基于虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的水利工程類(lèi)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用研究

金斌斌　馬繼俠　張舒羽

【摘要】以能力本位為施教理念，秉承“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的設(shè)計(jì)原則，引入虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建水利工程虛實(shí)互補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)體系，解決水利工程類(lèi)實(shí)踐教學(xué)受時(shí)空限制等問(wèn)題。通過(guò)創(chuàng)設(shè)立體化情境式教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的真實(shí)感，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自主性;配合教學(xué)管理平臺(tái)開(kāi)展混合教學(xué)、基于實(shí)踐操作軌跡開(kāi)展精準(zhǔn)教學(xué)評(píng)估，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)改革;虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué)

引言

水利工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在一定的難度。究其原因，主要有三個(gè)方面：①水利工程的空間體量巨大，無(wú)法將實(shí)際工程搬入學(xué)校隨時(shí)操練;②大部分水利工程位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，赴現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)耗時(shí)長(zhǎng);③實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、處理方法手段等隨水文、氣象等條件變化而調(diào)整，難以重現(xiàn)。導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)受時(shí)空限制，部分教學(xué)內(nèi)容想看看不了、想做做不了、做了做不全，無(wú)法將知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)化，容易產(chǎn)生“管中窺豹”的弊病。伴隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)虛擬工廠等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用，為高職水利工程類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)手段改革提供了新思路。

1思路與設(shè)計(jì)原則

傳統(tǒng)實(shí)體教學(xué)兼具視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)感官體驗(yàn)和觸感、力度等操作體驗(yàn)，應(yīng)優(yōu)先考慮。虛擬仿真教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法和手段的革新。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)模擬感官體驗(yàn)的外部設(shè)備，建立一個(gè)逼真的三維虛擬世界，提供參與者真實(shí)的沉浸感體驗(yàn)。虛擬仿真教學(xué)應(yīng)將重點(diǎn)放在實(shí)體實(shí)踐難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)技能教學(xué)中，發(fā)揮虛擬仿真對(duì)教學(xué)的補(bǔ)充、替代功能，秉承“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的設(shè)計(jì)總原則，并考慮直觀性、交互性、輕量化、方便性的原則，充分滿足線上線下、課內(nèi)課外混合教學(xué)需求。

2平臺(tái)建設(shè)與教學(xué)實(shí)施

（1）建設(shè)基于典型水利工程的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源

水利工程教學(xué)應(yīng)緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，符合實(shí)踐教學(xué)規(guī)律和技術(shù)技能型人才成長(zhǎng)規(guī)律。選取典型水利工程，收集工程設(shè)計(jì)圖紙、工程與周邊環(huán)境圖像，構(gòu)建三維仿真模型，虛擬工程現(xiàn)場(chǎng)。與水利行業(yè)、企業(yè)人員深入溝通交流，具像化典型崗位職責(zé)、工作內(nèi)容和技術(shù)要點(diǎn)，聚焦實(shí)體教學(xué)中看不到、做不了、難再現(xiàn)、操作難度高、操作危險(xiǎn)性大的工作內(nèi)容，校企合作，共同編寫(xiě)操作腳本、開(kāi)發(fā)人機(jī)交互虛擬仿真教學(xué)資源。既與實(shí)際水利工程問(wèn)題高度對(duì)接，又滿足高職教學(xué)需求和教學(xué)規(guī)律。

（2）構(gòu)建“模塊化、層次化”虛實(shí)互補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)體系

高職教育培養(yǎng)的是面向生產(chǎn)、管理、服務(wù)第一線具備綜合職業(yè)能力和全面素質(zhì)的高級(jí)技術(shù)技能型實(shí)用人才，須以能力本位作為施教理念，培養(yǎng)并強(qiáng)化實(shí)際工作的職業(yè)核心。因此在教學(xué)體系設(shè)計(jì)時(shí)，要以學(xué)生工程執(zhí)業(yè)能力培養(yǎng)為核心，根據(jù)模塊化教學(xué)和專(zhuān)業(yè)能力遞進(jìn)培養(yǎng)需求，以實(shí)體教學(xué)實(shí)訓(xùn)為主導(dǎo)，以虛擬仿真教學(xué)為補(bǔ)充，構(gòu)建“模塊化、層次化”水利工程技術(shù)實(shí)踐教學(xué)體系。

根據(jù)課程設(shè)置梳理教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)工程認(rèn)知、安全教育、質(zhì)量檢測(cè)、施工技術(shù)等課程教學(xué)模塊，分塊教學(xué)。根據(jù)專(zhuān)業(yè)能力遞進(jìn)培養(yǎng)設(shè)計(jì)分層項(xiàng)目，由簡(jiǎn)到難分為基礎(chǔ)層向技能層遞進(jìn)、技能層向綜合能力層遞進(jìn)，綜合能力層內(nèi)部階梯遞進(jìn)等多個(gè)層級(jí)?；A(chǔ)層以專(zhuān)業(yè)認(rèn)知能力培養(yǎng)為目標(biāo)，幫助學(xué)生形象掌握專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、強(qiáng)化作業(yè)安全意識(shí);技能層以強(qiáng)化測(cè)量、制圖、質(zhì)量檢測(cè)等單項(xiàng)專(zhuān)業(yè)技能為目標(biāo)，通過(guò)層內(nèi)模塊化教學(xué)教學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)基本技能;綜合能力層級(jí)以技能工種鑒定考證和崗位升遷形式，施工管理模塊設(shè)技術(shù)員（施工員/安全員/質(zhì)檢員/造價(jià)員/材料員）、部門(mén)技術(shù)負(fù)責(zé)和項(xiàng)目經(jīng)理三個(gè)層級(jí)，運(yùn)行管理模塊設(shè)初級(jí)工、中級(jí)工、高級(jí)工、技師和高級(jí)技術(shù)五個(gè)層級(jí)。以層級(jí)遞進(jìn)的形式，逐步加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)技能的掌握，以滿足實(shí)際生產(chǎn)崗位對(duì)專(zhuān)業(yè)人才的技術(shù)技能要求。

（3）開(kāi)展“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”混合教學(xué)實(shí)施

依托可承載數(shù)字化資源和虛擬仿真軟件的教學(xué)云平臺(tái)，與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)聯(lián)合，打造“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”教學(xué)管理平臺(tái)，創(chuàng)新以教師為組織者，以學(xué)生為主體的線上線下混合教學(xué)模式。教師提前完成資源導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)工作情境，設(shè)置單元教學(xué)目標(biāo)，發(fā)布工作任務(wù);課前布置學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)、了解基本技能操作;課中引導(dǎo)學(xué)生自主分工、合作開(kāi)展實(shí)踐操作，啟發(fā)式組織學(xué)生分析討論，梳理工作過(guò)程，掌握工作要點(diǎn);課后在線答疑、點(diǎn)評(píng)作業(yè)、組織考核。學(xué)生積極主動(dòng)參與課程教學(xué)全過(guò)程，課前通過(guò)學(xué)習(xí)地圖指引，完成線上自學(xué)和虛擬仿真單項(xiàng)訓(xùn)練;課中開(kāi)展生生互動(dòng)、師生互動(dòng)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成學(xué)習(xí)任務(wù)，掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)、熟練實(shí)操技能;課后完成作業(yè)和考核，結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)度逐步完成層級(jí)遞進(jìn)。

依托教學(xué)管理平臺(tái)，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景、功能、資源、師生的聚合和對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)、技能實(shí)訓(xùn)操作痕跡、教學(xué)實(shí)施過(guò)程軌跡的采集，實(shí)現(xiàn)“理論教學(xué)、虛擬仿真、實(shí)物實(shí)訓(xùn)、鞏固考核、統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)”等教學(xué)環(huán)節(jié)全過(guò)程協(xié)同管理、閉環(huán)控制。通過(guò)多維度、多層次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和分析，還能精準(zhǔn)評(píng)估學(xué)生個(gè)體、班級(jí)整體學(xué)習(xí)效果，助力教學(xué)反思與改進(jìn)。

3虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)改革效果

（1）解決了水利工程類(lèi)實(shí)踐教學(xué)載體難入課堂現(xiàn)象

虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水利工程全景三維呈像，結(jié)合圖紙可以看到隱蔽工程、水下工程，也能任意旋轉(zhuǎn)、剖開(kāi)工程結(jié)構(gòu)，晦澀難懂的工程圖紙有了實(shí)體對(duì)比，提高了學(xué)生對(duì)工程圖紙的識(shí)讀能力。部分水利工程險(xiǎn)情和設(shè)備故障，在現(xiàn)實(shí)工程中不允許出現(xiàn)、出現(xiàn)即處理，無(wú)法留待學(xué)生實(shí)踐操作;運(yùn)行管理工作隨天氣、水位變化處理方法不同，施工管理要做到雨季防潮、夏季降溫、冬季防凍等，一門(mén)課程的教學(xué)時(shí)間有限，無(wú)法同步開(kāi)展教學(xué)實(shí)施。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過(guò)模型呈現(xiàn)、時(shí)間進(jìn)度控制、人機(jī)交互操作等，將上述問(wèn)題輕而易舉的加以解決，充分體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。

（2）解決了實(shí)訓(xùn)資源不足和實(shí)訓(xùn)成本消耗問(wèn)題

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備更新迭代速度快，受資金和場(chǎng)地影響，部分高校新增儀器、設(shè)備的臺(tái)套數(shù)量不足，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)分組人數(shù)過(guò)多、實(shí)驗(yàn)周期超長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了實(shí)踐教學(xué)效果。考慮實(shí)訓(xùn)耗材和實(shí)訓(xùn)室管理成本節(jié)約，實(shí)體實(shí)訓(xùn)開(kāi)展次數(shù)有限，部分學(xué)生難以沒(méi)有完全掌握技能、更不用提熟練掌握。虛擬仿真技術(shù)是解決上述問(wèn)題最理想的措施，學(xué)生可以獨(dú)自操練，也可分組多人實(shí)訓(xùn)，可以反復(fù)操練而不增加耗材費(fèi)用，為學(xué)生提高技能水平提供了良好的實(shí)訓(xùn)條件。

（3）實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地開(kāi)展技能訓(xùn)練的要求

教學(xué)管理平臺(tái)有導(dǎo)學(xué)、有演示，可師生互動(dòng)、在線答疑，能即學(xué)即練、即學(xué)即考，學(xué)生可隨時(shí)隨地登陸虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)自主性，學(xué)生可以自行規(guī)劃學(xué)習(xí)時(shí)間和進(jìn)度，提高碎片時(shí)間利用率。借助教學(xué)管理平臺(tái)考核體系，為師生提供教與學(xué)的有效評(píng)估，形成了教與學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一。

4結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)基于信息技術(shù)、智能技術(shù)，創(chuàng)建與真實(shí)工作場(chǎng)景近似的虛擬環(huán)境，通過(guò)立體化情境式教學(xué)，使學(xué)生產(chǎn)生介入真實(shí)工作的感覺(jué)，可以更直觀地體驗(yàn)工作過(guò)程、更深刻地領(lǐng)悟職業(yè)素養(yǎng)需求，是提升課程教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。當(dāng)然，現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)還存在情景模擬不夠逼真、多人協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)難度大、虛擬場(chǎng)景和實(shí)體操作結(jié)合不夠緊密、實(shí)操痕跡數(shù)據(jù)讀取不夠連貫等問(wèn)題，隨著今后虛擬仿真技術(shù)水平的不斷提升和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的不斷深入，這些問(wèn)題將一一得到解決，虛擬仿真技術(shù)對(duì)提高教學(xué)和學(xué)習(xí)效率，最大限度減少人、財(cái)、物和時(shí)間的消耗的突出優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯。

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作者簡(jiǎn)介：金斌斌（1976年6月—），女，漢族，浙江嘉興人，浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院水利工程學(xué)院，博士在讀，副教授，主要從事水利工程技術(shù)和水利信息化教學(xué)與科學(xué)研究。