基于虛擬仿真教學平臺的水利工程類實踐教學應用研究

金斌斌　馬繼俠　張舒羽

【摘要】以能力本位為施教理念，秉承“能實不虛、虛實結合、優勢互補”的設計原則，引入虛擬仿真技術，構建水利工程虛實互補實踐教學體系，解決水利工程類實踐教學受時空限制等問題。通過創設立體化情境式教學，提高學生實踐教學的真實感，提升學生的學習興趣和學習自主性;配合教學管理平臺開展混合教學、基于實踐操作軌跡開展精準教學評估，提升實踐教學質量。

【關鍵詞】教學改革;虛擬仿真;實踐教學

引言

水利工程類專業實踐教學存在一定的難度。究其原因，主要有三個方面：①水利工程的空間體量巨大，無法將實際工程搬入學校隨時操練;②大部分水利工程位于偏遠地區，赴現場教學耗時長;③實踐教學內容、處理方法手段等隨水文、氣象等條件變化而調整，難以重現。導致實踐教學受時空限制，部分教學內容想看看不了、想做做不了、做了做不全，無法將知識點系統化，容易產生“管中窺豹”的弊病。伴隨著信息化技術的飛速發展，運用現代信息技術改進教學方式方法，推進虛擬工廠等網絡學習空間建設和普遍應用，為高職水利工程類課程實踐教學手段改革提供了新思路。

1思路與設計原則

傳統實體教學兼具視覺、聽覺、嗅覺感官體驗和觸感、力度等操作體驗，應優先考慮。虛擬仿真教學是對傳統教學方法和手段的革新。虛擬現實技術通過模擬感官體驗的外部設備，建立一個逼真的三維虛擬世界，提供參與者真實的沉浸感體驗。虛擬仿真教學應將重點放在實體實踐難以實現的技術技能教學中，發揮虛擬仿真對教學的補充、替代功能，秉承“能實不虛、虛實結合、優勢互補”的設計總原則，并考慮直觀性、交互性、輕量化、方便性的原則，充分滿足線上線下、課內課外混合教學需求。

2平臺建設與教學實施

（1）建設基于典型水利工程的虛擬仿真實踐教學資源

水利工程教學應緊跟行業發展趨勢，符合實踐教學規律和技術技能型人才成長規律。選取典型水利工程，收集工程設計圖紙、工程與周邊環境圖像，構建三維仿真模型，虛擬工程現場。與水利行業、企業人員深入溝通交流，具像化典型崗位職責、工作內容和技術要點，聚焦實體教學中看不到、做不了、難再現、操作難度高、操作危險性大的工作內容，校企合作，共同編寫操作腳本、開發人機交互虛擬仿真教學資源。既與實際水利工程問題高度對接，又滿足高職教學需求和教學規律。

（2）構建“模塊化、層次化”虛實互補實踐教學體系

高職教育培養的是面向生產、管理、服務第一線具備綜合職業能力和全面素質的高級技術技能型實用人才，須以能力本位作為施教理念，培養并強化實際工作的職業核心。因此在教學體系設計時，要以學生工程執業能力培養為核心，根據模塊化教學和專業能力遞進培養需求，以實體教學實訓為主導，以虛擬仿真教學為補充，構建“模塊化、層次化”水利工程技術實踐教學體系。

根據課程設置梳理教學內容，設計工程認知、安全教育、質量檢測、施工技術等課程教學模塊，分塊教學。根據專業能力遞進培養設計分層項目，由簡到難分為基礎層向技能層遞進、技能層向綜合能力層遞進，綜合能力層內部階梯遞進等多個層級。基礎層以專業認知能力培養為目標，幫助學生形象掌握專業基礎知識、強化作業安全意識;技能層以強化測量、制圖、質量檢測等單項專業技能為目標，通過層內模塊化教學教學實踐，培養學生專業基本技能;綜合能力層級以技能工種鑒定考證和崗位升遷形式，施工管理模塊設技術員（施工員/安全員/質檢員/造價員/材料員）、部門技術負責和項目經理三個層級，運行管理模塊設初級工、中級工、高級工、技師和高級技術五個層級。以層級遞進的形式，逐步加深學生對專業知識的理解和對專業技術技能的掌握，以滿足實際生產崗位對專業人才的技術技能要求。

（3）開展“互聯網+虛擬仿真”混合教學實施

依托可承載數字化資源和虛擬仿真軟件的教學云平臺，與虛擬仿真實訓平臺聯合，打造“互聯網+虛擬仿真”教學管理平臺，創新以教師為組織者，以學生為主體的線上線下混合教學模式。教師提前完成資源導入，創設工作情境，設置單元教學目標，發布工作任務;課前布置學生學習專業知識、了解基本技能操作;課中引導學生自主分工、合作開展實踐操作，啟發式組織學生分析討論，梳理工作過程，掌握工作要點;課后在線答疑、點評作業、組織考核。學生積極主動參與課程教學全過程，課前通過學習地圖指引，完成線上自學和虛擬仿真單項訓練;課中開展生生互動、師生互動，團隊協作完成學習任務，掌握專業知識、熟練實操技能;課后完成作業和考核，結合學習進度逐步完成層級遞進。

依托教學管理平臺，有效實現對場景、功能、資源、師生的聚合和對知識學習過程數據、技能實訓操作痕跡、教學實施過程軌跡的采集，實現“理論教學、虛擬仿真、實物實訓、鞏固考核、統計評價”等教學環節全過程協同管理、閉環控制。通過多維度、多層次的數據統計報表和分析，還能精準評估學生個體、班級整體學習效果，助力教學反思與改進。

3虛擬仿真實踐教學改革效果

（1）解決了水利工程類實踐教學載體難入課堂現象

虛擬仿真技術實現了水利工程全景三維呈像，結合圖紙可以看到隱蔽工程、水下工程，也能任意旋轉、剖開工程結構，晦澀難懂的工程圖紙有了實體對比，提高了學生對工程圖紙的識讀能力。部分水利工程險情和設備故障，在現實工程中不允許出現、出現即處理，無法留待學生實踐操作;運行管理工作隨天氣、水位變化處理方法不同，施工管理要做到雨季防潮、夏季降溫、冬季防凍等，一門課程的教學時間有限，無法同步開展教學實施。虛擬仿真實訓平臺通過模型呈現、時間進度控制、人機交互操作等，將上述問題輕而易舉的加以解決，充分體現出它的優勢和價值。

（2）解決了實訓資源不足和實訓成本消耗問題

隨著科學技術的發展，實驗實訓設備更新迭代速度快，受資金和場地影響，部分高校新增儀器、設備的臺套數量不足，導致實踐教學分組人數過多、實驗周期超長，嚴重影響了實踐教學效果。考慮實訓耗材和實訓室管理成本節約，實體實訓開展次數有限，部分學生難以沒有完全掌握技能、更不用提熟練掌握。虛擬仿真技術是解決上述問題最理想的措施，學生可以獨自操練，也可分組多人實訓，可以反復操練而不增加耗材費用，為學生提高技能水平提供了良好的實訓條件。

（3）實現了隨時隨地開展技能訓練的要求

教學管理平臺有導學、有演示，可師生互動、在線答疑，能即學即練、即學即考，學生可隨時隨地登陸虛擬仿真實訓平臺學習、訓練。有助于激發學生學習興趣、激勵學生學習自主性，學生可以自行規劃學習時間和進度，提高碎片時間利用率。借助教學管理平臺考核體系，為師生提供教與學的有效評估，形成了教與學的有機統一。

4結語

虛擬仿真教學平臺基于信息技術、智能技術，創建與真實工作場景近似的虛擬環境，通過立體化情境式教學，使學生產生介入真實工作的感覺，可以更直觀地體驗工作過程、更深刻地領悟職業素養需求，是提升課程教學質量和水平的重要舉措。當然，現有的虛擬仿真實訓平臺還存在情景模擬不夠逼真、多人協同作業實現難度大、虛擬場景和實體操作結合不夠緊密、實操痕跡數據讀取不夠連貫等問題，隨著今后虛擬仿真技術水平的不斷提升和實訓平臺開發的不斷深入，這些問題將一一得到解決，虛擬仿真技術對提高教學和學習效率，最大限度減少人、財、物和時間的消耗的突出優勢將進一步凸顯。

參考文獻：

[1]國務院關于印發國家職業教育改革實施方案的通知，國發〔2019〕4號，國務院，2019年1月24日.

[2]李平.推進虛擬現實技術應用，提高高校教育教學質量[J].實驗室研究與探索，2018，37（1）：1-4.

[3]謝敬偉.分布式虛擬現實交互仿真系統研究[D].浙江大學碩士專業學位論文，2017年1月15日.

[4]晁政，劉鴻宇等.虛擬仿真教學的發展現狀[J].電子世界，2018，37（1）：168.

[5]洪霄，付彬，李滌非.高職院校項目化教學探討[J]，中國成人教育，2008（6）：92.

作者簡介：金斌斌（1976年6月—），女，漢族，浙江嘉興人，浙江同濟科技職業學院水利工程學院，博士在讀，副教授，主要從事水利工程技術和水利信息化教學與科學研究。