虛擬仿真系統(tǒng)在水利施工課程教學(xué)的應(yīng)用探析

摘要：《水利工程施工》是水利水電工程專業(yè)的核心課程，文章根據(jù)該課程特點(diǎn)，詳細(xì)分析了水利工程的教學(xué)現(xiàn)狀以及課程教學(xué)中存在的問題，提出在教學(xué)中引入虛擬仿真系統(tǒng)提高教學(xué)效果，并提出了幾點(diǎn)建議，供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；水利工程施工；課程教學(xué)

1 概述

隨著21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的全球化、多元化以及知識經(jīng)濟(jì)的到來，企業(yè)對于具備專業(yè)理論知識又具有動手操作能力的專業(yè)人才需求日趨旺盛。隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)形式的不斷變化，以技術(shù)能力為本的教育觀念在教學(xué)領(lǐng)域未完全形成，特別像“水利工程施工”這種內(nèi)容繁雜，知識性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)課程，僅僅有較好的理論知識，而應(yīng)用技術(shù)能力特別是對復(fù)雜問題處理能力不夠，也是造成行業(yè)社會對該專業(yè)應(yīng)用技術(shù)人才要求不斷提高的原因之一。

因此，積極實(shí)踐工程教育理念，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)能力的培養(yǎng)，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下、應(yīng)用技術(shù)能力培養(yǎng)不夠的現(xiàn)狀，進(jìn)行研究和改革。就迫切需要在現(xiàn)有教學(xué)條件和教學(xué)模式基礎(chǔ)上改革傳統(tǒng)的教學(xué)手段，將虛擬仿真系統(tǒng)引入到水利工程施工課程教學(xué)中來，以滿足知識以及應(yīng)用技能培養(yǎng)的需求，提高水利專業(yè)人才的能力和素質(zhì)培養(yǎng)。

2水利工程施工課程的教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

作為專業(yè)技術(shù)課程，《水利工程施工》課程要求具有較強(qiáng)的實(shí)踐操作能力，在有限的學(xué)校學(xué)習(xí)時間內(nèi)，學(xué)生要掌握多種施工方法和技術(shù)，因此，在課程的教授過程中，學(xué)生不但要自學(xué)能力比較的，而且對老師的教學(xué)水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也提出更高要求。在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，教師向?qū)W生教授知識，偏重于理論而忽視了實(shí)踐技能。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，被淹沒在深奧的理論和枯燥的原理中，容易失去學(xué)習(xí)興趣，隨著時間推移，這種情況成為惡性循環(huán)[1]。由于這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式便于課堂管理、易于授課進(jìn)度控制、學(xué)生安全等，迄今為止仍被采用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，知識的廣泛交流與更新速度加快，這種灌注式教學(xué)方式，不利于挖掘、發(fā)揮學(xué)生潛能，也不適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)需要。在這種方式下培養(yǎng)的學(xué)生，很大程度上本身的創(chuàng)造能力和思考能力相對不足，學(xué)生也難以實(shí)應(yīng)社會對應(yīng)用型技能人才能力的要求。因此，在《水利工程施工》這種時間要求比較高的課程教學(xué)中提出新的教學(xué)方式方法，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)習(xí)氣氛生動活潑，培養(yǎng)并提高學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐技能。[2-3]。

2.1師資力量的配備

由于水利工程施工課程實(shí)踐性，綜合性，獨(dú)立性和理論跨度大的特點(diǎn)，缺少施工經(jīng)驗(yàn)的教師授課帶來兩個問題：一是思想觀念。教學(xué)過程中重理論、輕實(shí)踐，照本宣科，過分強(qiáng)調(diào)知識的系統(tǒng)性、全面性和嚴(yán)密性，忽視實(shí)踐應(yīng)用能力的提高。二是實(shí)踐能力不足。大部分教師是從學(xué)校畢業(yè)后，直接走上講臺，缺乏實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，難以勝任對學(xué)生應(yīng)用技能的提高。

2.2教學(xué)體系和教材

現(xiàn)在的教學(xué)模式很大程度上采用精英教育的教學(xué)模式和體系，比較重視知識的體系和知識教授，但忽視了應(yīng)用能力的培養(yǎng)。教材采用精英教育教材，覆蓋了水利工程中施工方面的各個內(nèi)容，內(nèi)容全面，但實(shí)踐內(nèi)容不足，不適應(yīng)應(yīng)用型技術(shù)人才的培養(yǎng)要求，課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對工程實(shí)際操作不能理解，應(yīng)用技能得不到提升，很難解決水利工程施工實(shí)際問題。

2.3教學(xué)方式和方法

教學(xué)內(nèi)容陳舊、手段方法單一，與工程實(shí)際聯(lián)系不夠緊密。傳統(tǒng)的教學(xué)方式采用課堂教學(xué)方式，施工工藝方法等實(shí)踐知識通過教師以理論講授方式教給學(xué)生。由于教師本人很少從事過實(shí)際的工程建設(shè)，工程經(jīng)驗(yàn)明顯不足，講課過程中枯燥不夠生動，因此對課堂的把控和對學(xué)生注意力吸引明顯不夠；即便是學(xué)生有一些專業(yè)基礎(chǔ)，但由于綜合分析能力和實(shí)踐知識的匱乏，往往是被動的接受理論知識，對學(xué)習(xí)知識的渴望和實(shí)踐技能的提高主動性不夠，因此學(xué)習(xí)效果非常有限。

3虛擬仿真系統(tǒng)

目前水利工程施工課程的教學(xué)內(nèi)容限于“教材+相關(guān)工程案例”，教學(xué)形式也以教師講授為主，學(xué)生只能片面抽象認(rèn)識和簡單感官認(rèn)識，對水利工程施工過程缺乏完整了解，這種教學(xué)形式既造成理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，也不利于應(yīng)用技能的提升，而虛擬仿真系統(tǒng)通過以計算機(jī)模擬施工過程，改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，使學(xué)生通過虛擬系統(tǒng)對各個施工環(huán)節(jié)和工藝有直觀認(rèn)知，并通過虛擬仿真系統(tǒng)模擬真實(shí)工程施工情況成虛擬環(huán)境[4]，引入學(xué)生沉浸式實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練，提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。

3.1虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]

系統(tǒng)結(jié)合水利工程施工自身具有的特點(diǎn)，形成基本內(nèi)容模塊，實(shí)現(xiàn)課程在應(yīng)用實(shí)踐能力培養(yǎng)方面的主要功能。主要以三維動畫模擬、同步配音解說、錄像片段等部分組成。

虛擬仿真系統(tǒng)中動畫模擬采用CAI制作，將水利工程施工過程在虛擬環(huán)境中真實(shí)再現(xiàn)，模擬場景逼真，模擬出工程材料的生產(chǎn)、施工的工序、采用的機(jī)械設(shè)備、施工進(jìn)度等，展示立體動態(tài)程施工過程。學(xué)生在虛擬場景中，根據(jù)學(xué)到的理論知識，自主進(jìn)行施工組織、進(jìn)度控制、機(jī)械選擇以及工序安排等，在實(shí)際操作過程中，提高實(shí)踐應(yīng)用能力。

3.2虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計思路

3.2.1虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)思路

鑒于水利工程施工課程本身具有的特點(diǎn)，在虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要考慮以下幾點(diǎn)：

1）水利工程涉及行業(yè)、知識和學(xué)科相對較多，在設(shè)計過程，為了使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期使用效果，要求系統(tǒng)本身效果逼真，動畫要求高，確保不同知識和學(xué)科的交叉要相互銜接流暢，以及其他相關(guān)內(nèi)容的連貫性。

2）為使用方便，虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該更加重視在虛擬環(huán)境中對工程建設(shè)真實(shí)場景的構(gòu)建，在操作虛擬系統(tǒng)時，命令操作清晰，人機(jī)對話直觀真實(shí)，虛擬場景中工程的建設(shè)與實(shí)際工程比較貼近，能最大程度上展現(xiàn)出工程施工者和管理者的能力。因此課程虛擬仿真系統(tǒng)在仿真系統(tǒng)模擬搭建過程中，認(rèn)真思考并融合課程教授內(nèi)容，將應(yīng)用技能與理論實(shí)踐進(jìn)行有機(jī)融合。例如混凝土壩施工模塊中，將混凝土知識一并融入，使混凝土原材料生產(chǎn)、準(zhǔn)備，混凝土制備，到大壩澆筑等過程全面。

3.2.2 虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計

虛擬仿真系統(tǒng)分別通過計算機(jī)windos窗口界面實(shí)現(xiàn)常見水利工程總布置、施工方法、施工機(jī)械、施工順序、施工安全控制等課程知識。在虛擬系統(tǒng)中，每個知識點(diǎn)被設(shè)計為獨(dú)立的虛擬場景模塊，按照工程施工順序，各場景模塊對應(yīng)知識獨(dú)立，但知識點(diǎn)之間又按照理論的順序相互關(guān)聯(lián)，學(xué)生在運(yùn)行時候，依次按照施工順序完成虛擬的場景切換。為體現(xiàn)虛擬系統(tǒng)的統(tǒng)一性，各虛擬模塊均采用相似布局、結(jié)構(gòu)[6]。

在學(xué)生實(shí)踐過程中，每虛擬模塊主要由命令輸入、參數(shù)確定、動態(tài)操作到結(jié)果輸出等過程組成。各過程順序與工程建設(shè)順序吻合，命令輸入確定實(shí)踐目的，參數(shù)輸入則確定工程建設(shè)相關(guān)要求，如施工開工時間、工期、施工范圍等，在此過程中，系統(tǒng)自動檢查數(shù)據(jù)合理性，檢測通過后方可進(jìn)入模擬操作階段；然后根據(jù)操作命令，虛擬系統(tǒng)將施工過程動態(tài)模擬，對操作過程后臺記錄，形成實(shí)踐結(jié)果后以結(jié)果輸出形式展現(xiàn)出來。虛擬系統(tǒng)的結(jié)果輸出主要包括：命令選擇、參數(shù)選擇、操作過程、結(jié)果匯總、結(jié)果輸出。通過結(jié)果輸出，將虛擬環(huán)境下的實(shí)踐過程直觀展現(xiàn)。該虛擬系統(tǒng)的構(gòu)思原理是將實(shí)際工程施工過程數(shù)字化，采用PictureBox控件，構(gòu)建工程真實(shí)場景框架，插入顯示、輸出的不同控件，這些插入的不同控件都成系統(tǒng)的場景的主要元素。這樣，在場景模擬以及轉(zhuǎn)化種，改變PictureBox下Visible的控制參數(shù)以及屬性，可以輕松實(shí)現(xiàn)不同不同場景的調(diào)用、運(yùn)行以及展示。在結(jié)果輸出種，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對所有操作過程進(jìn)行匯總，借助數(shù)據(jù)技術(shù)處理匯總，讀取在虛擬仿真系統(tǒng)中學(xué)生操作的全部過程數(shù)據(jù)。最后可以將操作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視頻動畫演示，程序從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，然后組合，再根據(jù)判斷結(jié)果實(shí)現(xiàn)不同路徑，以上過程放在Timer過程中，由Timer控件驅(qū)動產(chǎn)生運(yùn)動效果。

3.3計算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

本虛擬仿真系統(tǒng)具有windos操作簡單、可視化強(qiáng)，人機(jī)對話簡易等優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生的操作界面系統(tǒng)層級清晰，結(jié)構(gòu)簡單，人機(jī)對話的對話窗口、控制按鈕以及命令輸入框等交互部件由標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、下拉菜單等常見構(gòu)件控制[7]。學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤的操作輸入命令，實(shí)踐操作的簡易方便，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)踐，學(xué)生自信心也得到提升。虛擬仿真系統(tǒng)主要特點(diǎn)主要有：能充分利用常見的人機(jī)對話設(shè)計界面和生成菜單工具，把工程建設(shè)過程中的不同過程順序以及內(nèi)容用充分表達(dá)出來，雖然人機(jī)交互界面簡單，但內(nèi)容覆蓋全面；在學(xué)生實(shí)踐操作過程中，命令菜單簡單，采用鍵盤輸入和鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作，系統(tǒng)自動記錄學(xué)生的每一步操作過程，同時采用命令提示功能，用來防范學(xué)生在實(shí)踐過程中出現(xiàn)誤操作，提醒學(xué)生的不合理操作。只有當(dāng)學(xué)生正確完成當(dāng)前步驟，模擬系統(tǒng)才允許進(jìn)行下一步的操作。在虛擬仿真系統(tǒng)中，教師可根據(jù)自己對實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容的需要，上傳對接電子教案進(jìn)行指導(dǎo)，以便學(xué)生更好的開展實(shí)踐操作。

4基于計算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)對水利工程施工課程教學(xué)的幾點(diǎn)建議

針對水利工程課程教學(xué)現(xiàn)狀及課程教學(xué)中存在的問題，提出幾點(diǎn)建議：

4.1將應(yīng)用計算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)模式和理念融入教師隊(duì)伍的建設(shè)中，提高教師的實(shí)踐教學(xué)能力和水平

（1）讓施工課教師積極參加生產(chǎn)單位實(shí)踐鍛煉，吸取實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提高專業(yè)技能。（2）根據(jù)在實(shí)踐單位參與實(shí)際工程的情況，將有關(guān)實(shí)際工程通過計算機(jī)進(jìn)行模擬，創(chuàng)建真實(shí)工程的虛擬項(xiàng)目環(huán)境，把實(shí)際的工程引入日常的教學(xué)過程中來，把在野外的、實(shí)際工地上的工程搬到課堂上來，從而在實(shí)踐教學(xué)過程種，將理論知識與應(yīng)用技能進(jìn)行有效融合。

4.2在知識體系和教學(xué)資源方面體現(xiàn)計算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)的教育模式和理念

（1）采用與培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的知識體系和教學(xué)資源。讓學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐，提高學(xué)生的綜合能力素質(zhì)和實(shí)踐應(yīng)用能力。讓學(xué)生學(xué)以致用，學(xué)有所用；注重應(yīng)用實(shí)踐能力的整體要求，突出針對性和實(shí)用性；反映水利水電工程施工技術(shù)的先進(jìn)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（2）采用多元化的教材。教材是組織教學(xué)的主要依據(jù)，是教與學(xué)的主要工具，好的教材對保證和提高教學(xué)質(zhì)量非常重要[8]。單一的書本式教材應(yīng)被豐富多彩的現(xiàn)代化存儲手段代替。配合現(xiàn)代化的教材，融合計算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)，能增強(qiáng)學(xué)生的直觀接受能力，加深對施工過程的理解。采用能和實(shí)際的工程相結(jié)合的虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)資源，將實(shí)際工程的構(gòu)思、設(shè)計以及實(shí)現(xiàn)和虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行相結(jié)合，有效的融入到教學(xué)的環(huán)節(jié)和過程當(dāng)中來。

4.3將虛擬仿真系統(tǒng)系統(tǒng)充分運(yùn)用到教學(xué)方法和手段方面

（1）運(yùn)用行為導(dǎo)向法，圍繞虛擬仿真系統(tǒng)系統(tǒng)，創(chuàng)造教與學(xué)、教師與學(xué)生互動的社會交往情境。圍繞某一課題、問題或項(xiàng)目開展教與學(xué)活動，對個體行為能力進(jìn)行培養(yǎng)。

（2）教學(xué)手段的多樣性。由于水利工程施工過程復(fù)雜，通過施工教學(xué)錄像等多種教學(xué)方式[8]，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。配合工程現(xiàn)場參觀，增加學(xué)生對施工工藝等的認(rèn)識。將抽象的、零碎的知識與形象整體的實(shí)際工程融合起來，掌握所學(xué)知識。在實(shí)踐過程中，結(jié)合典型工程案例，進(jìn)一步拓寬學(xué)生視野。配合虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)踐練習(xí)，讓學(xué)生自己模擬操作，建立起聯(lián)系的觀念，即設(shè)計、施工相輔相成，不可分割。采用問題教學(xué)，啟迪學(xué)生思維模式[9]，配合以虛擬仿真系統(tǒng)，讓學(xué)生身臨其境，在虛擬工程環(huán)境中，通過問題的不斷提出和解決，掌握所學(xué)知識，提升自身實(shí)踐技能，開拓學(xué)生視野，啟迪學(xué)生思維。

目前，社會對應(yīng)用型人才的技能和素質(zhì)越來越重視，對創(chuàng)新以及綜合能力等方面都有比較高的要求，因此，應(yīng)該進(jìn)一步深化教學(xué)改革，將理論和實(shí)際工程密切結(jié)合，依托計算機(jī)仿真實(shí)際工程的虛擬系統(tǒng)，提高學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐技能，推進(jìn)水利工程施工課程教學(xué)的提高和創(chuàng)新。

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基金項(xiàng)目：2022年基于工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下水利高等教育教學(xué)改革研究課題：基于新工科背景下水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐的教學(xué)與探索，智慧水利人才培養(yǎng)探索與實(shí)踐研究；2023年浙江水利水電學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)課程：水利工程施工；浙江水利水電學(xué)院2023年教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目：基于案例教學(xué)的課程思政教學(xué)探索與實(shí)踐-以“水利工程施工”課程為例

作者簡介：王玉強(qiáng)（1978—），男，漢族，陜西富平人，碩士，副教授，主要從事水利工程施工教學(xué)與研究工作。