教學平臺建設依據“科學規劃、突出重點、資源共享”的原則，承擔了“水電能源利用與管理”“水利水能規劃”“水電站水庫群優化調度”“水資源開發與利用”等相關課程的實驗教學任務，采用計算機網絡、大數據、云服務等新興技術，對真實水利工程的勘測、規劃、設計等進行可視化的模擬仿真，通過反復互動操作，激發學生自主學習和研發能力，提高學生參與實驗的熱情和效果。建設內容包括以下幾方面：

(1) 水庫調節計算虛擬仿真實驗教學系統。水庫調節計算虛擬仿真實驗教學系統是基于綜合集成平臺，通過信息化手段，運用組件和系統網絡知識圖技術，將多種水庫調節計算方法綜合應用，構建數字化虛擬仿真實驗教學系統【12-15】。主要包括水庫興利調節計算、水庫多年調節計算、水庫典型年法調節計算、基于試算法和半圖解法的水庫洪水調節等功能，使學生通過計算機實踐掌握水庫調節計算方法的基本原理和算法，加深對水庫調節計算相關概念理解的目的。

(2) 水電站水能計算虛擬仿真實驗教學系統。水電站水能計算虛擬仿真實驗教學系統以信息化技術為支撐，針對水電站水能規劃設計所涉及主要任務，結合水電站的工作特點和運行方式，綜合分析確定水電站的主要參數。主要包括水電站等流量調節計算、等出力調節計算、水電站多年平均發電量計算，水電站裝機容量及保證出力推求等。使學生在掌握水能計算基本方法的基礎上，結合水電站的調節性能及綜合利用要求，系統學習水電站調節計算基本過程。

(3) 水庫調度虛擬仿真實驗教學系統。水庫調度虛擬仿真實驗教學系統是將計算機網絡、知識圖可視化等新興技術互相融合，對真實水庫調度及其相關規則方法進行模擬仿真。主要包括水庫調度圖的繪制、基于調度圖的水庫調度、水庫防洪調度、發電調度、供水調度和錯峰調度等功能，使學生了解整個水庫調度系統所涉及的跨流域、多目標、多尺度等特點，提高解決問題和創造性思維的綜合能力。

(4) 水電站經濟運行虛擬仿真實驗教學系統。水電站經濟運行虛擬仿真實驗教學系統采用知識圖技術、組件技術、云服務計算模式等，對真實水電站經濟運行進行模擬仿真。主要包括水電站以水定電、以電定水、水-電協調運行等不同方式的運行過程，以及水電-風電聯合調峰、水電站節能評價等功能，使學生了解如何提高水電站經濟運行水平，進行廠內短期、中長期水電站經濟運行，編制水電站運行調度方案，掌握水電站經濟運行的基本內容和方法。

4 結 語

水利水電工程專業虛擬仿真實驗平臺以培養創新實踐性人才為目標，以課程教學內容為主題，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，順應了教育信息化的發展趨勢和現實需求。平臺的建設不僅提升了水利及其相關專業實驗教學的整體水平，也是爭創國家級實驗教學示范中心的重要組成部分。將虛擬仿真技術應用到水利水電工程專業實驗教學中，解決了傳統實驗教學的局限性，為水利類人才的培養開創了一條特色之路。

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ResearchonConstructionofVirtualSimulationExperimentalTeachingPlatformforWaterResourcesandHydro-electricEngineering

WEINa,XIEJiancang,LUOJungang,WANGNi,HUANGLingmei

(Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The development of information technology has a profound impact on higher education. Traditional experimental teaching mode has been the bottleneck that restricts the cultivation of modern water conservancy talents. The problems in traditional experimental mode, such as complex experimental environment and high cost, can be solved by introducing the virtual simulation technology. The main problems in the experimental teaching mode of water resources and hydro-electric engineering areexplored and the significance and application prospect of constructing virtual simulation experimental teaching platform for water resources and hydro-electric engineering areanalyzed. On this basis, the paper puts forward preliminary construction content of the teaching platform, which canopen up a way with modern water conservancy characteristic for the cultivation of practice and innovation abilitiesfor students.

water resources and hydro-electric engineering; experimental teaching platform; virtual simulation

G 482；TP 393.01

A

1006-7167(2017)11-0169-03

2016-12-12

國家自然科學基金項目(51679186，51679188,51709222)；西安理工大學教學研究項目(xqj1613)；陜西省高等教育教學改革研究項目(15BY35)；西安理工大學人才引進項目(104-451016005、2016ZZKT-21、104-451116012)

魏 娜(1987-)，女，陜西延安人，博士，講師，從事水資源管理與水利信息化方面的教學與科研工作。

Tel.：15891490410;E-mail: 844787598@qq.com