水利工程虛擬仿真實踐教學探索

楊建華　姚池　劉成林　蔣水華　李火坤

摘要：綜合性、探索性實驗項目缺乏，實習實踐訓練不足是制約南昌大學水利工程專業實踐創新型人才培養的瓶頸。基于“立足教學、科教融合、面向工程”的虛擬仿真實踐教學理念，將工程實踐與科研成果轉化為教學內容，建立了具有區域特色和學科特點的多模塊虛擬仿真實驗平臺，開設了多門基于虛擬仿真平臺的綜合性、探索性實驗項目課程。實踐表明，開放自主式的虛擬仿真實驗能有效提高水利工程專業實踐教學效果，有利于培養學生的實踐創新能力。

關鍵詞：水利工程；實踐教學；虛擬仿真；實踐能力；創新意識

中圖分類號：G482；TV7文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2017）05013404

水利工程的建設與管理是一項復雜系統工程，具有專業覆蓋面廣、實踐性強等特點。為更好地適應新形勢下社會對水利人才的需求，水利工程院校的人才培養模式正由注重基礎理論和專業知識傳授向提高工程實踐能力和創新意識轉變[1-2]。實踐教學是理論聯系實際、提高學生知識運用能力和動手能力的有效途徑，是

培養學生工程實踐能力和創新意識的重要教學環節[3-4]。

然而，由于擴招，實驗場地、設備和經費有限，加之安全管理等因素，南昌大學水利工程專業在開展實踐教學過程中表現出基礎課實驗多、專業課綜合性實驗少；驗證性實驗多、探索性實驗少；實習學生參觀的多、參與的少等問題。綜合性、探索性實驗項目缺乏，實習實踐訓練不足已成為影響學校水利工程專業人才培養質量的重要因素，實踐教學改革勢在必行。水利工程虛擬仿真技術是水利行業現代化、信息化發展的一個重大突破[5]，虛擬仿真實踐教學也是高等教育信息化建設的重要組成部分[6]。為克服傳統實踐教學存在的諸多問題，學校將虛擬仿真技術應用到水利工程專業實踐教學中，通過開設相應的綜合性、探索性虛擬仿真實驗課程，以培養學生的工程實踐能力和創新意識，實現高校人才培養與企業人才需求之間的無縫對接。

筆者針對學校水利工程專業傳統實踐教學存在的不足，探討將虛擬仿真技術引入實踐教學的必要性，并重點介紹學校水利工程專業在虛擬仿真實踐教學方面所做的探索性工作。

一、水利工程虛擬仿真實踐教學的必要性

（一） 虛擬仿真實驗的特點

虛擬仿真實驗是指綜合應用多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通訊等技術，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[7]。

虛擬仿真技術具有沉浸性、交互性、構想性、智能性特點，是繼數學推理、科學實驗之后人類認識自然客觀規律的第三類基本方法。與傳統實踐教學相比，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，虛擬仿真實踐教學具有明顯優勢[8]。

（二） 虛擬仿真技術在水利工程實踐教學中的作用

虛擬仿真實驗技術能有效降低實驗成本，營造安全的實驗環境，且能夠突破時間和空間限制。將虛擬仿真技術應用到學校水利工程專業實踐教學中，可在一定程度上緩解目前實踐教學實踐性不強的問題，有助于培養學生運用的知識能力和科研創新意識，具體體現在以下幾個方面（如圖1）。

（1）加強專業課綜合性虛擬仿真實驗建設

實驗設備有限和經費不足是限制學校水利工程專業開展綜合性實驗項目的主要原因。虛擬仿真實驗基本沒有材料損耗，極大地降低了實驗成本。學生可根據綜合性實驗項目要求，利用所學的專業知識對實驗項目內容進行設計、計算、分析和優化。此外，學生可對各種實驗工況進行反復操作，對比實驗結果，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。

（2） 開展探索性虛擬仿真實驗

鑒于實驗資源和實驗風險控制，傳統的實驗教學中學生只能按照教師的演示或實驗指導書的規定按部就班地進行驗證性實驗操作。學生

已事先知曉實驗結果，這極大地限制了學生的實驗熱情和積極性，不利于鍛煉和培養的實踐創新能力。在虛擬仿真實驗平臺，教師和學生不必擔心實驗的意外風險，學生可以根據自己的理解和思考多次改變實驗邊界條件，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，進而調動學生主動參與實驗的熱情，引導學生進行探索性和創新性實驗研究，培養學生的創新精神。

（3） 提高實習效果

針對學生在傳統實習中不能多視角觀看水利樞紐布置和水工建筑物構造的問題，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時空限制，通過

操控鼠標、鍵盤，在虛擬環境中實現對水利樞紐、大壩和廠房的全景、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，加深學生對專業知識的理解。此外，學生還可以自主動手配置、調用虛擬機械設備，模擬土石方開挖、大壩澆筑等過程；也可以對電廠設備進行虛擬操作演練，熟悉電站正常運行和事故處理的方法、內容和步驟等。這在一定程度上彌補了傳統實習方式學生不能親自參與工程建設與管理的問題，增強了學生分析和解決實際工程問題的能力。

二、基于虛擬仿真技術的水利工程實踐教學

鑒于水利工程專業實踐教學的重要性與現實困難，基于虛擬仿真技術的優勢，學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，成立了水利工程虛擬仿真實驗教學中心，將虛擬仿真技術應用到實踐教學環節。

（一） 虛擬仿真實驗平臺建設

根據新形勢下水利工程專業的人才培養需求，學校水利工程虛擬仿真實驗教學中心確立了“立足教學、科教融合、面向工程”的虛擬仿真實踐教學理念。將實際的水利工程項目轉化成虛擬仿真實踐教學內容，通過以解決工程實際問題為目標的實驗項目演練，指導學生綜合運用所學專業知識，培養學生的工程素質和實踐能力，從而在高校人才培養和企業人才需求之間架設一座便捷的“橋梁”，為企業輸送符合其要求的高素質畢業生。通過虛擬仿真實驗平臺，將科研項目轉化為實踐教學內容，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最新科技進展和學術前沿動態，從而激發學生科研興趣、啟發科研思維，培養學生的科研創新能力。endprint

學校水利工程虛擬仿真實驗教學中心立足于江西區域特色和學科特點，通過整合水力學實驗室、水工結構實驗室、水電站實驗室、工程測量實驗室的教學、科研及生產項目資源，建設了復雜水力學問題虛擬仿真平臺、數字鄱陽湖虛擬仿真平臺、潰壩洪水模擬虛擬仿真平臺、水工結構破壞虛擬仿真平臺，如圖2。

圖2水利工程虛擬仿真實驗教學平臺

復雜水力學問題虛擬仿真平臺已開設的實驗項目有薄壁堰流過程虛擬仿真實驗、表孔出流水流流態虛擬仿真實驗、消能工消能過程虛擬仿真實驗等。在虛擬仿真實驗平臺上，學生根據不同的實驗要求，可選擇不同的邊界條件和幾何參數進行仿真分析，觀察水流運動的情況并提取相關實驗數據。鄱陽湖是中國第一大淡水湖，是江西省重要的水利與生態資源。結合區域特色，以鄱陽湖地區的三維地形圖為基本界面，集成了鄱陽湖流域的水深、水質、濕地、景觀資源等多個數據庫，開發了數字鄱陽湖虛擬仿真平臺。已開設的實驗項目有鄱陽湖三維數字地形圖虛擬飛行漫步、鄱陽湖流域水深-濕地數據庫交互仿真。學生可通過鼠標操作隨時查看、提取數據庫中的有關信息。實驗平臺可動畫顯示不同水位條件下鄱陽湖濕地的分布情況，觀看過程中還可以切換視角，學生在該實驗平臺進行操作訓練可加深對鄱陽湖水文和生態環境的認識。實驗中心基于Flow3D計算軟件和自主研發的光滑粒子流軟件系統，開發了潰壩洪水模擬虛擬仿真實驗平臺。典型的實驗項目有尾礦庫潰壩過程數值仿真實驗、潰壩洪水演進過程數值仿真實驗等。水工結構破壞過程仿真結合了固體力學、水工建筑物、有限元和離散元計算方法等多門學科知識。在充分發揮實驗中心專職教師學術特長的基礎上，還開發了大壩應力變形、巖石邊坡滑坡過程、泄洪閘振動模態分析等虛擬仿真實驗項目。

（二） 虛擬仿真技術在實踐教學中的具體應用

中心經過第一階段的建設已初步實現了水利工程專業虛擬仿真實踐教學的部分功能。利用這4個虛擬仿真實驗平臺，面向本專業4個不同方向的學生已開設10門虛擬仿真實驗課程，并設置了學分納入實踐教學課程體系。這些虛擬仿真實驗課程現已作為水工建筑物、水利工程施工等專業課的綜合性、探索性實驗同步開展，并已成為水利工程專業本科畢業論文的研究內容和本科生科研項目訓練內容。

以潰壩洪水演進過程數值仿真實驗課程為例，水利工程壩體潰決是一種災害性的水力破壞現象，一旦潰壩，將給下游帶來不可估量的生命財產損失，因此，推算和預測潰壩洪水的演進過程是水庫和堤防等水利工程建設管理的一項重要內容，這對制定下游居民的搬遷措施，減少潰壩造成的損失具有重要意義。但水庫和河流原型尺度極大，室內物理模型實驗耗時長、成本高，不便于面向所有學生開展實體實驗。

基于中心開發的潰壩洪水模擬虛擬仿真平臺，學生可以建立以實際工程為背景的潰壩洪水數值計算模型，而后通過設置壩體材料參數和暴雨降水過程線，即可模擬不同工況下潰壩洪水演進過程。在此基礎上可以獲取洪水淹沒范圍，下游敏感目標點的洪水到達時間、實時水位和流速等參數，從而為評估潰壩洪水是否淹沒，是否沖擊敏感目標，敏感目標受影響的程度提供依據。圖3為學校水利工程專業學生在教師指導下建立的潰壩洪水虛擬仿真模型及所模擬的洪水演進過程。學生在虛擬平臺上通過數值計算、圖像和動畫顯示等方式對實際工程問題進行仿真和推演，不僅能夠對大壩潰壩和洪水災害有更為直觀的感受，而且還能夠基于獲取的數據分析某些特有的水力學現象，如水躍、渦流和折沖水流等。相比單純的數學、力學計算，更有效地激發了學生的學習興趣，提高了學習效率，同時也培養了學生解決實際工程問題的能力及創新意識。

此外，學生利用這些虛擬仿真平臺進行水利工程相關問題的仿真分析和輔助設計，顯著提高了課程設計和畢業設計（論文）的質量。在完成課程設計手算工作后，倡導學生采用虛擬仿真平臺對問題進行驗算復核，減少計算錯漏等問題。以往學校水利工程專業的本科畢業設計主要是對土石壩、水閘的穩定和滲流進行初步設計，內容較為單一。經過近兩年的虛擬仿真實驗項目訓練，部分學生選擇對洪水漫頂潰壩、潰壩洪水演進、巖石邊坡失穩、泄洪閘振動等工程問題開展研究，畢業設計（論文）內容更加豐富。借助虛擬仿真平臺將以往穩定與滲流設計的二維簡化計算擴展至三維工況，提高了畢業設計的深度，與實際工程更加吻合。學生采用虛擬仿真的三維實體圖像和動畫對畢業設計（論文）成果進行展示，答辯形式更加豐富。此外，學校水利工程專業學生在虛擬仿真分析的基礎上制作實體模型，近年來參加各類創新設計大賽均取得了優異成績：在2015年第四屆全國水利創新設計大賽中獲一等獎1項、二等獎1項、優勝獎1項，創歷史最好成績；在2016年第十三屆華東地區高校結構設計邀請賽中取得了一等獎第一名的好成績，實現了歷史性突破。

三、結語

針對南昌大學水利工程專業實踐教學的現實困難，將虛擬仿真技術引入實踐教學環節，通過建立以實際工程和科研項目為背景的虛擬仿真實驗平臺，開設相應的綜合性、探索性虛擬仿真實驗課程，培養學生的工程實踐能力和創新意識，教學實踐效果良好

。這在一定程度上緩解了學校水利工程專業實踐教學難度大的問題，為土木、水利類專業實踐教學模式的改革提供了有益借鑒。目前，學校水利工程虛擬仿真實驗教學中心的建設尚處于初步階段，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，同時須加強課程體系、人才隊伍和運行管理體制的建設，以提高虛擬仿真實踐教學水平。參考文獻：

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Abstract： Lack of comprehensive and exploratory professional experiments and practical trainings is considered to be the key problem that restricts the cultivation of talents with practical and innovative abilities for the major of water conservancy and hydropower engineering in Nanchang University. According to the virtual simulation practice teaching philosophies of serving teaching， integrating scientific research with teaching and orienting engineering， engineering practices and research projects were transformed into the contents of the virtual simulation practice teaching. Modularized virtual simulation experiment platforms were established with regional characteristics and subject features， and several experimental courses based on these platforms were offered for students to carry out comprehensive and exploratory experiments. It was found that the open and autonomous virtual simulation practice teaching could improve the teaching quality effectively for this major， and help to cultivate students practical and innovative abilities.

Keywords： water conservancy and hydropower engineering； practice teaching； virtual simulation； practical ability； innovative consciousness

（編輯梁遠華）endprint