基于虛擬仿真技術的水利水電工程概論課程教學改革探索

張澤中 劉尚蔚 徐紅松 齊青青

摘要：水利水電工程概論不僅是水利類專業大學生入學的引導課程，而且是非水利類專業大學生的科普性課程。在介紹了虛擬仿真技術和水利水電工程概論的基礎上，文章分析了該課程教學現狀及存在的問題，提出引入先進教學技術虛擬仿真技術背景下的合理優化教學內容、改革教學方法和改革學生考核方法等教學體系一體化改革的教學模式。通過對該課程改革，構建適應高等工程技術應用性人才培養需要的課程教學體系，從而提高學生的工程實踐能力，促進學生由知識向能力的高效轉化，為兄弟院校開展該課程教學提供科學參考。

關鍵詞：教學改革；虛擬仿真；水利水電工程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0158-03

一、虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真技術[1-3]是一種計算機領域最新技術，把力學、數學、機構運動學等理論融合計算機圖形技術、多媒體技術及仿真技術而成一體的綜合應用技術。此項技術可以通過計算機技術與相關理論生滿足視、聽、觸覺等真實感的虛擬環境，設計者和師生可在這種虛擬環境中進行相應工程推演與實驗操作。該技術[4-5]在一些重要軍事和民生重大工程等領域的教學科研與應用蓬勃發展。虛擬現實技術不僅在工程施工與管理等方面發揮了重要作用，而且是高校實踐性教學最安全、最高效和最低成本的先進教學技術手段。

二、水利水電工程概論簡介

水利水電工程概論[6]是面向華北水利水電大學全校本科各專業學生的水文化素質課，具有二十多年的授課歷史。其主要目的是讓非水利水電類學生和水利水電類專業剛入學的學生認識水利水電行業，學習水利水電工程建設的相關知識，建立初步的水利水電工程概念，了解水利水電工程涉及的主要范疇、工程的組成及作用，了解現代水利水電工程的發展趨勢。通過本課程的學習，學生能夠開闊視野，培養正確的水利觀，能夠客觀地看待人類治水的歷史，正確認識水利水電工程的利益與不足。

三、目前該課程教學中存在的問題

（一）學生上課動力不足與積極性懸殊

教學改革加快了我校各專業教學進程，本專業基礎課程吸引了大部分學生學習精力。有些學生，特別是文理科學院，連基本的水利水電工程專業知識都不了解，造成了學習動力不足、積極性差異懸殊。上課時，老師如果沒發現這種差異，采用“一刀切”的授課[7]，會造成學生學習興趣嚴重兩極分化。老師們給非水利類工程專業上水利水電工程概論課必須要正確面對該問題。這不僅需要增加學生使命感和責任感，而且需要老師進行教學改革。

（二）實踐與理論教學“兩層皮”

理論與實踐相結合較強不僅是水利水電工程概論的特色，而且體現了水利工科生高動手能力的要求。選修的水利水電工程概率課時少，又無實踐經費支撐，造成只有理論無實踐。進而形成學生上課聽老師講授的內容都能聽懂，自己應用或解釋問題就“蒙圈”[8]。當要求學生用理解的語言解釋或描述說明相關工程問題、機理時，他們就腦袋空白了。這需要借助虛擬仿真技術實現理論教學與實踐教學同步，增強學生的理解與感性認知，提高教學效率。

（三）學時與教學量的矛盾

目前，學時不能滿足教學內容方面的需求。如果面面俱到，教師們感覺課程內容講得蜻蜓點水，對不起良心；講授內容多，學生又覺得講得快、掌握不了。通過虛擬仿真技術平臺，學生可以自己預習和復習水利水電工程概論教學內容，課堂上節省出的時間可供老師深入完整教授重點、難點內容，提高課堂教學效率和效果。

（四）概念抽象與原理復雜

該課程涉及到地質工程、水文地質、材料力學、水力學、鋼筋混凝土結構等，不僅要學生克服“三多”（學科多、專業知識多、費解概念多）困難，而且抽象概念，如灌漿和滲流概念抽象、重力壩和拱壩工作原理比較復雜，文科學生（沒學物理）很難理解和接受，因此，有的學生感覺這些知識像“無字天書”。這種情況下的教學效果不會好。通過虛擬仿真技術平臺，學生可以自己預習和復習水利水電工程概論課程中抽象的概念，自己動手實驗驗證重力壩和拱壩工作原理等復雜理論，提高課堂教學效率和效果。

四、課程教學改革探索

（一）合理優化教學內容

課程的設立為學生今后從事本專業工作時具有良好的水利水電工程方面的基礎知識和基本能力起到了技術支撐的作用。在教學中就要結合實際的教學對象專業特點，優化教學內容，完成專業知識的銜接，如水文與水資源工程專業的學生在教學環節中對土石壩滲流理論、水閘防滲、生態環境需水理論進行重點講授，使之與水文與水資源工程專業的水文知識理論相銜接，形成“來多少水，如何來，用多少水，都誰用，如何配置和調度，才能實現人水和諧的生態調度”的連貫思路，這有助于學生在實際工作中的能力的培養。

（二）改革教學方法

1.“覺醒—興趣—引導”理論教學法。該課程上課對象主要是剛剛結束“填鴨式”教育、才上大學的新生，或是對水利知識空白的大學生。他們或厭倦“填鴨式”的教學方式，或對水利知識無興趣，或對水利一無所知。這種情況對水利水電工程概論授課教師提出很高要求，第一，如何“于無聲處聽驚雷”地進行開篇課。評書演員講書都有開篇詩和書膽醒木，教師的第一堂課也非常關鍵，采用別具一格（或觸目驚心，或望梅止渴，或妙趣橫生）的首堂課引起學生興趣，變“要學生上課”為“學生要上課”。第二，如何“寓繁于簡、深入淺出”地把沉悶嚴肅的水利水電知識刻畫在學生心中，使學生時常有“原來如此”恍然大悟的感覺。第三，如何從非常規角度提出問題讓學生解決“小困難”，拋磚引玉引導學生，使得學生“耳目一新，越聽越新鮮”，引導學生保持對水利水電工程的興趣，并躍躍欲試想多了解，變“要學生學”為“學生要學”。第四，如何傳授學生適宜的學習方法，使學生“明珠見夜，點石成金”，變“學生學會”為“學生會學”。在理論教學中，根據學生的實際狀況，教師要優化教學內容，幽默式傳道，引導式授業，互動式解惑。教師要牢牢把握住課堂上的主導作用，充分激發學生學習的主動性和積極性。

2.“模擬專家”案例研討教學法。針對治河工程和水利工程生態調度的重點部分，結合學生身邊的龍湖、龍子湖或鄭州其他水系建設實際，要求學生以水利專家的身份在課前通過各種渠道進行重點案例的搜集調研，加之學生自己的分析理解，在課堂中進行“項目組答辯”和“評委團評審”的案例研討教學。教師組織所有學生進行案例研討，激發學生的興趣，使理論教學與實踐教學相結合。不論是項目組的“專家”，還是評委團“專家”在“模擬專家”案例研討過程中都學到了很多知識，了解了科研思路和方向，提出許多奇思妙想，大大加深了學生對課程理論知識的理解與應用，提高學生創新能力。

3.“一見勝百聞”實物剖析教學法。水利水電工程建筑物繁多，相似物不勝枚舉。如果單純采用板書、多媒體課件的形式在教室完成水利水電工程概論課程所有理論知識的講授，學生覺得陌生、抽象，很難理解，易于混淆，甚至乏味。通過虛擬仿真技術，學生可以親手拆開、解剖各類水工建筑物。比如混凝土重力壩和土石壩光從外部很難區別，但是，通過虛擬仿真技術，學生親自動手剖開重力壩和土石壩的壩工建筑物，不僅可以清晰看到混凝土重力壩的橫縫、縱縫和各類廊道以及相應止水，而且加深理解混凝土重力壩和土石壩的各種聯系與區別。這種先進科技教學合理運用有助于提高學生學習效率和教師授課效果。再比如，講授“泵與泵站”，讓學生掌握如何實現水泵提水，了解泵站與水輪機區別。可以讓學生進入實虛擬仿真泵站驗室，通過虛擬仿真技術，學生親自參觀并操作水泵等設備，親身體會能看得見、“摸得到”的“實物”模型、流程模擬設備、電機等設備、現場施工圖。這種“親力親為”有助學生了解泵與泵站的結構特點、工作原理，這就能大大激發學生的學習興趣，大大提高教學效果。

通過虛擬仿真技術，學生“參觀和操作”實驗室的設備、原理，學到了更多知識，感性認識很快上升到理性認識，大大加深了對課程知識的理解。

（三）改革學生考核方法

1.考試試卷改革。試題不能考學生死記硬背，考后無用的死知識。學生應對考試的方式就是依靠簡單的記憶、背誦，“死記硬背”之后往往很難真正理解如何運用知識。如何對死的知識點靈活考核是門藝術。科學、準確、全面地評價學生的基礎知識和綜合能力，課程的考核方式一改以往傳統的試題模式。如針對水多、水少、水臟和水渾的中國四大水問題，這樣四個填空就把“試”考死了。如果在填空下加上“你的家鄉哪種水問題最突出”“你有何治理措施”“請列出三條以上措施”等問題，這樣修改后的考題由單點“死”考題轉變成了“流動”活考題，由考死記硬背考試變成考查學生學習能力（發現問題、分析問題和解決問題）的考題。如果在填空后讓學生列舉他最喜歡的水工建筑物，并指出這種建筑物容易破損的部位是哪里、如何運行保養和修復等，這樣既考查了學生對水工建筑物知識點的掌握，又考核了學生運行養護管理知識。這樣的考試試卷有利于改變學生死記硬背應付考試的壞習慣，有利于提高學生能力和素養。

2.考試時間改革。考試的時間也需要改革，在平時上課我們隨機進行測試，繪制土石壩滲流曲線、泵站效率曲線等，這樣可以培養學生良好的學習習慣，并不是到期末集中突擊，這有利于學生扎實地掌握知識。比如在虛擬仿真課上讓學生先講部分內容，老師點評與給分。這樣不僅考核學生是否預習了，又考核了學生對知識掌握程度；同時，提高了學生學以致用和表達能力。

五、結論

借助虛擬現實技術，通過上述改革措施實施，有效地解決了水利水電工程概論非水利類教學中四大主要問題。相信在以后教學中，教師會更加自信，通過教學帶科研，科研促教學，不斷地創新教學方法和教學模式，來培養出更多更好的能適應新時代需要的復合型水利水電工程應用人才。

參考文獻：

[1]李翠超，凌芳.虛實結合的虛擬仿真技術在工程訓練中的應用[J].實驗室科學，2015，18（2）：129-132.

[2]蔡衛國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（8）：76-79.

[3]郭桂蘋，南岳松.虛擬實驗教學研究現狀及問題分析[J].實驗室科學，2010，13（5）：175-178.

[4]黃少華，張德文，李小帥.虛擬現實技術在水利工程仿真中的應用[J].人民長江，2006，37（5）：36-38.

[5]尹紅霞，王一新，簡新平.虛擬仿真系統在水電站教學中的應用研究[J].高等建筑教育，2016，（4）：15.

[6]李宗坤，孫明權.水利水電工程概論[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.

[7]文華，李銘，劉義坤，等.非石油工程專業石油工程概論課程教學改革探索及效果[J].科技資訊，2014，（7）：3.

[8]邱元鋒，李小平.灌溉排水工程“卓越工程師”實踐教學模式[J].教育教學論壇，2016，（2）：110-111.

The Teaching Reform Water Resources and Hydropower Projects Based on Virtual Simulation Technology

ZHANG Ze-zhong，LIU Shang-wei，XU Hong-song，QI Qing-qing

（School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou，Henan 450045，China）

Abstract：Introduction to water resources engineering is not only a water conservancy engineering guide courses for admission to the college students，college students' educational course and is water conservancy engineering. In virtual reality is introduced and，on the basis of introduction to water resources and hydropower engineering，this paper analyzes the present situation and existing problems of the teaching，puts forward the introduction of advanced teaching under the background of virtual reality technology to optimize teaching contents，teaching methods and reform the teaching system integration such as student assessment method of teaching mode. Through the reform of the course，build to satisfy the needs of the higher engineering technology applied talents training course teaching system，so as to improve the students' engineering practical ability，promote students' efficient transformation from knowledge to ability，which can provide a scientific reference for other universities.

Key words：teaching reform；Virtual reality；Water conservancy project