基于虛擬仿真的水工建筑物課程混合式教學模式設計與實現

摘要：為解決傳統水工建筑物課程教學中存在的問題，提出了基于虛擬仿真實驗的水工建筑物課程混合式教學方法。以水工建筑物課程中渠系建筑物課程單元為例，從教學準備、教學實施、教學評價幾個階段闡述了該教學方法的實現過程。該教學方法改變了傳統課堂教學中過多講授而導致學生學習主動性不高、認知參與度不足的問題，提高了學生的學習興趣與動手實踐能力，也解決了新工科專業改革中教學內容不斷豐富，教學課時不斷壓縮的難題。教學方法的實現可以為相關院校開展專業教學提供借鑒與參考。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；水工建筑物；教學方法；混合式教學模式

一、前言

隨著近年來計算機技術與互聯網技術的發展，將高等教育與信息技術深度融合，已經成為目前高等教育改革與發展的重要方向[1-3]。虛擬仿真實驗是基于虛擬現實技術建立的虛擬實驗，與傳統實驗相比，虛擬仿真實驗具有在學習中不必承擔危險性風險以及儀器損壞風險[4]、設備利用率高、容易維護等優點，近年來發展迅速[5]。本文以北方民族大學建設的“寧夏引黃灌區渠系設計仿真實驗系統”為虛擬仿真實驗基礎，探討將虛擬仿真實驗平臺引入水利水電工程專業水工建筑物課程教學中的教學模式與教學方法，期待在信息化條件下，為革新傳統水利類專業課教學方式、培養高素質水利水電技術人才提供參考。

二、水工建筑物課程傳統教學中出現的問題

水工建筑物課程是高等本科院校水利類相關專業的核心基礎課，通過課程學習，學生可以深入理解水利樞紐中典型水工建筑物的工作原理及工作條件，基本掌握水利樞紐的布置、水工建筑物的形式選擇、運行管理、科學研究等基本知識，達到運用所學專業知識初步進行水利工程設計的能力。水工建筑物的設計理論與設計方法的教學涉及水工建筑物設計規范中各類經驗與理論公式的講解與應用，課程以理論講授為主，課堂教學顯得較為沉悶，學生面對設計規范與計算公式，缺少主動思考的興趣，教學效果不理想。

此外，隨著近年來新工科專業建設的發展，為了應對社會發展對高校畢業生素質的多元化需求，大批水利水電工程的專業核心課程理論課時被壓縮，轉而開設各個專業方向的選修課程，水工建筑物課程也不例外。教師在有限的時間里讓學生掌握傳統的水工建筑物設計理論與方法，同時了解最新的發展動態與設計理念是非常困難的。

綜上所述，目前傳統水工建筑物教學主要面臨如下問題：

1.從學生角度出發，學生在水工建筑物課程的學習中，對教學內容的本質認知比較抽象，學生對專業課程學習興趣不足，在水工建筑物設計理論與設計方法等知識點的學習中，學生對所學內容缺乏思考，學習效果不理想。

2.從教師角度出發，面對新工科培養模式與社會環境的深刻變化，現有的教學手段與教學模式越來越無法滿足新模式下教學質量的達成，水工建筑物課程面臨著教學內容不斷豐富，教學課時不斷壓縮的困境。

3.從專業建設角度出發，新的水利水電工程專業建設要求加強實踐教學環節，培養創新型復合人才。由于學科專業的自身特點，且受到高等院校場地、設備等方面的限制，目前在水工建筑物課程教學中還存在一些困難。

面對水工建筑物課程教學中存在的問題，本文提出基于虛擬仿真實驗的水工建筑物課程混合式教學方法，以期在水工建筑物課程教學中推行虛擬仿真實踐與理論教學相互促進的新的教學模式。

三、基于虛擬仿真實驗的水工建筑物課程混合式教學方法

面對專業建設的迫切需要與課程教學中出現的問題，提出了基于虛擬仿真實驗的水工建筑物課程混合式教學方法，即在水工建筑物課程理論教學實踐中，對于各類水工建筑物的基本概念、工程特點等內容的教學，采用線上虛擬仿真實驗、線上觀看視頻與線下課堂討論、匯報相結合的方法，讓學生在實際動手實踐中激發學習興趣，并達到節省線下課堂教學課時的目的。由于水工建筑物的設計理論與設計方法的教學內容涉及設計規范與理論計算，授課內容比較枯燥難懂，學生往往缺乏學習興趣。如果全部采取線下教學，則授課過程沉悶，學生學習效果不佳；由于這部分課程內容前置的基礎知識涉及理論力學、材料力學、結構力學、土力學、水力學等相關知識點，學習難度大，如果全部采取線上教學或者“翻轉課堂”教學模式，學生掌握重點、難點內容有困難。因此這部分課程內容采取開展線上虛擬仿真實驗、線下課堂討論與線下課程設計相結合的方法開展。

上述將虛擬仿真實驗引入水工建筑物課程教學的教學方法改革，可以解決傳統課程教學中理論知識與基本概念抽象、學生學習興趣不足、學習效果不理想的問題。此外，基于虛擬仿真實驗的水工建筑物課程混合式教學方法還可以解決水利水電工程新工科專業建設中面臨的有限專業課時量與培養質量之間的矛盾。目前，大部分工科專業都面臨有限專業課時量與培養質量之間的矛盾，此研究可以推廣到所有工科專業的課程建設中，應用前景廣泛。

四、基于虛擬仿真的混合式教學方法在教學中的實踐

本文以水工建筑物課程中渠系建筑物課程單元為例，說明基于虛擬仿真的混合式教學方法在水工建筑物課程教學中的實現。

（一）教學準備

渠系建筑物課程單元是水工建筑物課程中重要的組成部分，為實現教學目標，結合虛擬仿真實驗，課前準備階段的主要內容包括以下幾個方面：

1.教學內容設計

按照課前、課中、課后三個環節設計教學內容，任務分解和分配情況如表1所示。

2.線上資源建設

為確保線上資源對知識的講解，課題組制作了渠系建筑物課程的案例視頻、課程講解視頻、虛擬仿真操作指導書、配套習題等資源進行線上教學。

虛擬仿真實驗的設計是課程基于虛擬仿真混合式教學的關鍵建設資源，以下對虛擬仿真實驗的實驗設計與實驗內容進行簡要介紹。課程依托“寧夏引黃灌區渠系設計仿真實驗系統”開展虛擬仿真實驗與學生后臺實驗數據的監測。“寧夏引黃灌區渠系設計仿真實驗系統”是北方民族大學獲批的省級一流本科課程，在國家級虛擬仿真實驗平臺上開放共享。學生通過與三維仿真模型的交互操作，自主完成引黃灌區及其灌區水工建筑物規劃設計、結構選型、水力設計、結構設計、節灌新理論和新技術等內容的實驗。

實驗系統主要分為灌區資料介紹與渠系建筑物工程布置兩個模塊，對應兩個按鈕，點擊跳轉到對應模塊場景。實驗系統初始界面如圖1所示。

灌區資料介紹模塊通過漫游方式展示引黃灌區的河流情況、水庫水源情況、水工建筑物設計情況等信息，使學生了解整個平原灌區灌溉渠系組成及其附屬建筑物結構形式。學生通過對渠首、渠道、倒虹吸管、渡槽、涵管、跌水、橋梁、灌溉等建筑進行三維模型的重塑與交互操作，自主完成渠道系統及構筑物認知、渠道線路設計、渠道斷面設計、渠系建筑物選型設計、灌溉與節灌技術認知等內容的學習。灌區資料介紹模塊界面如圖2所示。

渠系建筑物工程布置模塊通過設計灌排渠系類工具、渠系建筑工具及場景輔助工具實現灌排渠系和水工建筑物的虛擬設計與布置。進行虛擬實驗時，學生在灌區地形模型的基礎上，使用灌排渠系類工具在場景中繪制灌排渠系的路徑，關鍵路徑點生成高程標簽，軟件自動記錄路徑高程數據。渠系布置后可在場景渠系標簽上添加渠道的名稱。灌排渠系類工具可以應用于布置干渠、支渠、斗渠和農渠。灌排渠系類工具設計界面如圖3所示。

實驗系統根據學生的設計成果進行仿真模擬，并由系統后臺進行計算分析后判斷設計方案及相關成果數據是否符合規范要求。實驗結束后，系統出具分析報告，提示學生應對薄弱環節和知識內容加強學習。

3.線上教學平臺

本課程使用“超星”網絡教學平臺上的數字化教學資源開展線上課程的學習與考核。

（二）教學實施

課前，學生自主學習內容包括觀看渠系水工建筑物講解視頻、案例視頻、學習虛擬仿真操作指導書、開展在線虛擬仿真實驗并完成實驗中的配套習題。通過動手實驗，學生既增強了動手實踐能力，又加深了對所學知識的認知與理解，還能節約理論課時，達到一舉多得的目的。

課中，教師對學生遇到的問題給予解答，然后根據虛擬仿真實驗系統的后臺記錄，判斷學生的初次學習效果以及設計方案的合理性，以學生感興趣的知識點為話題，引導學生開展討論。結合設計規范，講解渠系水工建筑物的設計理論與設計方法，此時學生已經經過了課前學習，對虛擬實驗中自己存在的問題比較清楚，求知欲強，原本枯燥的課堂理論學習變得有趣。

課后，學生進一步完善虛擬仿真試驗，并且在線打印實驗報告，作為課程過程性考核標準。教師引導學生對虛擬仿真實驗系統與自我學習過程開展評價，為改進下一次的教學提供參考。

（三）教學評價

借助“超星”網絡教學平臺的“成績管理”與虛擬仿真實驗平臺的后臺管理與實驗報告，量化評價學生線上學習效果。教學評價與反饋體系構建如表2所示。

五、教學效果及意義

通過上述混合式教學方法的構建，改變了傳統課堂教學中過多講授而導致學生學習主動性不高、認知參與度不足、不同學生的學習結果差異過大等問題。學生在學習過程中，如果不認真對待，則不能完成虛擬仿真實驗的課前學習；同時，任課教師為了解決學生在課前學習中遇到的問題，需要認真準備來應對學生提出的問題，達到教學相長的目的，這讓學生成為課堂的主人。此外，由于各類水工建筑物的基本概念、工程特點、工作原理等原本線下課堂的教學內容被轉移至線上教學，也相應地減少了教學所需的線下課時量，在提升學生學習興趣的同時，混合式教學方法也解決了新工科專業改革帶來的有限課時量與培養質量之間的矛盾。

六、結語

本文基于課題組自主開發的《寧夏引黃灌區渠系設計仿真實驗系統》，將虛擬仿真實驗與水工建筑物課程教學實踐相結合，提出了基于虛擬仿真的水工建筑物課程混合式教學方法，并將其應用于水工建筑物課程渠系建筑物章節的理論教學中，改變了傳統課堂教學過多講授而導致學生學習主動性不高、認知參與度不足的問題，讓學生成為課堂的主人，教師成為課堂的組織者與引導者，大幅提升了水工建筑物課程的教學質量。同時，原本需要線下課堂學習的內容被轉移到線上，解決了因為新工科專業改革帶來的有限專業課時量與培養質量之間的矛盾。

參考文獻

[1]教育部.教育部關于一流本科課程建設的實施意見：教高（2019）8號[Z].2019.

[2]教育部.教育信息化2.0行動計劃：教高（2018）6號[Z].2018.

[3]魏娜，解建倉，羅軍剛，等.水資源與水環境虛擬仿真實驗教學平臺的建設[J].實驗技術與管理，2019，36（09）：100-102.

[4]徐雪飛，趙江東，柳晨陽，等.虛擬仿真實驗發展及其技術應用探析[J].科技創業月刊，2020，33（09）：160-162.

[5]侯慧，朱韶華，張清勇，等.國內外高等學校虛擬仿真實驗發展綜述[J].電氣電子教學學報，2022，44（05）： 143-147.

基金項目：1.北方民族大學教育教學改革研究項目（課題編號：2021JY044）；2.北方民族大學科學計算與工程應用創新團隊（課題編號：2022PT_S02）；3.寧夏回族自治區重點研發項目（引才專項）（課題編號：2019BEB04035）

作者單位：北方民族大學土木工程學院

責任編輯：周航