水利工程在社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等科技的快速發(fā)展和數(shù)字化時(shí)代的推進(jìn),水利行業(yè)也面臨著新的挑戰(zhàn)。在工業(yè)4.0背景下,將信息技術(shù)與專業(yè)深度融合已成為時(shí)代發(fā)展的必然。2021年,水利部發(fā)布了《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》,旨在推動(dòng)智慧水利的建設(shè)。智慧水利是水利行業(yè)和新一代信息技術(shù)融合的產(chǎn)物,利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù),獲取整合水資源、水環(huán)境、用水過(guò)程的各種數(shù)據(jù),并進(jìn)行統(tǒng)一管理,進(jìn)而提升運(yùn)行管理效率,提高水資源利用效率和災(zāi)害預(yù)防能力,提高決策科學(xué)性,保障水安全,是推動(dòng)水利現(xiàn)代化發(fā)展的有效途徑-3]。目前,對(duì)智慧水利人才的需求逐年上升,智慧水利復(fù)合型人才的稀缺,影響了智慧水利的研發(fā)和新時(shí)代水利事業(yè)的發(fā)展4。同時(shí),新工科的內(nèi)涵強(qiáng)調(diào)打破傳統(tǒng)工科專業(yè)之間的界限,促進(jìn)不同學(xué)科的交叉融合。因此,培養(yǎng)智慧水利復(fù)合型人才,對(duì)于在新工科背景下提升人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,是解決人才短缺、建立智慧水利體系、適應(yīng)新時(shí)代水利事業(yè)發(fā)展的重要舉措。
水力學(xué)是水利工程相關(guān)專業(yè)一門(mén)理論與實(shí)踐緊密相連的學(xué)科基礎(chǔ)課,屬于力學(xué)的一個(gè)分支,主要研究以水為代表的液體的平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及工程應(yīng)用,課程學(xué)時(shí)長(zhǎng),一般設(shè)置在大二學(xué)年,課程內(nèi)容豐富,專業(yè)覆蓋廣,是培養(yǎng)學(xué)生智慧水利理念、加強(qiáng)對(duì)智慧水利學(xué)科認(rèn)識(shí)必不可少的基礎(chǔ)課,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)智慧水利相關(guān)課程的興趣意義重大。同時(shí),水力學(xué)課程與智慧水利有著廣泛的聯(lián)系,其基礎(chǔ)理論是智慧水利分析實(shí)際水動(dòng)力現(xiàn)象的基礎(chǔ),因此本課程的改革目標(biāo)是在保質(zhì)保量完成大綱要求的基礎(chǔ)知識(shí)傳授的基礎(chǔ)上,通過(guò)課題組搜集挖掘水力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容中相關(guān)知識(shí)在智慧水利上的應(yīng)用,引導(dǎo)學(xué)生適應(yīng)水利信息化、數(shù)字化的趨勢(shì),加深他們對(duì)智慧水利的認(rèn)識(shí),促進(jìn)后續(xù)與智慧水利專業(yè)課程的對(duì)接,為培養(yǎng)智慧水利復(fù)合型人才提供有力支撐。
一、水利專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)教學(xué)現(xiàn)狀與問(wèn)題分析
水利行業(yè)向信息化發(fā)展,對(duì)高校人才培養(yǎng)提出了更高要求,教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該順應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)劉澤、趙霞等人研究,以及近幾年就業(yè)單位的反饋,目前存在教育課程知識(shí)陳舊,模式傳統(tǒng),課程體系和內(nèi)容跟不上新技術(shù)的發(fā)展,學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力不足,難以滿足水利行業(yè)新業(yè)態(tài)發(fā)展對(duì)水利類復(fù)合型人才的要求等問(wèn)題[4-5。目前,急需既熟悉水利專業(yè)知識(shí),又掌握現(xiàn)代信息技術(shù)的專門(mén)人才。復(fù)合型人才培養(yǎng)涉及多學(xué)科的交叉融合,如果只是將不同學(xué)科內(nèi)容簡(jiǎn)單融合在一起,就會(huì)缺乏系統(tǒng)性和邏輯性,導(dǎo)致不同學(xué)科之間的交叉內(nèi)容生硬,銜接不順暢,無(wú)法達(dá)到深度融合的效果。因此,將多學(xué)科內(nèi)容有效整合形成一體化的教學(xué)體系,是復(fù)合型人才培養(yǎng)模式需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。
新工科教育強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新思維在教學(xué)環(huán)節(jié)中的融入,重視對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力與探索精神的培養(yǎng),以幫助學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中養(yǎng)成問(wèn)題意識(shí)和發(fā)散思維,并主動(dòng)探究解決辦法。但是在教學(xué)過(guò)程中,教師通常以傳播知識(shí)為主,重點(diǎn)考核課后作業(yè),過(guò)于關(guān)注期末卷面成績(jī),未能有效地激發(fā)學(xué)生思考能力、創(chuàng)新發(fā)散思維。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),目前各高校水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用“教師教、學(xué)生做\"的傳統(tǒng)教學(xué)模式,在考核時(shí),以實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)寫(xiě)情況作為最終實(shí)驗(yàn)成績(jī),導(dǎo)致部分學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)過(guò)程,實(shí)踐動(dòng)手能力得不到鍛煉。科創(chuàng)競(jìng)賽對(duì)于提高實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維同樣至關(guān)重要,教師應(yīng)該積極引導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生科創(chuàng)或?qū)W科競(jìng)賽,將所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用到具體的項(xiàng)目和競(jìng)賽任務(wù)當(dāng)中,切實(shí)鍛煉動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。而在平常教學(xué)中,教師往往側(cè)重于對(duì)理論知識(shí)的傳授,忽視了強(qiáng)調(diào)將學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到生活中,以解決生活中的實(shí)際問(wèn)題,導(dǎo)致課程教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)。
二、水力學(xué)課程復(fù)合型人才培養(yǎng)教學(xué)改革探索
(一)加強(qiáng)師資力量,提升教學(xué)質(zhì)量
教師的專業(yè)素養(yǎng)決定教學(xué)的質(zhì)量,師資力量是教學(xué)改革成功的關(guān)鍵。為了更好地將智慧水利內(nèi)容融入到水力學(xué)課程教學(xué)中,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)智慧水利學(xué)科的認(rèn)識(shí),促進(jìn)后續(xù)與智慧水利專業(yè)課程的對(duì)接,授課教師應(yīng)與時(shí)俱進(jìn),多方位、多角度進(jìn)行學(xué)習(xí)。授課教師應(yīng)深入學(xué)習(xí)智慧水利前沿知識(shí),積極參加智慧水利相關(guān)專題講座,主動(dòng)與其他高校的智慧水利團(tuán)隊(duì)和水利企業(yè)合作,開(kāi)展智慧水利相關(guān)項(xiàng)目,從實(shí)踐中獲取學(xué)科前沿知識(shí),將理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)緊密結(jié)合;授課教師還應(yīng)積極學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí),探索學(xué)科之間的交叉融合點(diǎn),積極與不同學(xué)科背景的教師共同開(kāi)展教學(xué)研究,從而提升智慧水利專業(yè)知識(shí)綜合素質(zhì)。除此之外,水力學(xué)課題組還應(yīng)接納智慧水利研究方向的新教師,以充實(shí)隊(duì)伍,為水力學(xué)課程復(fù)合型人才培養(yǎng)教學(xué)改革奠定基礎(chǔ)。整個(gè)團(tuán)隊(duì)共同研究分析水力學(xué)課程與智慧水利相關(guān)教學(xué)內(nèi)容,積極尋找挖掘智慧水利在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中的融合點(diǎn),巧妙地將智慧水利元素融入其中,使學(xué)生除了掌握水力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)外,還對(duì)智慧水利知識(shí)有著全方位的了解和認(rèn)識(shí)。
(二)促進(jìn)理論融合,豐富授課模式
將智慧水利與水力學(xué)課程相融合是培養(yǎng)學(xué)生智慧水利思想的重要途徑,在理論知識(shí)講解的基礎(chǔ)上,將智慧水利元素自然引入到課程體系中,讓學(xué)生在接受傳統(tǒng)水力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),加深對(duì)智慧水利的認(rèn)識(shí)。例如,在講解緒論章節(jié)時(shí),向?qū)W生介紹熱點(diǎn)話題“數(shù)字孿生”,以三峽工程為例,利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建工程三維虛擬模型,利用傳感器實(shí)時(shí)采集大壩、船閘等部位的水力學(xué)數(shù)據(jù),如水位、水流速度等,再映射到虛擬模型上,結(jié)合水力學(xué)原理,分析模型在不同工況下船閘通航的水流條件、水流對(duì)建筑物的作用力、水庫(kù)的調(diào)蓄過(guò)程等,讓學(xué)生初步了解數(shù)字孿生模型對(duì)于水利工程在安全監(jiān)測(cè)、運(yùn)行管理以及優(yōu)化調(diào)度中的作用。又如,在講解有壓管道流動(dòng)章節(jié)時(shí),向?qū)W生介紹排水管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)獲取排水管道內(nèi)的水位、流量等水力學(xué)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)分析,對(duì)水流情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警,及時(shí)發(fā)現(xiàn)堵塞問(wèn)題,確保管道結(jié)構(gòu)安全。通過(guò)此種方式,將智慧水利元素融人到課程體系中,為水力學(xué)課程注人新的創(chuàng)新活力,為學(xué)生擴(kuò)展學(xué)科視野。
傳統(tǒng)單一的授課方式已經(jīng)難以滿足新工科背景下對(duì)人才培養(yǎng)的要求。在水力學(xué)課堂上,要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù),打造“雙百數(shù)智課程”。課程以學(xué)生為中心,基于在線學(xué)習(xí)平臺(tái)、人工智能(AI)工具、智慧教室,構(gòu)建“師一生一機(jī)\"三元交互的授課模式。在線下,利用多媒體教學(xué)法,生動(dòng)形象地展示難懂的知識(shí)點(diǎn);采用案例教學(xué)法,具體案例具體分析,幫助學(xué)生理解抽象的理論知識(shí),如講解不同的消能方式時(shí),可舉具體工程實(shí)例進(jìn)行分析,并找到相應(yīng)結(jié)構(gòu)圖或者視頻輔助理解;采用小組討論法,將學(xué)生分成小組,每個(gè)小組承擔(dān)一定的實(shí)踐學(xué)習(xí)任務(wù),通過(guò)小組討論、合作完成任務(wù),然后進(jìn)行小組匯報(bào),讓學(xué)生在相互交流和討論的過(guò)程中,分享自己的觀點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn),拓寬自己的視野。在線上,借助超星學(xué)習(xí)平臺(tái),在實(shí)現(xiàn)在線布置作業(yè)、在線測(cè)試、在線問(wèn)題討論等多項(xiàng)功能的基礎(chǔ)上,充分利用平臺(tái)的其他智慧功能。例如,利用平臺(tái)上傳課程全部教學(xué)視頻和構(gòu)建知識(shí)圖譜,有助于學(xué)生了解課程知識(shí)架構(gòu),方便課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)等;借助AI助教,提前上傳課程學(xué)習(xí)資料或預(yù)設(shè)問(wèn)題及答案,形成助教問(wèn)答庫(kù),及時(shí)解決學(xué)生問(wèn)題;使用AI工作臺(tái),查看AI學(xué)情分析,了解學(xué)生課堂表現(xiàn)和參與度,以此參考學(xué)生課堂表現(xiàn)成績(jī)等內(nèi)容,還可利用AI出題、AI教案等功能輔助教學(xué)。
(三)強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié),融合虛擬仿真平臺(tái)
實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師調(diào)整授課模式和考核方式,以學(xué)生為中心,縮短講授時(shí)間,延長(zhǎng)學(xué)生動(dòng)手操作時(shí)間,同時(shí)加強(qiáng)與學(xué)生的溝通交流和指導(dǎo),以便在學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,能第一時(shí)間解決他們所遇到的問(wèn)題。在考核時(shí),不再以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為唯一的評(píng)分依據(jù),同時(shí)還要考核學(xué)生動(dòng)手操作能力和問(wèn)題的回答。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,根據(jù)需要采取線上或線下的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo),積極引導(dǎo)學(xué)生思考分析。此外,水力學(xué)實(shí)驗(yàn)融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,充分利用現(xiàn)代信息技術(shù),使用水力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)CAI云平臺(tái)輔助教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維模型場(chǎng)景逼真,動(dòng)畫(huà)效果生動(dòng),能夠?qū)⒊橄蟮乃W(xué)概念和復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程以更加形象、直觀的方式展示給學(xué)生,使學(xué)生更容易理解和接受,進(jìn)而提高學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可無(wú)需受實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放時(shí)間和地理位置的限制,實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí),保障每個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行實(shí)踐操作。在平臺(tái)上,學(xué)生能夠自主對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行選擇,并且自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù),實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)變化,鉆研實(shí)驗(yàn)原理,更好地掌握水力學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能,培養(yǎng)創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力。
(四)改進(jìn)課程考核,完善評(píng)價(jià)體系
合理有效的考核方式有助于提高教學(xué)質(zhì)量。為了綜合評(píng)判學(xué)生學(xué)習(xí)效果,結(jié)合新工科背景下對(duì)于復(fù)合型人才的要求,授課教師要對(duì)考核方式進(jìn)行改進(jìn)與完善,實(shí)施全環(huán)節(jié)考核,提高過(guò)程性考核在整體考核中所占的比重。通過(guò)平時(shí)成績(jī)(課堂表現(xiàn)能力、創(chuàng)新思考能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力、隨堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)、課后作業(yè)成績(jī))實(shí)踐成績(jī)(實(shí)驗(yàn)操作熟練度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、小組成果匯報(bào))和期末考試成績(jī)綜合進(jìn)行評(píng)判,提高培養(yǎng)質(zhì)量,促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)提升。
除了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行考核,為了不斷改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量,也要對(duì)教師教學(xué)效果進(jìn)行多維評(píng)價(jià)。首先,課題組教師應(yīng)定期對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行反思,復(fù)盤(pán)智慧水利元素融入是否恰當(dāng)自然、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是否有效合理、考核方式是否全面、學(xué)生接受程度如何、是否達(dá)到預(yù)期效果等,總結(jié)后及時(shí)調(diào)整改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法。其次,對(duì)學(xué)生進(jìn)行面對(duì)面交流和電子問(wèn)卷調(diào)查,了解學(xué)生對(duì)課程改革的接受情況和對(duì)課程改革的建議。最后,邀請(qǐng)?jiān)侯I(lǐng)導(dǎo)和同行專家進(jìn)行聽(tīng)課指導(dǎo),評(píng)價(jià)教學(xué)效果。通過(guò)多維度評(píng)價(jià),可以更加客觀公正地反映教學(xué)效果,給授課教師提供改進(jìn)方向,進(jìn)而不斷提高課程教學(xué)質(zhì)量。
(五)引導(dǎo)科創(chuàng)競(jìng)賽,理論指導(dǎo)實(shí)踐
科創(chuàng)競(jìng)賽是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要途徑之一,學(xué)生通常會(huì)在大二開(kāi)始參加全國(guó)大學(xué)生水利創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、中國(guó)高校計(jì)算機(jī)大賽等相關(guān)比賽。因此,教師可以在水力學(xué)課程授課時(shí),結(jié)合課程內(nèi)容適時(shí)介紹本學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)通過(guò)科創(chuàng)競(jìng)賽取得的成果及其在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。教師須站在領(lǐng)域前沿引領(lǐng)學(xué)生,以解決實(shí)際工程問(wèn)題為導(dǎo)向,基于智慧水利相關(guān)內(nèi)容為學(xué)生挑選科創(chuàng)競(jìng)賽題目,確保選題既有創(chuàng)新性又具備實(shí)踐可行性,指導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)融人項(xiàng)目方案的設(shè)計(jì)中,利用人工智能技術(shù)創(chuàng)新解決問(wèn)題,促進(jìn)智慧水利發(fā)展,讓學(xué)生得到鍛煉,拓寬學(xué)科視野,增加升學(xué)、就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。此外,在授課過(guò)程中,通過(guò)課堂觀察,探索發(fā)現(xiàn)對(duì)智慧水利感興趣的學(xué)生,邀請(qǐng)他們加入課題組科研項(xiàng)目,確保他們?cè)陧?xiàng)目中能夠有所收獲,并在大四時(shí)依托科研項(xiàng)目進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)選題,為他們提供理論與實(shí)踐相結(jié)合的平臺(tái),為將來(lái)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
三、教學(xué)改革實(shí)施效果展望
復(fù)合型人才培養(yǎng)過(guò)程中注重不同學(xué)科思維的碰撞和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。從學(xué)生個(gè)人角度而言,學(xué)生畢業(yè)后不再局限于掌握水利學(xué)科知識(shí),而是具備多學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備,同時(shí)具備較強(qiáng)的發(fā)散性思維、創(chuàng)新變革思維、實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,綜合素養(yǎng)能力更加突出。智慧水利復(fù)合型人才同時(shí)掌握新技術(shù)、新方法,憑借學(xué)科優(yōu)勢(shì)能夠滿足多元化崗位的需求,能夠更好地適應(yīng)水利行業(yè)的變革與發(fā)展,滿足社會(huì)對(duì)智慧水利人才的需求,增加就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,成為引領(lǐng)新時(shí)代水利事業(yè)發(fā)展的有生力量。從學(xué)校層面來(lái)看,智慧水利復(fù)合型人才培養(yǎng)教學(xué)改革能夠提升高校學(xué)科建設(shè)水平,復(fù)合型人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)跨越不同學(xué)科進(jìn)行知識(shí)傳授,智慧水利復(fù)合型人才培養(yǎng)推動(dòng)了水利學(xué)科與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)等相關(guān)學(xué)科的交叉融合,打破了學(xué)科壁壘,助力學(xué)科之間開(kāi)展知識(shí)交流并催生創(chuàng)新成果,豐富了傳統(tǒng)水利學(xué)科的研究?jī)?nèi)容。此外,實(shí)施智慧水利復(fù)合型人才培養(yǎng)教學(xué)改革后,會(huì)優(yōu)化整個(gè)師資隊(duì)伍,課程教師需要具備跨學(xué)科教學(xué)能力,打破課程孤島,構(gòu)建跨學(xué)科的課程體系,倒逼教師走出單一學(xué)科舒適區(qū),主動(dòng)學(xué)習(xí)交流現(xiàn)代化信息技術(shù)學(xué)科知識(shí),推動(dòng)課程教學(xué)的改革與創(chuàng)新,從而帶動(dòng)整個(gè)學(xué)科教學(xué)和科研水平的提升,使師資隊(duì)伍呈現(xiàn)跨學(xué)科協(xié)同發(fā)展的良好態(tài)勢(shì),促進(jìn)高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè)的發(fā)展。
四、結(jié)論
在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代,水利行業(yè)正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)模式向智慧化的變革。為了讓水利專業(yè)教育緊跟時(shí)代步伐,培養(yǎng)出既具備扎實(shí)水利專業(yè)知識(shí),又擁有跨學(xué)科知識(shí)體系、較強(qiáng)實(shí)踐能力以及創(chuàng)新思維的復(fù)合型人才,本文以水力學(xué)課程為例,在師資隊(duì)伍建設(shè)、理論教學(xué)與授課模式、實(shí)踐環(huán)節(jié)、課程考核以及科創(chuàng)競(jìng)賽等方面進(jìn)行改革探索,并對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行展望分析,以期為培養(yǎng)智慧水利復(fù)合型人才提供有益參考,為培養(yǎng)適應(yīng)水利行業(yè)新時(shí)代社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的人才提供助力。
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