學科交叉融合在水電站虛擬仿真實驗資源建設中的研究

摘?要：本文以水利水電工程專業核心課程水電站為例，基于多學科交叉融合，將思政、美學、機電控制、環境、管理等融入到虛擬仿真實驗資源中，提出一種新工科背景下有效的實驗課程教學模式，不僅解決傳統實驗教學的局限性，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，同時學生可以將知識體系打通，將理論知識與實驗操作融合，真正做到融會貫通，拓寬知識面，學會從多視角觀察、分析、解決問題，提升全局觀，充分調動了學習主動性，提高了動手能力，實現了從知識、素質和能力3方面提升人才培養的質量。

關鍵詞：虛擬仿真；多學科；實驗資源

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.083

0?引言

水電站為水利水電工程專業核心課程，作為傳統水利的主干課，其目標仍以學生解決工程問題為主，在新工科背景下，已有更適應新形勢，立足于我國智慧水利建設戰略的智慧水利專業出現。智慧水利專業以水利工程學科為基礎，融合云計算、物聯網、大數據、人工智能、電子信息、工程管理等專業發展而成，是多學科交叉融合的新型專業，旨在培養高素質綜合型人才。這對傳統水利專業和水利畢業生形成很大的沖擊，水利專業畢業生以從事工程技術工作為主，因此課程實驗實踐環節至關重要，如何提升學生的工程實踐能力，且能夠適應新時代的發展，在就業時具有競爭力，這就迫切要求傳統水利專業的課程進行改革，水電站作為核心課程，專業性、實踐性強，知識點雖多但具有系統性，且實驗部分依托于理論知識點，既包括操作演示類實驗項目，又有設計類實驗項目和研究型實驗項目，內容豐富，與多學科存在交叉融合點，需要在實驗設計時進行挖掘與融入。

1?課程實驗教學面臨的問題

水電站課程實驗教學可按型式分為三類：認知演示類（水輪機的構造、不同類型水電站、場景認知、發電演示、廠房組成及布置）、設計計算類（水輪機選型設計、壓力管道壁厚設計、水錘壓力計算、調壓室斷面設計）、研究探索類（調壓室水位波動特性、水錘波動特性）。在這3類教學中，存在如下問題：

1.1?認知演示類

認知演示類實驗在試驗大廳或實驗室內完成。實驗儀器有限，即使是模型展示操作，也無法保證人人參與。學生不能多視角動態觀看電站、大壩、廠房等的內部結構，無法觀看參與電站建設過程、運行、安裝和檢修等，將來畢業作為工程設計人員，對建設程序及內部構造沒有概念，將影響職業發展。此外，在水輪機構造實驗與機械、電氣脫節。水輪發電機組部件組裝、目前僅有凸顯水輪機部分的裝卸，但機電部分如何支持并聯系，并未體現。

1.2?設計計算類

水輪機選型設計、壓力管道壁厚設計、水錘壓力計算、調壓室斷面設計，都是統一的工程案例，相同的背景資料，無法一人一題，實現人人真正參與設計。

1.3?研究探索類

個別實驗參與運行和操作存在風險性，且在實驗參數設定時均采取定值或實驗中按照固定模式進行，最后所有同學實驗結果一致，并不能體現學生學習層次、深度、自主性和創新性。

此外，實驗僅局限于知識的理解應用和專業能力的培養，缺乏職業素質的訓練和提升。

2?仿真實驗設計

2.1?虛擬仿真實驗項目

水電站是水、機、電的綜合體，但并不局限于此。在開展水電站課程實驗時，真實實驗有局限性、實驗成本高、部分實驗不可實現，難以真實開展，達不到既定教學效果。而利用虛擬仿真資源可以打破時間、空間限制，可以展現無法實現的教學過程，如電站及各組成內部考察與展示。虛實結合完成實驗項目內容，保證演示類實驗，滿足人人參與，而非局限于觀摩；設計類實驗，一人一數，提高學生參與實驗的熱情和效果；探索類實驗開放性設置參數，多元表達實驗成果，提升學生的創新思維，激勵開展探索研究。最終在降低實驗成本的同時，切實達到教學效果。

2.1.1?實驗項目的選定與分解

將水電站中的實驗項目拆解，對實驗中涉及到的水利及其他學科的知識點列出。如對水電站廠房內部構造進行仿真模擬時，學生可在觀察學習廠房的整體布局和系統中了解水電站廠房中上部結構與下部結構組成及作用，包括屋頂、吊車梁、發電機層和安裝間樓板、發電機機墩、蝸殼和水輪機座環（固定導葉）、尾水管等，對廠房內的水流系統（壓力管道、水輪機等）、電流系統（主變壓器和高壓配電裝置等）、電氣控制設備系統（中央控制室）、機械控制設備系統（調速器、閥門、閘門等）、輔助設備系統（起重設備等）有一個全面、整體的認識，使學生能夠基于水利、機電、生態環境、管理等多學科領域相關背景知識進行合理分析并融合，評價水電站布置設計方案，能夠評估其對社會、環境、安全、文化等的影響。

2.1.2?實驗教學平臺建設

在仿真平臺上，虛擬仿真實驗教學一共設置預習、演示、學習、考核和報告5個系統。各系統的功能如下：

（1）預習系統：該系統類似于實驗教材，有實驗目的、原理、操作步驟、注意事項等。實驗前先預習，學生考核合格后方可進行實驗；預習中除了知識點外，學生還需牢記掌握廠房布置分期施工、構件吊裝步驟、機電設備安裝及建設過程中的安全注意事項、職業規范以及責任終身制。

（2）演示系統：提供規范操作的錄像（錄像中的數據及布置方案模擬實體項目案例，僅供參考，并非學生最終設定的方案），便于學生快速地從整體上了解實驗內容。

（3）學習系統：文字、聲音和高亮等提示幫助下，人機交互，一步一步指導學生學習完成整個實驗，要求學生計算或選擇參數：在進行廠房設計時，當學生已經對廠房各尺寸設計計算完畢后，每人將自己所設計的數據輸入系統，觀察從基礎開挖高程到廠房頂高程各階段的施工建設情況，觀察是否有設計漏洞，驗證設計尺寸的合理性與可行性；當進行機組選型時，學生可將水輪機、調速器、發電機等的型號輸入，界面中將提示是否能匹配等。

（4）考核系統：操作考試中無知識點提示，考核結束后系統自動給出分數，該分數占最終成績的權重。

（5）報告系統：考核完成后，需撰寫實驗報告，包括實驗目的、原理、實驗數據處理和結果、實驗中遇到的難題及解決方案、實驗結論以及對該實驗設計的評價和建議，提交給老師評閱。

2.1.3?與實體設備整合

學院試驗大廳現有部分實驗設備及模型，在教學中可“實、虛”結合的教學方式：在理論基礎上，對實體設備進行觀察，分析其布置、構造及水流運動狀態，在對實驗有個整體認知后利用仿真系統完成機組選型、水力計算初擬尺寸、開挖高程確定、場區布置等內容，校驗各設計結果及方案是否合理，通過“虛”仿真系統完成整個實驗過程。把實體模型設備和虛擬仿真有機地融為一體，通過虛擬的方式創造傳統實驗室中無法提供的真實生產建設環境，使學生更加立體地感知實驗，既可較好解決實體實驗由于條件限制而導致學生“理解難，復習難、考核難，示教效果差”等問題，還可以激發提高學生的學習興趣，根據個人的布置及設計，在系統中建設屬于自己的廠房，進而帶動實驗實踐教學模式的創新。

2.2?學科交叉融入設計

多學科融入，旨在使學生在校即可體驗水利工程設計師的工作內容，體會到水電站建設的艱辛與工程師的認真嚴謹態度，在多學科交叉融入中學會從不同視角看待問題，產生全局意識，符合新工科對人才培養的要求。同時也需要具有一定的人文社會科學素養和社會責任感，能夠在水利領域學習實踐中理解責任終身制，并遵守工程職業道德規范、履行責任，喚醒工程實踐中的倫理責任意識，促進自身與自然、社會的協同發展。

在虛擬仿真實驗資源建設中，涉及到的學科交叉部分如下。

2.2.1?思想政治教育類

實驗資源中體現通識教育，責任意識、工程安全及行業榮譽。在認知演示類實驗中，可引入新時代水利精神、國家重大水利工程公益傳播、人水和諧理念、水電站失事、防災減災日、水文化傳播、國之重器、南水北調重要工程案例、水利名人等。如在不同類型水電站認知中，可引入壩后式電站—大國重器三峽，河床式電站—萬里長江第一壩葛洲壩等，依托此類電站的工程特點、建設背景及重大意義，能夠很好地反映出我國水力發電事業的增長規模和技術水平，深化學生的專業認知，增強學生的民族自豪感和從事水利水電事業的責任擔當。在水輪機的選型設計中選取大藤峽水利樞紐工程，可融入新冠肺炎疫情期間大藤峽水利人的戰疫不停工以及其技術先行、匠心獨運鑄“國之重器”的風范，這樣學生不僅習得了知識，培養了能力，同時增強了責任感和使命感，凸顯課程思政，秉承立德樹人。

2.2.2?美學類

將美學巧妙的應用于水電站建筑物設計中，不僅可創造效益，還可推動文化建設的發展，使工程與美學的價值都得以展現。在實驗設計中，應開拓創新，對布置、外觀、結構、色彩中有鮮明個性和特色的水電站建筑物予以展示。例如都江堰，我國著名的水利工程，集歷史人文和自然風光于一體，形成了雄偉壯麗的文化景觀，體現了與自然環境、科學原則和美學原則的和諧互融。在虛擬實驗中，水電站轉輪葉片的扭曲翼型型式、尾水管肘管的流暢曲面、固定導葉和活動導葉的錯落有致，調壓室的斷面優化，整體布置的協調，無疑不在外觀上實現既變化又統一的協調美，給人以井然有序、自由靈動的感覺。

利用水電站大力推進旅游業，吸引游客，除卻水電站本身設計體現的美感外，更要注重傳達與自然風景和諧之美及水文化。在水利工程中融入美學，也為向學生傳達一種思想，即傳承創新：創造經得起歷史考驗，承載起民族文化、審美和情感的新時代水利工程。

2.2.3?機電類

目前在機組選型設計、水輪機調節等實驗中，僅側重于“水”的部分，學生對機、電的部分一知半解，模糊抽象。水輪機的調速設備、閥門、閘門、減壓閥和攔污柵等的控制設備均為機械控制類，發電機、變壓器及開關站等為電力系統，均為水力發電中必不可少的設備和環節。因此在水輪機調節中，應有導葉控制系統的操作，水力發電過程中應有機械控制系統、電流及電氣控制系統的操作和運行展示，機組選型中應加入發電機部分的設計。

2.2.4?環境類

水電站涉及廣泛，具有發電、防洪、灌溉、供水、旅游等綜合效益，但其對生態環境的影響和破壞也是不容忽視的，因此需要考慮生態系統的可持續發展要求。水電站的修建，對社會、生物多樣性、自然環境都有不小的沖擊，在實驗設計時需借用知名電站引起的環境問題給予學生警示教育，喚起學生的環保意識，不能一味追求效益與榮譽，在實驗中，應實現各建筑物布置與周邊環境和諧，能夠實驗完成后實現回水循環，節水本身就是對生態環境的保護，為學生樹立節約環保和實現水資源可持續發展的理念。

2.2.5?管理類

在水電站實驗中，不管是水輪機調節、有壓引水系統的調節還是優化調度，均需要多方兼顧，如何在多目標、多限制的水電站運行動態復雜系統中，構建最佳管理調度模式以獲得最大效益，這一直是個難題。例如在電站突然丟棄負荷時，如何合理平衡解決導葉關閉時間、水錘壓力和轉速上升率之間的矛盾，使動態調節都在合理范圍內，這便是引導學生學會協調管理，懂得制衡和取舍，學會從大局考慮分析問題。

虛擬仿真中情景設定可為學生創建一個經濟便捷、安全可靠的實驗環境，讓學生親身嘗試，在實驗中開放性設置參數，進行探究式學習和實驗，進而高效深入地學習，同時，將學科交叉點無縫融入到虛擬仿真實驗資源中，達到潤物細無聲的效果。有助于提升人才培養質量與學科建設水平。

3?總結

本文以核心課程水電站為例，基于多學科交叉融合，引入虛擬仿真技術，探索一種合理的有效的教學模式?；趯W科交叉融合的水利類虛擬仿真實驗建設，對于課程、專業、人才等方面意義深遠。

（1）打破傳統實驗的局限與弊端。學生能夠在開放、交互的實驗環境中開展安全高效的實驗，進而真正達到實驗目標和預期教學效果。尤其對于水電站課程，實驗對象為高壓水流，用到的是大型設備，實驗耗時耗力，且需要時刻關注學生的動態及安全問題，虛擬仿真實驗教學具有明顯的優勢。

（2）對提高學生的實驗綜合技能和創新能力具有巨大的促進作用。

（3）拓寬學生的知識面，提升其多學科視角分析并解決綜合性科技問題和工程的能力。學生不僅僅從水利視角分析問題，還需兼顧機電、環境、管理等多方面。

（4）從核心課程入手作為試點，為日后其他課程的建設和拓展提供參考。

（5）從知識、素質和能力三方面提升人才培養的質量，結合實驗中思政元素的柔性融入，有助于培養學生成為有家國情懷和責任擔當的水利人。

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