基于虛擬仿真技術(shù)的水利水電工程概論課程教學(xué)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(yè)大學(xué)生入學(xué)的引導(dǎo)課程，而且是非水利類專業(yè)大學(xué)生的科普性課程。在介紹了虛擬仿真技術(shù)和水利水電工程概論的基礎(chǔ)上，文章分析了該課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，提出引入先進(jìn)教學(xué)技術(shù)虛擬仿真技術(shù)背景下的合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法和改革學(xué)生考核方法等教學(xué)體系一體化改革的教學(xué)模式。通過對該課程改革，構(gòu)建適應(yīng)高等工程技術(shù)應(yīng)用性人才培養(yǎng)需要的課程教學(xué)體系，從而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生由知識向能力的高效轉(zhuǎn)化，為兄弟院校開展該課程教學(xué)提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；虛擬仿真；水利水電工程

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

一、虛擬仿真技術(shù)簡介

虛擬仿真技術(shù)[1-3]是一種計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最新技術(shù)，把力學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)等理論融合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)及仿真技術(shù)而成一體的綜合應(yīng)用技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)與相關(guān)理論生滿足視、聽、觸覺等真實(shí)感的虛擬環(huán)境，設(shè)計(jì)者和師生可在這種虛擬環(huán)境中進(jìn)行相應(yīng)工程推演與實(shí)驗(yàn)操作。該技術(shù)[4-5]在一些重要軍事和民生重大工程等領(lǐng)域的教學(xué)科研與應(yīng)用蓬勃發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅在工程施工與管理等方面發(fā)揮了重要作用，而且是高校實(shí)踐性教學(xué)最安全、最高效和最低成本的先進(jìn)教學(xué)技術(shù)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(xué)全校本科各專業(yè)學(xué)生的水文化素質(zhì)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(xué)生和水利水電類專業(yè)剛?cè)雽W(xué)的學(xué)生認(rèn)識水利水電行業(yè)，學(xué)習(xí)水利水電工程建設(shè)的相關(guān)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(xiàn)代水利水電工程的發(fā)展趨勢。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠開闊視野，培養(yǎng)正確的水利觀，能夠客觀地看待人類治水的歷史，正確認(rèn)識水利水電工程的利益與不足。

三、目前該課程教學(xué)中存在的問題

（一）學(xué)生上課動力不足與積極性懸殊

教學(xué)改革加快了我校各專業(yè)教學(xué)進(jìn)程，本專業(yè)基礎(chǔ)課程吸引了大部分學(xué)生學(xué)習(xí)精力。有些學(xué)生，特別是文理科學(xué)院，連基本的水利水電工程專業(yè)知識都不了解，造成了學(xué)習(xí)動力不足、積極性差異懸殊。上課時(shí)，老師如果沒發(fā)現(xiàn)這種差異，采用“一刀切”的授課[7]，會造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣嚴(yán)重兩極分化。老師們給非水利類工程專業(yè)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(xué)生使命感和責(zé)任感，而且需要老師進(jìn)行教學(xué)改革。

（二）實(shí)踐與理論教學(xué)“兩層皮”

理論與實(shí)踐相結(jié)合較強(qiáng)不僅是水利水電工程概論的特色，而且體現(xiàn)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(shí)少，又無實(shí)踐經(jīng)費(fèi)支撐，造成只有理論無實(shí)踐。進(jìn)而形成學(xué)生上課聽老師講授的內(nèi)容都能聽懂，自己應(yīng)用或解釋問題就“蒙圈”[8]。當(dāng)要求學(xué)生用理解的語言解釋或描述說明相關(guān)工程問題、機(jī)理時(shí)，他們就腦袋空白了。這需要借助虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)同步，增強(qiáng)學(xué)生的理解與感性認(rèn)知，提高教學(xué)效率。

（三）學(xué)時(shí)與教學(xué)量的矛盾

目前，學(xué)時(shí)不能滿足教學(xué)內(nèi)容方面的需求。如果面面俱到，教師們感覺課程內(nèi)容講得蜻蜓點(diǎn)水，對不起良心；講授內(nèi)容多，學(xué)生又覺得講得快、掌握不了。通過虛擬仿真技術(shù)平臺，學(xué)生可以自己預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)水利水電工程概論教學(xué)內(nèi)容，課堂上節(jié)省出的時(shí)間可供老師深入完整教授重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，提高課堂教學(xué)效率和效果。

（四）概念抽象與原理復(fù)雜

該課程涉及到地質(zhì)工程、水文地質(zhì)、材料力學(xué)、水力學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等，不僅要學(xué)生克服“三多”（學(xué)科多、專業(yè)知識多、費(fèi)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(fù)雜，文科學(xué)生（沒學(xué)物理）很難理解和接受，因此，有的學(xué)生感覺這些知識像“無字天書”。這種情況下的教學(xué)效果不會好。通過虛擬仿真技術(shù)平臺，學(xué)生可以自己預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)水利水電工程概論課程中抽象的概念，自己動手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重力壩和拱壩工作原理等復(fù)雜理論，提高課堂教學(xué)效率和效果。

四、課程教學(xué)改革探索

（一）合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

課程的設(shè)立為學(xué)生今后從事本專業(yè)工作時(shí)具有良好的水利水電工程方面的基礎(chǔ)知識和基本能力起到了技術(shù)支撐的作用。在教學(xué)中就要結(jié)合實(shí)際的教學(xué)對象專業(yè)特點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，完成專業(yè)知識的銜接，如水文與水資源工程專業(yè)的學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)中對土石壩滲流理論、水閘防滲、生態(tài)環(huán)境需水理論進(jìn)行重點(diǎn)講授，使之與水文與水資源工程專業(yè)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(diào)度，才能實(shí)現(xiàn)人水和諧的生態(tài)調(diào)度”的連貫思路，這有助于學(xué)生在實(shí)際工作中的能力的培養(yǎng)。

（二）改革教學(xué)方法

1.“覺醒—興趣—引導(dǎo)”理論教學(xué)法。該課程上課對象主要是剛剛結(jié)束“填鴨式”教育、才上大學(xué)的新生，或是對水利知識空白的大學(xué)生。他們或厭倦“填鴨式”的教學(xué)方式，或?qū)λR無興趣，或?qū)λ粺o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(jìn)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(guān)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(xué)生興趣，變“要學(xué)生上課”為“學(xué)生要上課”。第二，如何“寓繁于簡、深入淺出”地把沉悶嚴(yán)肅的水利水電知識刻畫在學(xué)生心中，使學(xué)生時(shí)常有“原來如此”恍然大悟的感覺。第三，如何從非常規(guī)角度提出問題讓學(xué)生解決“小困難”，拋磚引玉引導(dǎo)學(xué)生，使得學(xué)生“耳目一新，越聽越新鮮”，引導(dǎo)學(xué)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(xué)生學(xué)”為“學(xué)生要學(xué)”。第四，如何傳授學(xué)生適宜的學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生“明珠見夜，點(diǎn)石成金”，變“學(xué)生學(xué)會”為“學(xué)生會學(xué)”。在理論教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際狀況，教師要優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，幽默式傳道，引導(dǎo)式授業(yè)，互動式解惑。教師要牢牢把握住課堂上的主導(dǎo)作用，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

2.“模擬專家”案例研討教學(xué)法。針對治河工程和水利工程生態(tài)調(diào)度的重點(diǎn)部分，結(jié)合學(xué)生身邊的龍湖、龍子湖或鄭州其他水系建設(shè)實(shí)際，要求學(xué)生以水利專家的身份在課前通過各種渠道進(jìn)行重點(diǎn)案例的搜集調(diào)研，加之學(xué)生自己的分析理解，在課堂中進(jìn)行“項(xiàng)目組答辯”和“評委團(tuán)評審”的案例研討教學(xué)。教師組織所有學(xué)生進(jìn)行案例研討，激發(fā)學(xué)生的興趣，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。不論是項(xiàng)目組的“專家”，還是評委團(tuán)“專家”在“模擬專家”案例研討過程中都學(xué)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(xué)生對課程理論知識的理解與應(yīng)用，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

3.“一見勝百聞”實(shí)物剖析教學(xué)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(xué)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(shù)，學(xué)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(qū)別，但是，通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)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(yīng)止水，而且加深理解混凝土重力壩和土石壩的各種聯(lián)系與區(qū)別。這種先進(jìn)科技教學(xué)合理運(yùn)用有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教師授課效果。再比如，講授“泵與泵站”，讓學(xué)生掌握如何實(shí)現(xiàn)水泵提水，了解泵站與水輪機(jī)區(qū)別。可以讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)虛擬仿真泵站驗(yàn)室，通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生親自參觀并操作水泵等設(shè)備，親身體會能看得見、“摸得到”的“實(shí)物”模型、流程模擬設(shè)備、電機(jī)等設(shè)備、現(xiàn)場施工圖。這種“親力親為”有助學(xué)生了解泵與泵站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理，這就能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大大提高教學(xué)效果。

通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生“參觀和操作”實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、原理，學(xué)到了更多知識，感性認(rèn)識很快上升到理性認(rèn)識，大大加深了對課程知識的理解。

（三）改革學(xué)生考核方法

1.考試試卷改革。試題不能考學(xué)生死記硬背，考后無用的死知識。學(xué)生應(yīng)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(yùn)用知識。如何對死的知識點(diǎn)靈活考核是門藝術(shù)?？茖W(xué)、準(zhǔn)確、全面地評價(jià)學(xué)生的基礎(chǔ)知識和綜合能力，課程的考核方式一改以往傳統(tǒng)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(xiāng)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(diǎn)“死”考題轉(zhuǎn)變成了“流動”活考題，由考死記硬背考試變成考查學(xué)生學(xué)習(xí)能力（發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題）的考題。如果在填空后讓學(xué)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(yùn)行保養(yǎng)和修復(fù)等，這樣既考查了學(xué)生對水工建筑物知識點(diǎn)的掌握，又考核了學(xué)生運(yùn)行養(yǎng)護(hù)管理知識。這樣的考試試卷有利于改變學(xué)生死記硬背應(yīng)付考試的壞習(xí)慣，有利于提高學(xué)生能力和素養(yǎng)。

2.考試時(shí)間改革?？荚嚨臅r(shí)間也需要改革，在平時(shí)上課我們隨機(jī)進(jìn)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(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，并不是到期末集中突擊，這有利于學(xué)生扎實(shí)地掌握知識。比如在虛擬仿真課上讓學(xué)生先講部分內(nèi)容，老師點(diǎn)評與給分。這樣不僅考核學(xué)生是否預(yù)習(xí)了，又考核了學(xué)生對知識掌握程度；同時(shí)，提高了學(xué)生學(xué)以致用和表達(dá)能力。

五、結(jié)論

借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過上述改革措施實(shí)施，有效地解決了水利水電工程概論非水利類教學(xué)中四大主要問題。相信在以后教學(xué)中，教師會更加自信，通過教學(xué)帶科研，科研促教學(xué)，不斷地創(chuàng)新教學(xué)方法和教學(xué)模式，來培養(yǎng)出更多更好的能適應(yīng)新時(shí)代需要的復(fù)合型水利水電工程應(yīng)用人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]李翠超，凌芳.虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（2）：129-132.

[2]蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（8）：76-79.

[3]郭桂蘋，南岳松.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究現(xiàn)狀及問題分析[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13（5）：175-178.

[4]黃少華，張德文，李小帥.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水利工程仿真中的應(yīng)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(tǒng)在水電站教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].高等建筑教育，2016，（4）：15.

[6]李宗坤，孫明權(quán).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(yè)石油工程概論課程教學(xué)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(shí)踐教學(xué)模式[J].教育教學(xué)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