平原地區(qū)水閘施工全過程虛擬仿真實驗的建設(shè)探討

唐雙成 袁承斌

摘? 要：工程高素質(zhì)應(yīng)用型人才，對工科專業(yè)課程教學(xué)提出了更高的要求。本文引入虛擬仿真實驗技術(shù)提高水利工程施工課程實踐部分的教學(xué)效果，分析虛擬仿真實驗技術(shù)在水利工程施工課程引入的必要性以及滿足的基本條件;探索虛擬仿真實驗技術(shù)應(yīng)用在平原地區(qū)水閘施工全過程中的基本框架。以期采用虛擬仿真技術(shù)提高學(xué)生掌握水利工程綜合知識的能力。

關(guān)鍵詞：水利工程? 施工? 虛擬仿真? 水閘

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0033-03

Abstract： Engineering high quality applied talents have put forward higher requirements for the teaching of engineering courses. In this paper， virtual simulation experiment technology is introduced to improve the teaching effect of the practical part of hydraulic engineering construction course.The necessity of introducing virtual simulation experiment technology into the course of hydraulic engineering construction and its basic conditions are analyzed. The basic frame of the application of virtual simulation experiment technology in the whole construction process of sluice in plain area is explored. In order to improve students' ability to master comprehensive knowledge of hydraulic engineering by using virtual simulation technology.

Key Words： Hydraulic engineering; Construction; Virtual simulation; Sluice

虛擬仿真技術(shù)又稱虛擬實現(xiàn)，是采用計算機構(gòu)建系統(tǒng)實現(xiàn)真實系統(tǒng)再現(xiàn)[1]。其具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性，使人們能自然的沉浸其中，并擁有交互效能多維化的信息環(huán)境[1-2]。虛擬仿真技術(shù)已率先在游戲娛樂、房地產(chǎn)開發(fā)以及三維地理信息系統(tǒng)方面應(yīng)用;近年來，虛擬仿真在石油化工、固體力學(xué)等方面也進行了積極開拓性的實驗探索。水利工程施工是水利類高等本科院校的核心專業(yè)課程，一般在大學(xué)第三年下學(xué)期或第四年上學(xué)期開設(shè)，且課程一般需要安排10～20d不等的工程現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí)時間，課程學(xué)習(xí)過程中對以前學(xué)習(xí)的水工建筑物、水力學(xué)以及鋼筋混凝土等專業(yè)前導(dǎo)基礎(chǔ)課程進行系統(tǒng)的綜合，這些課程與水利工程施工課程交叉性較強[3-4]。水利工程施工要求學(xué)生掌握和運用各分部分項的施工技術(shù)、具體的施工程序以及施工組織等基本原理。水利工程施工綜合性強、資源消耗大、設(shè)備體積大、成本高、周期長，但學(xué)生現(xiàn)場實訓(xùn)時間有限，學(xué)生很難在實際項目的全部崗位和所有工程實施環(huán)節(jié)中受到完整地實踐能力訓(xùn)練，難以滿足水利工程高素質(zhì)應(yīng)用型人才工程實踐能力培養(yǎng)的需求。針對平原地區(qū)水工建筑物施工的特點，選擇典型水工建筑物——水閘進行虛擬仿真實驗的探索，以虛擬仿真作為輔助提高教學(xué)質(zhì)量。

1? 虛擬仿真實驗項目選題建設(shè)的必要性

水利工程施工是水利水電工程與農(nóng)業(yè)水利工程兩個專業(yè)的必修課程，也是水利工程實體建設(shè)的關(guān)鍵和核心，具有實踐性與綜合性強的特點。針對平原地區(qū)水工建筑物進行施工教學(xué)是其專業(yè)主要特色，在全國水利類高校中，特色鮮明。通過前期的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，與水閘施工全過程相關(guān)的虛擬仿真實驗項目仍然空缺;同時，水閘實體施工周期長，實驗構(gòu)建體積大、成本高、難度大，學(xué)生去施工現(xiàn)場旁站觀看，只能觀看局部環(huán)節(jié)施工過程，無法做到對水閘所有施工環(huán)節(jié)進行學(xué)習(xí)，也不能從整體上認知學(xué)習(xí)水閘施工的全過程;與此同時，近年來大型水工建筑物規(guī)劃建設(shè)越來越少，選擇建設(shè)中且典型的工地讓學(xué)生現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)也越來越難。與此同時，相當一部分學(xué)生畢業(yè)后會直接從事工程施工工作，另外從事設(shè)計與管理的同學(xué)也非常需要熟悉施工方面的內(nèi)容，而施工過程虛擬仿真實驗正好有助于本門課程的掌握，可解決學(xué)生的迫切需求問題。

為此，本項目選擇平原地區(qū)典型水工建筑物——水閘進行虛擬仿真實驗，讓學(xué)生對水閘施工的全過程有一個很直觀的認識和思考過程，同時學(xué)生借助虛擬設(shè)計技術(shù)能夠進行多樣化設(shè)計，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的水閘施工過程的合理配置，達到學(xué)生與工程的多層次互動和深層次交流，實現(xiàn)理論與實踐的緊密結(jié)合，解決過去施工實習(xí)只能熟悉部分施工過程、動手能力差的弊端，以實現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)目標，提高教學(xué)質(zhì)量。

2? 虛擬仿真實驗建設(shè)的基本條件

強大的教學(xué)團隊要求老師們具有豐富的施工、監(jiān)理與咨詢工程經(jīng)驗，需要老師們依據(jù)虛擬仿真實驗?zāi)繕?，提供實驗建設(shè)的基本思路，配套提供大量的工程實例以及對應(yīng)的案例素材;與此同時，團隊的老師們要熟悉國家以及地方水利工程質(zhì)量檢驗評定規(guī)范、監(jiān)理檢測規(guī)范、強制性條文等。

尋找專業(yè)的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司提供技術(shù)支撐，該公司應(yīng)擁有計算機仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)與推廣的能力，且最好具有高等院校、職業(yè)院?；蛘呖茖W(xué)研究院虛擬仿真實驗室的建設(shè)經(jīng)驗，能夠綜合考慮教學(xué)服務(wù)性以及人才的培養(yǎng)目標。

網(wǎng)絡(luò)、計算機條件要求：（1）計算機PC端和設(shè)備建議使用Microsoft Windows 7/8/10操作系統(tǒng);（2）PC端：Intel Core i3/i5雙核四線程桌面或移動低電壓處理器（或同級雙核x86構(gòu)架AMD處理器），主頻2.0GHz，4GB內(nèi)存，硬盤≥2GB，1GB獨立顯卡;（3）移動客戶端要求雙核處理器，主頻1.6GHz，至少保留2GB的ROM存儲空間;（4）網(wǎng)絡(luò)帶寬≥10M;（5）能夠提供的并發(fā)響應(yīng)數(shù)量并發(fā)用戶數(shù)量1000，提供在線排隊提示服務(wù)。

完善的虛擬仿真實驗室有利于實現(xiàn)老師主導(dǎo)，學(xué)生主體的教學(xué)方式，有助于學(xué)生對知識的快速掌握和理解;但完善的虛擬仿真實驗室需要消耗一定的財力、人力和物力，因此，需要各級領(lǐng)導(dǎo)的重視和支持。

3? 水閘虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)思路

針對平原地區(qū)水閘進行施工全過程虛擬仿真實驗，能夠反映水閘的整個施工過程，做到每一步都有不同施工條件與施工方案相結(jié)合。具體的實現(xiàn)對水閘的導(dǎo)截流工程、基坑排水、基坑開挖、基礎(chǔ)處理、鋼筋混凝土工程、砌石工程、回填土工程、閘門與啟閉機安裝、電氣設(shè)備安裝、圍堰拆除等施工過程進行虛擬仿真，具體見圖1，每一施工步驟提供可能的數(shù)種方案選擇，借助虛擬設(shè)計技術(shù)，使學(xué)生能夠進行多樣化設(shè)計，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的水閘施工過程的合理配置，達到學(xué)生與工程的多層次互動和深層次交流。最終，學(xué)生可針對不同環(huán)境條件選擇不同的施工方案，實現(xiàn)學(xué)生主體、老師主導(dǎo)的教學(xué)目標。

針對每一施工步驟要做到工程實物與可視動畫相結(jié)合，圖片與解說相結(jié)合，有虛有實，虛實結(jié)合，圖2顯示了某工程基礎(chǔ)處理的施工仿真實景，高效、立體、全局空間分布一目了然，讓學(xué)生真正的體會到多層次、模塊化的思路，學(xué)生針對每一施工步驟可以做不同的選擇，最終到達終點，對比不同方案的可能性。與此同時，虛擬仿真還可以與課題組老師的科研項目成果相結(jié)合，將科研成果適當?shù)募尤胩摂M仿真技術(shù)展示過程中，可以拓寬學(xué)生的實驗，聚焦理論知識結(jié)構(gòu)。在后期的建設(shè)中，在資源和財力允許的情況下，可以把不同施工步驟中對應(yīng)的概預(yù)算也加進虛擬仿真實驗中，使得整個工程從開始的圍堰導(dǎo)截流、基坑排水，到最后的混凝土工程和圍堰拆除，最后落腳在工程造價，整個系統(tǒng)組成一個閉環(huán)。虛擬仿真實驗技術(shù)應(yīng)用在實踐教學(xué)中，真正的實現(xiàn)以學(xué)生為主體，進行多層次多模塊自主選擇，虛擬與工程實例相結(jié)合的教學(xué)模式，進而實現(xiàn)虛實互補的目標，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新綜合能力。

4? 結(jié)語

水利工程施工是水利工程實體建設(shè)的關(guān)鍵和核心，具有很強的實踐性和綜合性。以平原地區(qū)水閘為典型水工建筑物，進行施工全過程虛擬仿真實驗，進行多層次多模塊自主選擇，虛擬與工程實例相結(jié)合的教學(xué)模式。提高學(xué)生掌握綜合知識的能力，通過虛擬仿真實驗技術(shù)為水利工程施工課程教學(xué)帶來一些新的思路。

參考文獻

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