水利信息可視化技術(shù)教學(xué)模式探索與研究

楊海波 張曉慶

摘 要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，水利專業(yè)化知識(shí)急需和虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行深度融合促進(jìn)教學(xué)與實(shí)踐。以培育創(chuàng)新能力與增強(qiáng)工程實(shí)踐為導(dǎo)向，建立“應(yīng)用+前沿”的課程大綱，建設(shè)基于仿真教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)模式，擴(kuò)充工程案例作為三維的“活教材”激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知能力，嚴(yán)格把握以仿真課程設(shè)計(jì)為控制目標(biāo)的考核模式，以科研項(xiàng)目促進(jìn)教學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)深化與創(chuàng)新能力培養(yǎng)增強(qiáng)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的水利信息可視化技術(shù)仿真教學(xué)模式探索與研究，將為水利工程教學(xué)、人才培養(yǎng)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)、乃至學(xué)科發(fā)展提供重要的支撐。

關(guān)鍵詞：水利信息；可視化技術(shù)；水利工程；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）20-0067-03

Abstract： With the development of information technologies， water conservancy specialization knowledge urgently needs to be deeply integrated with virtual simulation technology to promote teaching and practice. Aiming to educate the innovative and practical abilities， new type "application-frontier" course guideline was built， and simulation teaching platform were realized by adding many three dimensional （3D） samples from true engineering projects. Exam and test based on the 3D teaching platform were performed， and also scientific research projects were introduced into this teaching reform to make sure enhancing students' comprehensive abilities. The exploration and research of simulation teaching mode of water conservancy information visualization technology based on virtual reality will provide important support for water conservancy engineering teaching， talent training， virtual simulation experiment teaching center construction and even discipline development.

Keywords： water conservancy information； visualization technology； hydraulic engineering； simulation； experiment

傳統(tǒng)的教學(xué)觀念主要是“傳道、授業(yè)、解惑”，這種教學(xué)方法是以教為主，學(xué)生始終處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，現(xiàn)代化的教學(xué)方法要求改變傳統(tǒng)的課堂講授式為啟發(fā)引導(dǎo)式，賦予學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到教學(xué)中，構(gòu)建基于虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，可以創(chuàng)建逼真教學(xué)環(huán)境，從而為學(xué)生提供良好的人機(jī)交互功能[2]。虛擬仿真教學(xué)可以更高效的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，進(jìn)一步完善教學(xué)體系，整合相關(guān)學(xué)科的教學(xué)和人力資源[3]。越來越多的水利專業(yè)化的內(nèi)容需要和信息技術(shù)進(jìn)行深度融合。從專業(yè)發(fā)展對(duì)于人才培養(yǎng)的角度來看，越來越需要提高創(chuàng)新型水利人才與實(shí)踐型水利工程師的培養(yǎng)深度與效率。

一、虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)背景與意義

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)迅猛發(fā)展，聯(lián)合多種手段，如三維模型、PPT、音像等，能提供界面友好、形象直觀的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于發(fā)展聯(lián)想思維和建立新舊知識(shí)之間的聯(lián)系?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，它的實(shí)際應(yīng)用在理工科的教學(xué)中比較廣泛。哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，可三維可視化顯示市政、能源設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造及工藝流程等，可為環(huán)境工程和給水排水等本科專業(yè)提供直觀的教學(xué)輔助手段[4]。寧波大學(xué)和福州大學(xué)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，包含工程結(jié)構(gòu)、道路工程、給排水工程和水利工程等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。河海大學(xué)力學(xué)與水工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，開發(fā)了“創(chuàng)新研究型”、“專業(yè)實(shí)踐型”、“基礎(chǔ)擴(kuò)展型”三大類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生通過在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

本校進(jìn)行水利信息可視化技術(shù)仿真教學(xué)模式探索與研究的需求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，旨在貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》精神和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，全面提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[5，6]。因此，若要開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立，尤其要加緊課程仿真教學(xué)模式改革的步伐。2. 水利信息技術(shù)作為一門相關(guān)新興的交叉學(xué)科，可以很好的結(jié)合最新的信息技術(shù)促進(jìn)水利工程學(xué)科的發(fā)展，并逐漸起到尖兵作用。3. 水利信息可視化技術(shù)仿真是水利信息技術(shù)碩士專業(yè)和水利水電工程本科專業(yè)的主干專業(yè)必修課之一，開展水利信息可視化技術(shù)仿真教學(xué)模式探索與研究有利于整個(gè)學(xué)科教學(xué)水平的推進(jìn)。

二、虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)思路與內(nèi)容

水利信息可視化技術(shù)仿真教學(xué)模式探索與研究的整體思路如圖1所示。

本課程的教學(xué)研究內(nèi)容如下所示。

（一）建立以培育創(chuàng)新能力與增強(qiáng)工程實(shí)踐為主導(dǎo)的“應(yīng)用+前沿”課程大綱

根據(jù)水利水電工程專業(yè)工程教育認(rèn)證相關(guān)的要求，教學(xué)模式要服務(wù)于人才培養(yǎng)模式。對(duì)于要培養(yǎng)具備扎實(shí)理論基礎(chǔ)與創(chuàng)新能力的科研型人才和動(dòng)手能力強(qiáng)與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)方案，要求課程大綱也能滿足兩者的需要。增加目前在建筑與機(jī)械行業(yè)最前沿的“Building Information Modeling， BIM”，增加水利建筑的信息驅(qū)動(dòng)內(nèi)容，再進(jìn)一步增強(qiáng)工程的全生命周期理論，為水利專業(yè)工程師和創(chuàng)新人才一體化培養(yǎng)方案的修訂奠定基礎(chǔ)。因而制定“應(yīng)用+前沿”課程大綱，實(shí)行 “一體化教學(xué)”等，深化課程體系改革。明確把課程基礎(chǔ)知識(shí)、工程實(shí)踐素材、與科技前沿整合到課程大綱中。

（二）建立基于仿真教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)模式

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與水利工程教學(xué)緊密結(jié)合的思路，提出以仿真教學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)的教學(xué)模式。如在學(xué)習(xí)各種類型的大壩模型（包括大壩的不同部件），總結(jié)各自的特點(diǎn)、要素、計(jì)算方法、差異性與關(guān)聯(lián)性等內(nèi)容，及分析水利工程建筑物與地形相互關(guān)系等內(nèi)容，結(jié)合二維CAD圖形以及相應(yīng)不同部件三維模型與空間關(guān)系進(jìn)行展開[7]。讓水利信息可視化技術(shù)仿真課程教學(xué)從傳統(tǒng)的“板述”到目前的“PPT”再進(jìn)一步到“仿真教學(xué)平臺(tái)”這樣的一種教學(xué)模式。實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容與仿真教學(xué)平臺(tái)內(nèi)容設(shè)定的深度融合。

（三）擴(kuò)充工程案例作為三維的“活教材”激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知能力

通過收集目前國內(nèi)外已建的水利工程公布的素材，包括前期規(guī)劃方案、修改方案、最終方案、設(shè)計(jì)資料（水文氣象、地質(zhì)、工程單價(jià)等）、設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)進(jìn)度、設(shè)計(jì)成果、施工相關(guān)文件、工程管理運(yùn)行及維護(hù)等資料，構(gòu)建三維工程“活教材”案例庫。通過仿真教學(xué)平臺(tái)擴(kuò)展功能，增加相應(yīng)的全生命周期功能，從而可以使學(xué)生學(xué)習(xí)已建工程從規(guī)劃-設(shè)計(jì)-施工-管理一整套的內(nèi)容。擴(kuò)展了實(shí)際工程現(xiàn)場實(shí)習(xí)時(shí)不能了解工程設(shè)計(jì)過程全貌，從而可以激發(fā)學(xué)生的工程實(shí)踐認(rèn)知能力。

（四）基于仿真教學(xué)平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)為控制目標(biāo)的考核模式

對(duì)于水利工程可視化技術(shù)這一重要的專業(yè)課程，不僅強(qiáng)調(diào)常規(guī)考試來衡量學(xué)生撐握情況，更要抓住課程設(shè)計(jì)這一考核模式。通過仿真平臺(tái)中課程設(shè)計(jì)模塊設(shè)定不同內(nèi)容與情景讓學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并能把不同章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行有效的串起來，同時(shí)留有靈活性的自主設(shè)計(jì)的想法得以實(shí)現(xiàn)。從課程內(nèi)容的重要性和關(guān)聯(lián)性角度，制定基于仿真平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與次序，并建立考核機(jī)制與要點(diǎn)。應(yīng)用工作流程模式，對(duì)每一項(xiàng)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行布置，并設(shè)定評(píng)價(jià)調(diào)整理論學(xué)時(shí)和實(shí)踐學(xué)時(shí)比例。按照“基本能力→實(shí)踐能力→綜合能力”的實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)體系設(shè)定課程設(shè)計(jì)要點(diǎn)與考核指標(biāo)，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

（五）以科研項(xiàng)目促進(jìn)教學(xué)深化基礎(chǔ)知識(shí)與增強(qiáng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)

讓學(xué)生參與或?qū)唧w的科研項(xiàng)目進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與分析，不僅能提高專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，更有利用對(duì)水利工程創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。把水利工程虛擬仿真項(xiàng)目劃分為地形地質(zhì)仿真環(huán)境構(gòu)建、水利工程建筑模型構(gòu)建、水利設(shè)計(jì)方法知識(shí)庫構(gòu)建、人機(jī)交互輔助設(shè)計(jì)等子任務(wù)，并進(jìn)行子任務(wù)的解決方案制定，使之由淺入深、徐徐漸進(jìn)，從而有利于學(xué)生進(jìn)入研究狀態(tài)，不至太難而放棄。制定以研促教切實(shí)可行的方案，有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和組織協(xié)調(diào)能力。

三、結(jié)束語

水利工程乃至工程學(xué)科，具有很強(qiáng)的理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)結(jié)合緊密的需求，同時(shí)也有信息技術(shù)深入融合的可行性與先天優(yōu)勢(shì)。結(jié)合水利工程傳統(tǒng)知識(shí)與虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)行水利信息可視化技術(shù)教學(xué)模式探索與研究，從新型課程大綱、基于仿真教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)、三維“活教材”工程案例庫、以仿真課程設(shè)計(jì)的考核模式、科研促進(jìn)教學(xué)等內(nèi)容，以培育創(chuàng)新能力與增強(qiáng)工程實(shí)踐為導(dǎo)向，促進(jìn)了課堂教學(xué)與工程實(shí)踐的深入結(jié)合，學(xué)生們了解到水利三維設(shè)計(jì)及BIM的應(yīng)用前景，掌握了相關(guān)的技能，提高了學(xué)生積極性和主動(dòng)性及對(duì)水利工程大局觀與前沿性的認(rèn)識(shí)，水利工程專業(yè)與水利信息技術(shù)專業(yè)的學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得到較大提高，從而推動(dòng)了水利專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。對(duì)水利工程教學(xué)、人才培養(yǎng)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)、乃至學(xué)科發(fā)展提供重要的支撐。本項(xiàng)目的探索，促進(jìn)更多課程進(jìn)行仿真教學(xué)的應(yīng)用和推廣。

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