水利工程虛擬仿真實驗教學中心的建設

楊建華， 姚 池， 劉成林， 蔣水華

(南昌大學 建筑工程學院， 江西 南昌 330031)

《國家中長期科學和技術發展綱要》(2006—2020年)強調了“水資源優化配置與綜合開發利用”，2011年政府作出了關于加快水利改革發展的決定。新形勢下，我國水利行業正在從傳統水利向現代水利、可持續發展的水利轉變。資源節約、環境友好型的水利工程開發建設離不開大量基礎扎實、工程素養高、實驗與創新能力強的高級工程技術人才。我國水利工程專業在開展實驗教學過程中普遍存在專業綜合實驗條件缺乏、學生實驗訓練不足等問題[1-3]。隨著計算機和信息技術的發展，虛擬仿真技術已在水利工程的建設與管理領域逐步推進[4-7]，結合高等教育信息化建設開展的虛擬仿真實驗教學中心建設為緩解水利工程專業實驗教學難的問題提供了一個重要途徑。

1 實驗教學面臨的主要問題

1.1 缺乏專業課綜合實驗

國內水利工程專業開設的實驗項目多圍繞“水力學”“土力學”“建筑材料”等專業基礎課而設置，而與“水工建筑物”“水利工程施工”等專業課相關的綜合性實驗，如重力壩斷面應力模型實驗、土石壩滲流模型實驗和消力池消能防沖模型實驗等則偏少，部分高校甚至完全沒有條件開展相關的綜合性實驗，少數已開展的綜合性實驗項目也僅限于教師演示、學生觀看階段。

綜合性實驗以實際工程問題為背景，是多門課程的有機結合，突出了各門課程知識間的內在聯系，有利于培養學生的工程素質和實驗能力。專業課綜合實驗的缺乏致使學生的動手操作能力、分析和解決實際工程問題的能力得不到應有的鍛煉，在一定程度上影響了水利工程專業學生工程素質和實驗能力的培養。

1.2 缺乏開放的探索性實驗

以本專業的“水力學實驗”課程為例，一般高校會設置畢托管測流速實驗、文丘里流量計實驗、雷諾實驗等10個左右的實驗項目，其中大多數是關于流體連續性方程、能量方程、動量方程等經典理論的驗證性實驗，缺少以學生為主體進行設計的探索性實驗。在驗證性實驗過程中，學生只需要按照實驗指導書中規定的實驗步驟完成簡單操作、記錄測量數據，而后通過一般性的計算處理驗證相關理論的正確性即可。驗證性實驗完成的是具有“普適性”的“規定動作”，從而導致學生被動地參與實驗，缺乏對實驗現象和本質的思考分析。學生在實驗過程中無力改變實驗的初始條件和邊界條件，極大地制約了學生個性化的設計思想和實驗操作，不利于學生創新思維的培養。

1.3 實習以參觀為主

水利工程專業的生產實習和畢業實習是培養學生專業素質、動手能力和解決實際工程問題能力的重要實驗教學環節。由于高校招生人數增加、實習經費短缺，并出于安全管理的需要，學生實習時間被嚴重壓縮，本該3～4周完成的生產(畢業)實習被壓縮至3～4天。在如此短的時間內，學生熟悉水工建筑物的結構構造、施工工藝尚且困難，更別提親身參與生產實驗。此外，水利工程施工周期長，施工現場環境復雜、危險性高，企業基于生產任務和安全責任考慮，不愿意接受學生進入施工現場進行實習。因此，大多數高校只能選擇已建成的水利工程進行參觀式實習，且參觀地點僅限于工程表面，學生無法認識地下廠房結構、壩體內部構造等隱蔽工程。

整體上，目前我國水利工程專業的生產(畢業)實習學生參觀多、參與少，聽講解多、討論少，遠眺多、接觸少[1-3]。這種實習模式下，學生只能獲得感性上的膚淺認識，不能直接接觸工程建設與管理中的實際問題，難于從深層次理解理論與實驗相結合的生產過程，因而不能鍛煉和培養學生運用所學知識分析和解決實際問題的能力，以及實驗創新能力。

2 虛擬仿真實驗教學的必要性

2.1 虛擬仿真實驗概述

虛擬仿真實驗(室)于1989年由美國William Wolf教授最早提出，是指綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等技術，通過構建逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果。與傳統實驗教學相比，在涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，虛擬仿真實驗教學更具有明顯的優勢[8-14]。

近年來，虛擬仿真技術迅速發展，已在水利工程的勘測、規劃、設計、施工、運行與管理等環節中得以運用，這為水利工程專業開展虛擬仿真實驗教學提供了必要的技術條件支撐[4-7]。

2.2 虛擬仿真在實驗教學中的作用和意義

虛擬仿真技術引入水利工程專業實驗教學，有助于培養學生的工程實驗能力和創新意識 (見圖1)。

圖1 虛擬仿真在實驗教學中的作用

2.2.1 降低實驗成本

實驗設備、場地、經費等方面的不足是限制高校開展水利工程專業綜合性實驗的主要原因。虛擬仿真實驗平臺基本沒有材料損耗，極大地降低了實驗成本。學生可根據綜合性實驗項目的要求，利用所學的專業知識對實驗內容進行設計、計算分析和優化。同時，虛擬仿真實驗突破了傳統實驗時間和場地的限制，學生可在實驗課時間之外進行各種實驗工況設計，反復操作，從而使學生在知識運用能力、獨立解決問題能力等方面得到全面提升。

此外，將實際的水利工程項目轉化成虛擬仿真實驗教學內容，通過“實戰型”項目演練，培養學生的工程素質和實驗能力，能夠為企業輸送“來之能戰”的合格畢業生。

2.2.2 具備容錯功能

在傳統的實驗教學中，由于實驗資源有限及實驗風險控制，學生只能按照教師的演示或實驗指導書按部就班地進行驗證性實驗操作。在虛擬仿真實驗平臺營造的安全虛擬實驗環境中，教師和學生不必擔心實驗風險，學生可根據自身的理解和思考多次改變實驗邊界條件進行操作，抑或是重新設計符合要求的實驗方案、靈活加入多種探索性實驗內容，進而調動起學生主動參與實驗的熱情，引導學生進行創新性實驗研究，培養學生的創新意識和思維。

通過虛擬仿真實驗平臺，將科研項目轉化為實驗教學內容，通過科研項目訓練向學生傳授科研理念、科研方法，使學生了解本領域的科技最新發展和學術前沿動態，從而激發學生科研興趣、啟發科研思維，培養學生科學研究和創新能力。

2.2.3 突破時空限制

針對傳統實習中學生不能多視角觀看水利樞紐布置、水工建筑物結構構造的問題，水利工程虛擬仿真實驗平臺沉浸式漫游功能和交互式操作功能，可徹底打破空間的限制。學生通過對鼠標鍵盤的操控，將自己置身于虛擬的環境中，身臨其境地實現水利樞紐、大壩、廠房的全景、透視、自主參觀。針對傳統實習學生不能動態了解水工結構施工工藝和運行原理的問題，水利工程虛擬仿真實驗平臺可在短時間內三維再現土石方開挖、大壩澆筑、機械設備安裝、電站運行等過程。最為重要的是，學生可以自主動手配置、調用虛擬的機械設備模擬土石方開挖、大壩澆筑等過程；也可以通過建立設備操作控制盤，對電廠設備的啟閉過程進行操作演練，熟悉電站正常運行、事故處理的方法、內容和步驟等。這在一定程度上彌補了傳統實習中學生不能親自參與工程建設與管理的問題，增強了學生解決生產實際問題的能力。

3 虛擬仿真實驗教學中心建設

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容。為有效緩解水利工程專業實驗教學難的問題，培養學生的工程實驗和創新能力，我校在江西省高校實驗教學示范中心——水利工程實驗中心的基礎上，目前正在建設水利工程虛擬仿真實驗教學中心(簡稱虛擬中心)。

3.1 建設理念與思路

我校在虛擬中心的籌備和建設過程中，以提高學生實驗能力和創新意識為宗旨，以緩解人才培養目標與當前實驗教學模式之間的矛盾為導向，堅持“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，按照“頂層設計、以虛促實、開放共享”的理念，進行虛擬實驗室建設和管理。

3.1.1 頂層設計

虛擬中心的建設主要是為本科教學服務，因此確立的建設思路是立足教學，按照水利工程專業培養大綱要求規劃虛擬仿真實驗教學內容，虛實結合、科教融合、校企聯合，共同構筑水利工程專業高層次人才培養的實驗教學體系。

為適應新的發展需求，我校水利工程專業2016年培養方案設置了4個專業方向:水資源規劃利用與流域治理、水利工程結構設計、水利工程施工與建設管理、水利工程運行與城市水務。水利工程虛擬仿真實驗教學平臺包括4個模塊對應這4個專業方向，如圖2所示。虛擬仿真實驗的內容主要定位于專業綜合性、設計性實驗，并獨立設置相應的虛擬仿真實驗課程和學分，納入實驗教學課程體系。

圖2 水利工程虛擬仿真實驗教學課程體系

3.1.2 以虛促實

虛擬仿真實驗教學固然有其鮮明的特色和優勢，但其缺點和不足也同樣突出，如它降低了學生對實物的認識和感知、降低了學生對實驗誤差的分析能力等。以虛代實的實驗項目過多會造成學生避實就虛、眼高手低的弊端。因此，實體實驗教學環節不可完全替代，彌補、鞏固和促進實體實驗教學是虛擬仿真實驗教學的發展方向。

中心秉承“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，在堅持建設發展實體實驗教學的同時，將實體實驗與虛擬實驗緊密結合，或將虛擬實驗作為實體實驗的預備項目，來提升實體實驗教學的效果。如對于大型綜合性實驗，可以通過實體演示實驗與虛擬仿真實驗結合；對于實習，可先在虛擬仿真平臺進行三維漫游和虛擬操作，而后帶著疑問與問題進入工程現場實習，做到實習目的明確、有的放矢。

3.1.3 開放共享

虛擬中心的建設不可能一蹴而就，要在建設中使用、在使用中完善。虛擬中心的虛擬實驗項目內容是開放的，教師可根據教學需要或結合自身的科研生產項目開發新的實驗項目，學生可結合參與的水利創新設計、大學生創新創業訓練項目等設計新的實驗內容。虛擬實驗教學的形式也是開放的，時間上，學生可以全天候預約選擇實驗時間；空間上，學生可利用網上虛擬仿真實驗系統在個人計算機上進行虛擬實驗操作。

優質實驗教學資源共享是虛擬中心建設的核心。虛擬中心的建設將在滿足本校相關專業學生學習的同時，為校外師生、研究人員及相關企業人員提供實時遠程教學服務。虛擬中心的建設也要借助于其他單位提供的共享資源，特別是在建設的起步階段，為避免建設進度慢而影響學生能力培養，暫時選擇有償使用其他高校或企業的虛擬仿真實驗平臺。

3.2 實驗教學課程體系建設

根據新形勢下水利工程專業的人才培養需求，中心確立了“立足教學、科教融合、面向工程”的虛擬仿真實驗教學理念，旨在將高水平科研成果和重大工程實驗轉化為實驗教學內容，將工程理念與科學研究方法融入到實驗教學訓練中，培養學生的工程實驗能力和創新意識。按照“先基礎、后綜合、再創新”的人才培養規律，以及本專業的4個方向設置，形成了“三層次、四模塊”的虛擬仿真實驗教學體系(見圖2)。

“三層次”是將實驗教學內容劃分為基礎訓練型、綜合設計型和科研創新型。基礎訓練層次主要包括專業課教學大綱所規定的基本型實驗以及認識實習，目的在于加強學生對水利樞紐、水工建筑物的認識，強化對基礎理論知識的理解與掌握。綜合設計層次主要包括教學大綱中規定的綜合型實驗、設計型實驗、生產(畢業)實習和畢業設計等，該層次以實際工程問題為背景，著力進行專業知識運用于工程實驗的技能訓練。科研創新層次面向學科和行業發展前沿，讓部分學有余力的學生參與個性化創新型實驗或科研項目訓練，著力培養學生科技創新能力，在加強面上培養的同時實現點上突破。

不同層次、不同模塊的實驗教學內容相互交叉、融合，形成多元化的虛擬仿真實驗教學內容，共同構成水利工程專業虛擬仿真實驗教學課程體系，可滿足不同方向的學生從基礎技能訓練、綜合技能訓練到研究創新能力培養的要求，體現了專業工程實驗型和創新型人才培養的目標。

3.3 虛擬仿真技術在實驗教學中的具體應用

中心經過第一階段的建設，已實現了水利工程專業虛擬仿真實驗教學的部分功能，如完成了水利工程關鍵施工過程的虛擬仿真。圖3為地下隧洞開挖過程仿真，學生在場景、聲音的引導下，熟悉地下隧洞鉆孔爆破、通風灑水、出渣、噴錨支護、管線安裝等一系列施工作業。學生在赴現場實習前進行虛擬仿真教學訓練，加深了學生對工程現場的認識和理解。從近2年實施的情況來看，實習教學效果大幅提高。

圖3 地下隧洞開挖過程虛擬仿真

水利工程虛擬仿真實驗教學中心現擁有Ansys、Abaqus、Midas、Pfc、Fluent等數值仿真軟件和可開展大型數值計算的服務器。近年來，學生基于這些大型

數值計算軟件，在教師的指導下進行仿真分析和輔助設計，顯著提高了課程設計和畢業設計的質量，并在仿真優化分析的基礎上制作實體模型，參加各類創新設計大賽，取得了優異的成績。

4 結語

為了緩解傳統實踐教學實踐性不強的問題，更好地適應新形勢下水利企業對實踐型、創新型人才的需求，我校水利工程專業將虛擬仿真技術引入實踐教學環節，按照“頂層設計、以虛促實、開放共享”的理念，建設“層次化、模塊化、多元化”的虛擬仿真實踐教學體系和教學資源，培養學生的工程實踐能力和創新意識，以實現高校人才培養與企業人才需求之間的“無縫連接”。目前，我校水利工程虛擬仿真實驗教學中心仍須大力發揮科教融合、校企聯合的優勢，開發更多的實踐教學資源，同時須加強人才隊伍、運行管理體制與服務體系的建設，以提高中心的建設水平。

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