水利信息可視化技術教學模式探索與研究

楊海波 張曉慶

摘 要：隨著信息技術的發展，水利專業化知識急需和虛擬仿真技術進行深度融合促進教學與實踐。以培育創新能力與增強工程實踐為導向，建立“應用+前沿”的課程大綱，建設基于仿真教學平臺的教學模式，擴充工程案例作為三維的“活教材”激發學生的實踐認知能力，嚴格把握以仿真課程設計為控制目標的考核模式，以科研項目促進教學基礎知識深化與創新能力培養增強。基于虛擬現實的水利信息可視化技術仿真教學模式探索與研究，將為水利工程教學、人才培養、虛擬仿真實驗教學中心建設、乃至學科發展提供重要的支撐。

關鍵詞：水利信息；可視化技術；水利工程；虛擬仿真；實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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

傳統的教學觀念主要是“傳道、授業、解惑”，這種教學方法是以教為主，學生始終處于被動的學習環境中，現代化的教學方法要求改變傳統的課堂講授式為啟發引導式，賦予學生學習的主動性[1]。隨著信息技術的發展，將虛擬現實技術引入到教學中，構建基于虛擬仿真教學平臺，可以創建逼真教學環境，從而為學生提供良好的人機交互功能[2]。虛擬仿真教學可以更高效的培養學生創新精神和實踐能力，共享優質實驗教學資源，進一步完善教學體系，整合相關學科的教學和人力資源[3]。越來越多的水利專業化的內容需要和信息技術進行深度融合。從專業發展對于人才培養的角度來看，越來越需要提高創新型水利人才與實踐型水利工程師的培養深度與效率。

一、虛擬仿真教學模式建設背景與意義

隨著虛擬現實技術迅猛發展，聯合多種手段，如三維模型、PPT、音像等，能提供界面友好、形象直觀的交互式學習環境，有利于發展聯想思維和建立新舊知識之間的聯系。基于虛擬現實技術的特點，它的實際應用在理工科的教學中比較廣泛。哈爾濱工業大學市政環境虛擬仿真實驗教學中心，可三維可視化顯示市政、能源設備內部構造及工藝流程等，可為環境工程和給水排水等本科專業提供直觀的教學輔助手段[4]。寧波大學和福州大學土木工程虛擬仿真實驗教學中心，包含工程結構、道路工程、給排水工程和水利工程等虛擬仿真實驗室。河海大學力學與水工程虛擬仿真實驗教學中心，開發了“創新研究型”、“專業實踐型”、“基礎擴展型”三大類虛擬仿真實驗項目，使學生通過在虛擬環境中開展實驗，提高了學生創新和實踐能力。

本校進行水利信息可視化技術仿真教學模式探索與研究的需求主要體現在以下幾個方面：1. 開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，旨在貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》精神和《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，推動高等學校實驗教學改革與創新，全面提高大學生的創新精神和實踐能力[5，6]。因此，若要開展虛擬仿真實驗教學中心的建立，尤其要加緊課程仿真教學模式改革的步伐。2. 水利信息技術作為一門相關新興的交叉學科，可以很好的結合最新的信息技術促進水利工程學科的發展，并逐漸起到尖兵作用。3. 水利信息可視化技術仿真是水利信息技術碩士專業和水利水電工程本科專業的主干專業必修課之一，開展水利信息可視化技術仿真教學模式探索與研究有利于整個學科教學水平的推進。

二、虛擬仿真教學模式建設思路與內容

水利信息可視化技術仿真教學模式探索與研究的整體思路如圖1所示。

本課程的教學研究內容如下所示。

（一）建立以培育創新能力與增強工程實踐為主導的“應用+前沿”課程大綱

根據水利水電工程專業工程教育認證相關的要求，教學模式要服務于人才培養模式。對于要培養具備扎實理論基礎與創新能力的科研型人才和動手能力強與工程實踐經驗豐富的應用型工程技術人才的培養方案，要求課程大綱也能滿足兩者的需要。增加目前在建筑與機械行業最前沿的“Building Information Modeling， BIM”，增加水利建筑的信息驅動內容，再進一步增強工程的全生命周期理論，為水利專業工程師和創新人才一體化培養方案的修訂奠定基礎。因而制定“應用+前沿”課程大綱，實行 “一體化教學”等，深化課程體系改革。明確把課程基礎知識、工程實踐素材、與科技前沿整合到課程大綱中。

（二）建立基于仿真教學平臺的教學模式

根據虛擬現實技術與水利工程教學緊密結合的思路，提出以仿真教學平臺為基礎的教學模式。如在學習各種類型的大壩模型（包括大壩的不同部件），總結各自的特點、要素、計算方法、差異性與關聯性等內容，及分析水利工程建筑物與地形相互關系等內容，結合二維CAD圖形以及相應不同部件三維模型與空間關系進行展開[7]。讓水利信息可視化技術仿真課程教學從傳統的“板述”到目前的“PPT”再進一步到“仿真教學平臺”這樣的一種教學模式。實現課程內容與仿真教學平臺內容設定的深度融合。

（三）擴充工程案例作為三維的“活教材”激發學生的實踐認知能力

通過收集目前國內外已建的水利工程公布的素材，包括前期規劃方案、修改方案、最終方案、設計資料（水文氣象、地質、工程單價等）、設計內容、設計進度、設計成果、施工相關文件、工程管理運行及維護等資料，構建三維工程“活教材”案例庫。通過仿真教學平臺擴展功能，增加相應的全生命周期功能，從而可以使學生學習已建工程從規劃-設計-施工-管理一整套的內容。擴展了實際工程現場實習時不能了解工程設計過程全貌，從而可以激發學生的工程實踐認知能力。

（四）基于仿真教學平臺的課程設計為控制目標的考核模式

對于水利工程可視化技術這一重要的專業課程，不僅強調常規考試來衡量學生撐握情況，更要抓住課程設計這一考核模式。通過仿真平臺中課程設計模塊設定不同內容與情景讓學生進行深度學習，并能把不同章節的內容進行有效的串起來，同時留有靈活性的自主設計的想法得以實現。從課程內容的重要性和關聯性角度，制定基于仿真平臺的課程設計內容與次序，并建立考核機制與要點。應用工作流程模式，對每一項課程設計環節進行布置，并設定評價調整理論學時和實踐學時比例。按照“基本能力→實踐能力→綜合能力”的實踐教學培養體系設定課程設計要點與考核指標，并進行綜合評價。

（五）以科研項目促進教學深化基礎知識與增強創新能力培養

讓學生參與或對具體的科研項目進行深入學習與分析，不僅能提高專業基礎知識的應用，更有利用對水利工程創新型人才的培養。把水利工程虛擬仿真項目劃分為地形地質仿真環境構建、水利工程建筑模型構建、水利設計方法知識庫構建、人機交互輔助設計等子任務，并進行子任務的解決方案制定，使之由淺入深、徐徐漸進，從而有利于學生進入研究狀態，不至太難而放棄。制定以研促教切實可行的方案，有效地提高學生的創新能力和組織協調能力。

三、結束語

水利工程乃至工程學科，具有很強的理論知識與實踐知識結合緊密的需求，同時也有信息技術深入融合的可行性與先天優勢。結合水利工程傳統知識與虛擬仿真技術，進行水利信息可視化技術教學模式探索與研究，從新型課程大綱、基于仿真教學平臺的教學、三維“活教材”工程案例庫、以仿真課程設計的考核模式、科研促進教學等內容，以培育創新能力與增強工程實踐為導向，促進了課堂教學與工程實踐的深入結合，學生們了解到水利三維設計及BIM的應用前景，掌握了相關的技能，提高了學生積極性和主動性及對水利工程大局觀與前沿性的認識，水利工程專業與水利信息技術專業的學生實踐動手能力和創新能力得到較大提高，從而推動了水利專業人才培養質量的提高，實現知識、能力、素質的協調發展。對水利工程教學、人才培養、虛擬仿真實驗教學中心建設、乃至學科發展提供重要的支撐。本項目的探索，促進更多課程進行仿真教學的應用和推廣。

參考文獻：

[1]李炎鋒，杜修力，紀金豹，等.土木類專業建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].中國大學教學，2014（09）：82-85.

[2]劉瓊，何潔凝，關冠恒，等.虛擬仿真實驗室對教學的作用研究[J].中國教育學刊，2015（S2）：318-319.

[3]劉華穎.淺談虛擬仿真實驗教學中心的構建[J].實驗科學與技術，2018，16（3）：150-152.

[4]劉育，孫連鵬，陳玉娟.環境工程虛擬仿真實驗項目建設[J].高教學刊，2018（15）：63-65.

[5]劉軍，施曉秋，金可仲.面向地方院校工程教育類專業的虛擬仿真實驗教學中心建設[J].中國大學教學，2017（01）：74-78.

[6]柳浩，萬新，朱光俊，等.虛擬仿真實驗教學探索與實踐[J].中國冶金教育，2016（06）：89-91.

[7]王巖.土石壩三維仿真教學系統關鍵技術研究[D].鄭州大學，2014.