信息化助力水電站課程教學創(chuàng)新研究

雷曉輝，龍巖，柴蓓蓓，張崢，張運鑫

摘? 要：在新時代背景下，針對水電站課程教學痛點問題，結(jié)合新時代大學生的學習特點，充分利用現(xiàn)代信息技術手段助力形成新的教學方法和科學的教學評價方式。（1）引入計算機編程技術，培養(yǎng)學生通過數(shù)值模擬計算解決水電站中水輪機選型、引水系統(tǒng)設計、調(diào)節(jié)保證計算等工程技術問題的能力。（2）通過自主研發(fā)水電站三維虛擬仿真平臺的開放式教學實訓系統(tǒng)，支撐學生進行線上線下的自主學習研究，進行水電站工程認知、水錘規(guī)律學習、工程調(diào)控措施選擇、復雜問題探索性研究等。（3）根據(jù)新時代對大學生發(fā)展的需求，借助信息技術構(gòu)建了“三多一細”的教學評價體系，更符合專業(yè)認證強調(diào)工程教育的基本質(zhì)量要求。（4）構(gòu)建綜合智慧教學體系，利用線上資源解決教學內(nèi)容問題，“轉(zhuǎn)動+翻轉(zhuǎn)”課堂解決教學方法問題，并將最新科研成果滲透到教學過程中，充分調(diào)動學生解決水電站相關工程問題的積極性。

關鍵詞：水電站;信息化;教學方法;教學評價

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）32-0054-04

Abstract： In the context of the new era， aiming at the pain points of the teaching of hydropower station courses， combined with the learning characteristics of college students in the new era， it makes full use of modern information technology to help form new teaching methods and scientific teaching evaluation methods. The methods include four points. The first one is introducing computer programming technology to cultivate students' ability to solve engineering technical problems such as hydraulic turbine selection， water diversion system design， and adjustment assurance calculations in hydropower stations through numerical simulation calculations. The second one is through the independent research and development of the open teaching and training system of the three-dimensional virtual simulation platform of hydropower stations， supporting students to conduct online and offline independent study and research， conduct hydropower station engineering cognition， water hammer law learning， engineering control measures selection， and exploratory exploration of complex issues research etc，. The third one is according to the needs of the development of college students in the new era， with the help of information technology， constructing a teaching evaluation system of "three more and one detail"， which is more in line with the basic quality requirements of professional certification emphasizing engineering education. The four one is building a comprehensive smart teaching system， using online resources to solve teaching content problems， "turn + flip" classrooms to solve teaching method problems， and infiltrate the latest scientific research results into the teaching process， fully mobilize students to solve engineering problems related to hydropower stations

Keywords： hydropower station; informatization; teaching method; teaching evaluation

教育部關于印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》[1]中明確指出：以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，是我國教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。推進信息技術與教育教學深度融合，實現(xiàn)教育思想、理念、方法和手段全方位創(chuàng)新。水電站課程是高等學校水利工程專業(yè)一門綜合性強、涉及知識面廣的必修專業(yè)課，新時代背景下，水電站課程在教學過程中應積極進行教學改革，教會學生自主學習;教為學服務[2]，適應未來工程行業(yè)發(fā)展的新需求。作為水電站課程的主講教師，必須要重新審視新時代背景下水電站課程面臨的教學痛點問題，抓準時機對水電站課程進行正確的定位，提升水電站課程的整體教學水平，提高學生對專業(yè)知識的理解及解決復雜工程問題的能力。

那么在水電站課程設計中如何應用信息化手段呢？通過資料的查詢得知，信息化手段在教學實踐中一般包含硬件、軟件和資源。硬件一般是指基礎環(huán)境和應用、服務環(huán)境，例如投影儀、交互電視、一體機無線網(wǎng)等這些教學的基礎環(huán)境，還有手機、平板、錄播系統(tǒng)、VR/AR設備等服務設備;軟件平臺要與硬件設備結(jié)合起來，才能發(fā)揮最大的作用，一般軟件包括雨課堂、超星等在線學習平臺、MOOC資源、資源庫、題庫等學習資源平臺、QQ和微信等溝通交流平臺;通常我們所了解到的用于教學的數(shù)字化資源包括：動畫、視頻、仿真軟件和微課。本研究主要是在硬件和軟件的基礎上，充分利用信息技術，從互聯(lián)網(wǎng)+入手破解水電站課程教學痛點問題。

一、水電站課程教學難題

水電站課程是水利工程專業(yè)的一門必需專業(yè)課，通過講述水輪機、引水系統(tǒng)及廠房三大知識點，讓學生掌握如何選取一臺水輪機、修一條引水渠、蓋一座廠房三大專業(yè)技能。但是目前水電站課程的教學主要是傳統(tǒng)的“注入式”教學方法，帶來一系列教學痛點問題：（1）涉及面廣：水電站由水輪機、引水系統(tǒng)、廠房及水工建筑物等部分組成，結(jié)構(gòu)復雜、設備眾多，涉及專業(yè)知識面廣，單純依靠教材不容易講清楚，學生也很難認識準確;（2）計算復雜：水電站存在大量的水力計算工作，學生基礎差異大，傳統(tǒng)的“教師照本宣科、學生被動接收”方式，容易導致學生知識掌握程度參差不齊;（3）實踐困難：水錘實驗具有破壞性和危險性，在實踐教學環(huán)節(jié)中面臨“無法讓學生親身體驗現(xiàn)場實驗”等困境，導致在專業(yè)知識理論與實踐教學間出現(xiàn)了教學斷層;（4）大班教學：學生眾多，很難實現(xiàn)個性化教學，同時學生的參與度很低，課堂教學以單向的知識灌輸為主、交流互動嚴重不足、難以真正教學相長。

這些痛點問題嚴重影響水電站課程達成度情況，與工程教育專業(yè)認證[3]的工作有些不符，因此需要對水電站課程教學方法進行創(chuàng)新，探尋“突出以學生為中心，關注產(chǎn)出實效”的新型教學模式?；诖耍娬菊n程在教學過程中除傳統(tǒng)授課外，還通過引入計算機編程技術，培養(yǎng)學生通過數(shù)值模擬計算解決水電站中的工程技術問題的能力;通過自主研發(fā)水電站三維虛擬仿真平臺的開放式教學實訓系統(tǒng)，以實際工程問題為導向，開展獨立操作、小組討論協(xié)作等多種動手實踐操作型活動，并對實驗結(jié)果進行總結(jié)歸納匯報，開展生生互評、教師總結(jié)等以學生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂活動。

二、OBE教學理念及多層次教學目標

在“成果導向教育”[4-5]（Outcome based education，簡稱OBE）理念指導下，以學生為中心，采用“轉(zhuǎn)動+翻轉(zhuǎn)”兩種課堂有機結(jié)合，實現(xiàn)水電站相關“知識、技能、素養(yǎng)”三層次教學目標;以“虛實一體、承創(chuàng)轉(zhuǎn)化、同異互進、情智相長”為原則，“價值、情感、認知、技能、行動”五維度融入水電情懷思政元素，進行教學過程設計;引入水電站虛擬仿真實驗平臺、雨課堂、MOOC、科普短視頻等多種新媒體及信息化技術手段，構(gòu)建綜合智慧教學體系;通過案例式、討論式、情景式、參與式等多重教學模式應用，保證學生掌握水輪機選型、輸水建筑物設計、廠房布置設計等基本技能與解決綜合性復雜工程問題的高階性行業(yè)發(fā)展新需求;結(jié)合課前、課中、課后師生互動、生生互動等方式，全過程跟蹤評價，持續(xù)反饋改進。構(gòu)建了“一個中心、兩種課堂、三個目標、四種原則、N種形式”的立體化智慧教學模式，全方位推進水電站課程課堂教學改革，將“45分鐘課堂”作為主戰(zhàn)場。

本課程以天津大學徐國賓主編的《水電站》為主體教材，構(gòu)建以問題導向為主線的立體化、多層次、多形式的課程教學目標。

1. 認知培養(yǎng)

融合多個版本的《水電站》現(xiàn)有相關教材與《水工設計手冊》《水力機械》等多個參考書，并結(jié)合團隊長期承擔的相關科研經(jīng)歷，形成大工程、智慧化特色的水電站課程教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生掌握水電站相關基本概念和理論。

大工程特色主要體現(xiàn)在以三峽、龍羊峽、錦屏等典型大型水電工程為案例，介紹水輪機、引水系統(tǒng)、水電站廠房等相關知識點。

智慧化特色主要體現(xiàn)在經(jīng)典水電站課程相關知識點講解過程中，介紹本學科在智慧化方面的最新進展，特別是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生、5G等智慧化新技術在水電站規(guī)劃、設計、施工和運行管理中的應用現(xiàn)狀及前景。

2. 技能培養(yǎng)

圍繞水電站課程的3大知識點：水輪機、引水系統(tǒng)和水電站廠房，通過針對性設置課后作業(yè)、課程設計和畢業(yè)設計，培養(yǎng)學生能夠根據(jù)工程特點，進行水輪機選型、輸水建筑物設計、廠房布置設計方面的專業(yè)技能，讓學生掌握水電站設計的基本方法。

3. 素養(yǎng)培養(yǎng)

通過課堂開放式討論、課程設計創(chuàng)新比賽等方式，引入基于Excel的VBA編程和虛擬仿真教學實驗平臺，培養(yǎng)學生運用相關知識，對水電站規(guī)劃、設計和運行中的復雜問題進行分析與優(yōu)化、比較與綜合的能力。

三、信息化助力教學方法創(chuàng)新

通過網(wǎng)絡平臺資源提升課程建設實效，疫情期間，利用雨課堂、騰訊會議等多種方式進行線上授課，課程教學團隊通過QQ群、微信群等與學生即時互動，釋疑解惑。同時公共平臺可以加強教師之間的資源信息共享，經(jīng)驗交流。萬物互聯(lián)時代，線上線下雙線教育號角已吹響，面對課堂教學改革，我們必須摒棄傳統(tǒng)思維模式，接納嶄新思維范式，從教育理念、價值觀，到教育行為、教育制度，建立一套完整的線上+線下、虛擬+現(xiàn)實的雙線立體教學思維模型，應對瞬息萬變的互聯(lián)網(wǎng)時代。針對教學痛點問題，結(jié)合新時代大學生的學習特點，充分利用現(xiàn)代信息技術手段助力形成新的教學方法[6]。

1. 通過運用設計圖紙、物理模型、現(xiàn)場實習、三維仿真教學平臺、數(shù)字孿生、動畫視頻等多途徑認識水電站，特別是自主研發(fā)了水庫大壩、水輪發(fā)電機、引水系統(tǒng)、廠房等三維仿真數(shù)字孿生平臺，從而首次實現(xiàn)了在計算機上進行水電站認識實習，解決了水電站綜合性強、涉及知識面廣，難以講解的難題。

2. 通過師生協(xié)同運用嵌入Excel的VBA編程語言，開發(fā)了引水明渠水力計算、水輪機選型等多個水力計算工具。其中，對編程能力強的學生可以指導其進行VBA二次開發(fā)和拓展問題研究，其他學生重在應用Excel進行計算、分析以及相關知識點的掌握。此外，通過引導學生課前利用仿真軟件操作手冊及視頻進行預習，課中進行Excel和仿真軟件的實驗、討論和測驗，課后進行深入分析、拓展探索和二次開發(fā)，提升學生解決復雜水力計算問題的能力。

3. 利用BIM等信息技術，自主研發(fā)了水電站虛擬仿真實驗平臺，首次實現(xiàn)了在計算機上進行水錘計算、調(diào)保計算等破壞性實驗和分析工作。在該平臺的使用過程中，引導學生開展課前視頻自學，課中分組實驗、教師輔導、小組討論掌握水錘的基本概念，并鼓勵學生開展課后拓展研究。此外，結(jié)合團隊承擔的科研項目設置課程設計題目，讓學生通過接觸實際工程的具體問題，真正提升學生分析和解決問題的能力。

4. 運用雨課堂輔助大班課堂測試，實現(xiàn)全員參與，并圍繞課程設計/創(chuàng)新比賽開展小班主題討論，提高學生積極性與參與度，解決大班教學存在的學生參與度低的問題。

四、科學的教學評價

專業(yè)認證強調(diào)工程教育的基本質(zhì)量要求，是一種合格評價[7]，其直接評價依據(jù)為各門課程的“課程達成評價”和“畢業(yè)要求達成評價”。傳統(tǒng)的教學評價基本上是一種總結(jié)性學習終端評價，它以甄別學生對知識掌握的水平與選拔優(yōu)秀學生為導向，是一種教師、教育主管部門、考試機構(gòu)等自上而下的對學生“定性”評價，只注重學生最終對知識的掌握程度，評價內(nèi)容統(tǒng)一、評價標準統(tǒng)一。這種教學評價不能完全適應新時代的發(fā)展特點，需要制定科學的教學評價方式。根據(jù)新時代對大學生發(fā)展的需求，借助信息技術構(gòu)建了“三多一細”的教學評價體系。

1. 多元化評價方式

教學評價包含階段考核和期末考核兩階段，評價形式包含線上評價和線下評價;階段考核貫穿整個課程期間，考核方式包括課堂小測試、學生提問、虛擬仿真實驗匯報、線上答疑、作業(yè)完成度等;期末考核采用試卷考試。

2. 多樣化測試手段

利用雨課堂、QQ群、問卷星等多媒體，評價學生知識的掌握情況;利用虛擬仿真平臺、計算機編程等信息技術，評價學生對知識、技能的運用情況;利用課后大作業(yè)、課程設計、期末考試等測驗手段，真實評價學生對知識、技能的理解情況。

3. 多途徑跟蹤反饋

除學校教務系統(tǒng)中的學評教、教評教外，同時采用問卷星小程序?qū)虒W效果跟蹤反饋。來自多個專業(yè)的學生對教學效果給出了90%以上的正向評價，認為基于虛擬仿真的智慧化教學模式激發(fā)了對課程的興趣、有助于加深對相關知識的理解，對教學效果表示滿意。

4. 詳細化評價標準

在階段考核和虛擬實驗操作考核中提供清晰合理的評價規(guī)則和標準，積極創(chuàng)造學生自我評價和同伴互評的機會。其中階段考核主要是從課程小測試、學生提問情況、虛擬仿真實驗得分、線上答疑和作業(yè)完成度五個方面進行考核，每項得分占總成績的10%。

課程小測試主要借助雨課堂、超星、智慧樹等教學輔助平臺進行測試;學生提問主要是通過學生的課前、課中的學習，從發(fā)現(xiàn)問題-提出問題-分析問題三個層面進行考核;虛擬仿真實驗得分主要是根據(jù)學生實驗任務完成度、基礎理論掌握情況、實驗流程合理性、實驗操作流暢性、實驗紀律、實驗匯報、測評考試以及實驗結(jié)果分析匯報等方面進行考查;線上答疑主要是利用線上資源解決課程中遇到的問題，例如通過文獻調(diào)研、視頻學習等對開放性題目的完成情況;作業(yè)完成度主要是統(tǒng)計平時的課后作業(yè)、大作業(yè)、課程設計等是否保質(zhì)保量完成。

五、實施效果

基于虛擬仿真的智慧化教學模式近幾年在教學中應用效果良好。使用虛擬仿真的智慧化教學模式之后（水工16級之后）：在認知目標層次上，水電站課程期末平均成績80分以上，目標達成度0.85以上，良好率逐年提升（圖1、圖3）;在技能目標層次上，課程設計完成情況逐年穩(wěn)步提升，成績良好率逐年提升（圖2），學生技能達成度增加顯著;在素養(yǎng)目標層次上，畢業(yè)生從事水電站相關工作，解決綜合性復雜工程問題能力提升，得到用人單位廣泛好評，供需比連續(xù)三年超過1：2。

六、結(jié)束語

基于問題導向，突出學生中心、關注產(chǎn)出實效，發(fā)揮科研反哺優(yōu)勢，基于自主研發(fā)的虛擬仿真實驗構(gòu)建的智慧教學模式，既保證了水電站課程教學目標的達成，又突出了教與學過程的針對性、親和力、時代性、感染力，極大程度激發(fā)了學生的學習興趣與熱情，使傳統(tǒng)專業(yè)煥發(fā)新生機。同時通過如鹽化水式思政融入，增強了學生專業(yè)自信與家國情懷，課程教學中采用的討論式、翻轉(zhuǎn)式等教學方法提高了學生批判創(chuàng)新意識，鍛煉了解決多學科交叉復雜性工程問題的能力。

1. 引入計算機編程技術，培養(yǎng)學生通過數(shù)值模擬計算解決水電站中水輪機選型、引水系統(tǒng)設計、調(diào)節(jié)保證計算等工程技術問題的能力。

2. 通過自主研發(fā)水電站三維虛擬仿真平臺的開放式教學實訓系統(tǒng)，支撐學生進行線上線下的自主學習研究，進行水電站工程認知、水錘規(guī)律學習、工程調(diào)控措施選擇、復雜問題探索性研究等。

3. 根據(jù)新時代對大學生發(fā)展的需求，借助信息技術構(gòu)建了“三多一細”的教學評價體系，包含多元化評價方式、多樣化測試手段、多途徑跟蹤反饋、詳細化評價標準。

4. 構(gòu)建綜合智慧教學體系，利用線上資源解決教學內(nèi)容問題，“轉(zhuǎn)動+翻轉(zhuǎn)”課堂解決教學方法問題，并將最新科研成果滲透到教學過程中，充分調(diào)動學生解決水電站相關工程問題的積極性。

參考文獻：

[1]教育部關于印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》的通知[Z].2012-03-13.

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