“新工科”背景下農業水利工程專業工程實踐教學方式的探索

摘 要：隨著“新工科”、教育信息化和智慧灌區的發展，傳統的農業水利工程專業實踐教學已經難以滿足“新工科”背景下人才培養的要求。本文在分析“新工科”背景下加強實踐教學的必要性、教育信息化對傳統實踐教學的新要求和數字孿生灌區的建設與發展對實踐教學方式的要求的前提下，提出了“新工科”背景下農業水利工程專業工程實踐教學方式應由“虛擬仿真”向“數字孿生”轉變，并構建了數字孿生灌區建設框架和思路，為培養理論基礎扎實、實踐能力強、創新意識突出的高素質復合型農業水利工程專業人才提供了實踐保障。

關鍵詞：新工科；農業水利工程；實踐教學；虛擬仿真；數字孿生

中圖分類號：G434

一、概述

自2017年“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”發布以來，“新工科”建設已取得顯著成果，推動了我國工科高等教育的快速發展［1］。然而，面對新科技革命和產業變革，需要提前布局人才培養，特別是培養具有創新意識、數字化思維和跨界整合能力的“新工科”人才。當前，農業水利工程建設在智慧化方面存在短板，發展現代智慧灌區成為農業發展和糧食增產的主要趨勢。因此，農業水利工程專業人才培養需突破教學資源、理念和模式的限制。在傳統實踐教學基礎上，應瞄準智慧灌區發展需求，運用大數據、人工智能等前沿教育技術與理念，構建智慧教育新生態。通過加強智慧化實踐教育，為教育教學模式改革提供新方案，旨在全面提高人才自主培養質量，滿足未來產業發展對新型工科人才的需求，推動農業水利工程與智慧技術的深度融合與發展。

二、“新工科”背景下加強實踐教學的必要性

實踐教學是學生培養理論聯系實際的能力、提升能力素質、激發學習興趣和了解行業發展的重要途徑［2］。我國高校實踐教學雖包括認識、生產和課程實習等多種形式，但與發達國家相比仍有差距，且受社會經濟、家庭觀念和教學體制變化影響，存在經費不足、學生主動性欠缺及實習內容表面化等問題，影響教學效果。在“新工科”背景下，農業水利工程專業人才培養需要加強實踐教學，培養創新型復合人才。傳統專業要求掌握勘測、規劃、設計、施工等基本技能，但信息時代需要融合智能制造、云計算、人工智能等技術進行升級改造。未來新興產業需要的是實踐與創新能力強、具備信息化應用和管理能力的高素質復合型“新工科”人才。因此，農業水利工程專業需要結合信息化技術，創新實踐教學方式，對學生進行多課程、多層次、全方位的綜合訓練，旨在使學生在掌握基本理論和技術的同時，全面提升實踐能力和信息化、智能化應用能力，以適應“新工科”背景下對高素質復合型人才的迫切需求，這是當前農業水利工程專業實踐教學亟待探索和解決的關鍵問題。

三、教育信息化對傳統實踐教學的新要求

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》［3］和《中國教育現代化2035》［4］均強調信息技術對教育發展的革命性影響，對傳統實踐教學提出了新的要求。

在教學理念方面：傳統實踐教學理念陳舊，難以滿足學生的個性化需求，不利于學生的長遠發展。教育信息化倡導以學生為中心，關注個性化需求和學習風格，注重培養批判性思維、解決問題能力及信息素養。

在教學方法方面：傳統實踐教學形式單一，以驗證性實驗為主，缺乏創新。教育信息化要求深度融合信息技術，利用多媒體、在線視頻、虛擬實驗等豐富教學內容，通過智能系統、個性化學習路徑提升學生的興趣與參與度，培養學生的創新思維和實踐能力。

在教學資源方面：傳統實驗設備功能單一，學生動手機會少。教育信息化要求整合優質資源，搭建在線實踐教學平臺，提供便捷、高效的學習環境，補充傳統實踐教學不足，滿足多樣化需求。通過整合信息技術與實踐教學，實現教育理念、方法和資源的全面升級，促進學生全面發展，適應信息化時代教育變革要求。

四、數字孿生灌區的建設與發展對實踐教學方式的要求

目前，我國灌區建設已歷經1.0時代和2.0時代，實現從依靠灌溉水量到應用節水技術質的飛躍。《加快推進新時代水利現代化的指導意見》提出到2050年，全面實現水利現代化，并指出全方位推進智慧水利建設，大幅提升水利信息化水平。在此背景下，數字孿生灌區建設成為智慧水利和現代化灌區的重要標志及發展方向。

數字孿生灌區對保障國家糧食安全、適應信息技術發展和實現灌區現代化具有重要意義。通過深度應用數字孿生技術，構建監測感知體系、數據底板、灌區一張圖及應用系統，實現灌區的數字映射、智能模擬和前瞻預演，提升管理水平，推進現代化建設。然而，數字孿生灌區的發展對農業水利工程實踐教學提出更高要求。為適應這一趨勢，亟須加強數字孿生技術、云計算、大數據、人工智能、物聯網等現代信息技術在農業水利工程中的實踐應用。通過強化這些技術的融合與創新，不僅能夠提升灌區建設的智能化水平，還能為農業水利工程專業人才培養提供新的實踐平臺和教學資源，滿足新時代對高素質復合型水利人才的需求，推動灌區向更高質量、更智慧化的方向發展。

五、“新工科”背景下農業水利工程專業工程實踐教學方式的探索

（一）虛擬仿真技術在農業水利工程專業工程實踐教學中的應用

自2013年起，教育部積極推動高校探索虛擬仿真實驗教學資源建設，取得了顯著成果。例如，2018年上線的“實驗空間”平臺促進了虛擬仿真課程的共享，而2020年更有728門虛擬仿真實驗教學課程被認定為國家級一流本科課程，為“新工科”專業升級提供了重要支撐。

西安理工大學積極響應此號召，建立了多個虛擬仿真實驗中心，其中農業水利工程專業更是結合西北地區實際，建成了西北農田高效滴灌系統虛擬仿真實驗教學系統。該系統以滴灌系統的計算、設計和施工為核心，涵蓋多個生產環節，構建了全面的虛擬教學體系。通過該系統，學生能夠從基本概念學習到全面了解滴灌系統設計與施工，將理論知識與現代高效節水農業實踐相結合，培養探究式學習能力和創新能力。

這一虛擬仿真項目的實施，有效打破了課堂與實踐的界限，使學生能夠在短時間內掌握復雜的概念和技能。它利用信息化技術，以虛補實，虛實結合，極大地激發了學生對現代農業水利的興趣，提高了學生的學習效率。然而，仿真雖能模擬現實規律，但仍以驗證性實驗為主，與實際農業水利工程的規劃、設計、施工和管理存在差距。

因此，為滿足數字孿生灌區對人才培養的需求，西安理工大學積極尋求與大型灌區的合作，旨在構建既能服務于灌區運行管理，又能滿足高校人才培養需求的數字孿生灌區系統。這一舉措將進一步提升學生的實踐能力，縮小理論與實踐之間的差距，為培養適應未來農業水利工程發展需求的高素質人才奠定堅實基礎。

（二）數字孿生技術在農業水利工程專業工程實踐教學中應用的必要性

數字孿生技術可以提升實踐教學的真實性和有效性，滿足我國農業發展對人才高標準要求的需要。數字孿生技術在農業水利工程實踐教學中的應用，顯著提升了教學的真實性和有效性，滿足了我國農業發展對高素質人才的需求。相較于虛擬仿真技術，數字孿生技術能創建實體工程的虛擬映射，集成多源數據，生成實時、精確反映真實世界狀態的數字模型。學生在這一高度仿真、實時互動的虛擬環境中，能深入體驗和理解農業水利工程的運作原理及操作流程，較傳統理論教學或實地參觀更具實效。

數字孿生技術可以增強實踐教學的互動性和參與性，搭建理論與實踐學習的橋梁。通過實時反饋與交互機制，學生能在虛擬環境中操作，觀察系統響應，這種主動探索的學習方式激發了學生的興趣，幫助他們深入理解農業水利工程的復雜性和多樣性。此外，教師可以模擬不同場景和條件，使學生能在短時間內掌握多種工況下的系統變化，有效解決了理論與實踐脫節的問題。

數字孿生技術可以打破課堂實踐壁壘，提高實踐教學的安全性和經濟性。在農業水利工程專業中，一些實踐教學環節可能存在一定危險或高成本的操作。例如，實地參觀大型水利工程可能存在安全風險，而實際操作大型水利設備可能成本高昂。數字孿生技術可以在虛擬環境中模擬這些操作，使學生在安全、經濟的條件下進行實踐學習。這不僅可以降低實踐教學的風險和成本，還可以提高實踐教學的靈活性和可擴展性。

數字孿生技術可以對接產學研戰略需求，促進實踐教學與科研創新的融合，提升實驗教學的深度與廣度。構建數字孿生模型不僅為學生提供了深入探索農業水利工程運行原理和優化方法的平臺，也為科研項目的研究和驗證提供了有力支持。教師可將最新科研成果轉化為教學資源，豐富教學內容，提升實踐教學的深度和廣度，從而培養出既懂理論又善于實踐的復合型農業水利工程人才，為我國農業的持續健康發展提供堅實的人才支撐。

（三）數字孿生實踐教學資源的構建思路

校企聯合，搭建灌區數字孿生平臺。數字孿生灌區是智慧水利建設的關鍵部分，它通過現代技術將實體灌區映射至數字世界，構建與實體一一對應的數字模型，實現同步運行與迭代更新。該技術融合數據輸入、一張圖建設、在線監測、無人機、無人船、遙感、視頻監控等天地一體化感知技術，以及自控技術、地理信息技術、AR/VR技術等，旨在實現灌區管理的數字化、智能化、可視化，提升灌溉效率，節水增效，確保糧食安全。

企業和灌區管理部門有建設數字孿生灌區的實際需求，而高校在科研、教學、人才培養上獨具優勢。校企聯合搭建數字孿生平臺，可整合雙方資源，實現優勢互補。高校提供理論支撐、技術研發與人才培養，企業則貢獻資金支持、技術實現與市場推廣力量。這種合作模式不僅可以促進灌區經濟發展，還可以為農業水利工程專業的教學與科研提供堅實后盾，形成互利共贏的良好局面。

根據水利部印發的《數字孿生灌區建設技術指南》，灌區需要解決水量監測、用水監控、水庫監測、資源配置及閘站調度等關鍵需求，建設涵蓋基礎設施、孿生平臺、業務應用、用戶管理、網絡安全及維護體系，實現全過程模型模擬，支撐水資源合理利用、智慧調度及“四預”功能，為灌區管理提供科技支撐［56］。

數字孿生灌區依托物聯網技術，通過連接感知設備收集實時數據，實現立體感知和自動控制。其核心是數字孿生平臺，包括底板數據、知識庫和模型庫，如來水預測、需水預測等模型，以制訂水量分配、調度和防洪方案。業務應用平臺則整合測控、視頻監控等資源，形成大數據中心，并運用可視化技術對物理灌區進行數字化表達，促進信息技術與水利業務融合。這一構建不僅提升了灌區管理水平，還為高校提供了豐富的實踐教學資源。通過數字孿生灌區，學生能在更接近實際的環境中學習，滿足學生不同的學習需求，促進理論與實踐的深度融合，為培養水利工程專業人才提供有力支持。

結語

“新工科”背景下，農業水利工程專業實踐教學面臨資源、理念和模式制約，難以適應教育信息化和智慧灌區發展。本文探索發現，虛擬仿真技術雖然能夠促進實踐教學，但數字孿生技術的應用更為必要。為滿足“新工科”要求，高校應與企業合作，共同構建數字孿生灌區資源。這一舉措不僅能提供更豐富、多樣的實踐教學資源，滿足學生不同的學習需求，還能推動農業水利工程專業的升級改造，使其更好地融入智能制造、云計算、人工智能等新技術，從而培養出適應未來灌區發展需求的高素質人才。

參考文獻：

［1］羅先鋒，竇錦偉.新工科建設進展、成效、問題與對策研究：以福建省為例［J］.集美大學學報（教育科學版），2022，23（4）：6471.

［2］聶衛波，白清俊，魏芳，等.農業水利工程專業生產實習教學模式探索［J］.科技創新導報，2017，14（24）：235238.

［3］國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（20102020年）.（20111029）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A01/s7048/201007/t20100729_171904.html.

［4］中共中央，國務院.中國教育現代化2035［EB/OL］.（20190223）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/201902/t20190223_370857.html.

［5］高占義，胡亞瓊，徐寧，等.山東濱州市三大引黃灌區數字孿生灌區建設與技術應用［J］.灌溉排水學報，2024，43（8）：16+29.

［6］肖宏宇，陳石磊，王帥，等.數字孿生灌區水資源調度管理平臺研究［J/OL］.長江科學院院報，19［20250811］.https：//link.cnki.net/urlid/42.1171.TV.20240914.1426.010.

基金項目：2022年西安理工大學教學研究項目：“新工科”背景下《運籌學》教學中工程思維的培養與實踐——以農業水利工程為例（編號：xqj2217）；西安理工大學課程思政校級精品示范課程《運籌學》

作者簡介：李山（1989— ），男，漢族，陜西安康人，博士研究生，講師，主要研究方向為農業水利工程。