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摘要：隨著信息技術的發(fā)展，水利專業(yè)化知識急需和虛擬仿真技術進行深度融合促進教學與實踐。以培育創(chuàng)新能力與增強工程實踐為導向，建立“應用+前沿”的課程大綱，建設基于仿真教學平臺的教學模式，擴充工程案例作為三維的“活教材”激發(fā)學生的實踐認知能力，嚴格把握以仿真課程設計為控制目標的考核模式，以科研項目促進教學基礎知識深化與創(chuàng)新能力培養(yǎng)增強?；谔摂M現(xiàn)實的水利信息可視化技術仿真教學模式探索與研究，將為水利工程教學、人才培養(yǎng)、虛擬仿真實驗教學中心建設、乃至學科發(fā)展提供重要的支撐。

關鍵詞：水利信息；可視化技術；水利工程；虛擬仿真；實驗教學

傳統(tǒng)的教學觀念主要是“傳道、授業(yè)、解惑”，這種教學方法是以教為主，學生始終處于被動的學習環(huán)境中，現(xiàn)代化的教學方法要求改變傳統(tǒng)的課堂講授式為啟發(fā)引導式，賦予學生學習的主動性[1]。隨著信息技術的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術引入到教學中，構建基于虛擬仿真教學平臺，可以創(chuàng)建逼真教學環(huán)境，從而為學生提供良好的人機交互功能[2]。虛擬仿真教學可以更高效的培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源，進一步完善教學體系，整合相關學科的教學和人力資源[3]。越來越多的水利專業(yè)化的內(nèi)容需要和信息技術進行深度融合。從專業(yè)發(fā)展對于人才培養(yǎng)的角度來看，越來越需要提高創(chuàng)新型水利人才與實踐型水利工程師的培養(yǎng)深度與效率。

一、虛擬仿真教學模式建設背景與意義

隨著虛擬現(xiàn)實技術迅猛發(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習環(huán)境，有利于發(fā)展聯(lián)想思維和建立新舊知識之間的聯(lián)系?；谔摂M現(xiàn)實技術的特點，它的實際應用在理工科的教學中比較廣泛。哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心，可三維可視化顯示市政、能源設備內(nèi)部構造及工藝流程等，可為環(huán)境工程和給水排水等本科專業(yè)提供直觀的教學輔助手段[4]。寧波大學和福州大學土木工程虛擬仿真實驗教學中心，包含工程結構、道路工程、給排水工程和水利工程等虛擬仿真實驗室。河海大學力學與水工程虛擬仿真實驗教學中心，開發(fā)了“創(chuàng)新研究型”、“專業(yè)實踐型”、“基礎擴展型”三大類虛擬仿真實驗項目，使學生通過在虛擬環(huán)境中開展實驗，提高了學生創(chuàng)新和實踐能力。本校進行水利信息可視化技術仿真教學模式探索與研究的需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，旨在貫徹落實《教育部關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）》，推動高等學校實驗教學改革與創(chuàng)新，全面提高大學生的創(chuàng)新精神和實踐能力[5，6]。因此，若要開展虛擬仿真實驗教學中心的建立，尤其要加緊課程仿真教學模式改革的步伐。2.水利信息技術作為一門相關新興的交叉學科，可以很好的結合最新的信息技術促進水利工程學科的發(fā)展，并逐漸起到尖兵作用。3.水利信息可視化技術仿真是水利信息技術碩士專業(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仿真教學模式探索與研究有利于整個學科教學水平的推進。

二、虛擬仿真教學模式建設思路與內(nèi)容

水利信息可視化技術仿真教學模式探索與研究的整體思路如圖1所示。本課程的教學研究內(nèi)容如下所示。（一）建立以培育創(chuàng)新能力與增強工程實踐。為主導的“應用+前沿”課程大綱根據(jù)水利水電工程專業(yè)工程教育認證相關的要求，教學模式要服務于人才培養(yǎng)模式。對于要培養(yǎng)具備扎實理論基礎與創(chuàng)新能力的科研型人才和動手能力強與工程實踐經(jīng)驗豐富的應用型工程技術人才的培養(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械行業(yè)最前沿的“BuildingInformationModeling，BIM”，增加水利建筑的信息驅(qū)動內(nèi)容，再進一步增強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。因而制定“應用+前沿”課程大綱，實行“一體化教學”等，深化課程體系改革。明確把課程基礎知識、工程實踐素材、與科技前沿整合到課程大綱中。（二）建立基于仿真教學平臺的教學模式。根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術與水利工程教學緊密結合的思路，提出以仿真教學平臺為基礎的教學模式。如在學習各種類型的大壩模型（包括大壩的不同部件），總結各自的特點、要素、計算方法、差異性與關聯(lián)性等內(nèi)容，及分析水利工程建筑物與地形相互關系等內(nèi)容，結合二維CAD圖形以及相應不同部件三維模型與空間關系進行展開[7]。讓水利信息可視化技術仿真課程教學從傳統(tǒng)的“板述”到目前的“PPT”再進一步到“仿真教學平臺”這樣的一種教學模式。實現(xiàn)課程內(nèi)容與仿真教學平臺內(nèi)容設定的深度融合。（三）擴充工程案例作為三維的“活教材”激發(fā)學生的實踐認知能力。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、設計資料（水文氣象、地質(zhì)、工程單價等）、設計內(nèi)容、設計進度、設計成果、施工相關文件、工程管理運行及維護等資料，構建三維工程“活教材”案例庫。通過仿真教學平臺擴展功能，增加相應的全生命周期功能，從而可以使學生學習已建工程從規(guī)劃-設計-施工-管理一整套的內(nèi)容。擴展了實際工程現(xiàn)場實習時不能了解工程設計過程全貌，從而可以激發(fā)學生的工程實踐認知能力。（四）基于仿真教學平臺的課程設計為控制目標的考核模式。對于水利工程可視化技術這一重要的專業(yè)課程，不僅強調(diào)常規(guī)考試來衡量學生撐握情況，更要抓住課程設計這一考核模式。通過仿真平臺中課程設計模塊設定不同內(nèi)容與情景讓學生進行深度學習，并能把不同章節(jié)的內(nèi)容進行有效的串起來，同時留有靈活性的自主設計的想法得以實現(xiàn)。從課程內(nèi)容的重要性和關聯(lián)性角度，制定基于仿真平臺的課程設計內(nèi)容與次序，并建立考核機制與要點。應用工作流程模式，對每一項課程設計環(huán)節(jié)進行布置，并設定評價調(diào)整理論學時和實踐學時比例。按照“基本能力→實踐能力→綜合能力”的實踐教學培養(yǎng)體系設定課程設計要點與考核指標，并進行綜合評價。（五）以科研項目促進教學深化基礎知識與增強創(chuàng)新能力培養(yǎng)。讓學生參與或?qū)唧w的科研項目進行深入學習與分析，不僅能提高專業(yè)基礎知識的應用，更有利用對水利工程創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。把水利工程虛擬仿真項目劃分為地形地質(zhì)仿真環(huán)境構建、水利工程建筑模型構建、水利設計方法知識庫構建、人機交互輔助設計等子任務，并進行子任務的解決方案制定，使之由淺入深、徐徐漸進，從而有利于學生進入研究狀態(tài)，不至太難而放棄。制定以研促教切實可行的方案，有效地提高學生的創(chuàng)新能力和組織協(xié)調(diào)能力。

三、結束語

水利工程乃至工程學科，具有很強的理論知識與實踐知識結合緊密的需求，同時也有信息技術深入融合的可行性與先天優(yōu)勢。結合水利工程傳統(tǒng)知識與虛擬仿真技術，進行水利信息可視化技術教學模式探索與研究，從新型課程大綱、基于仿真教學平臺的教學、三維“活教材”工程案例庫、以仿真課程設計的考核模式、科研促進教學等內(nèi)容，以培育創(chuàng)新能力與增強工程實踐為導向，促進了課堂教學與工程實踐的深入結合，學生們了解到水利三維設計及BIM的應用前景，掌握了相關的技能，提高了學生積極性和主動性及對水利工程大局觀與前沿性的認識，水利工程專業(yè)與水利信息技術專業(yè)的學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力得到較大提高，從而推動了水利專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高，實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。對水利工程教學、人才培養(yǎng)、虛擬仿真實驗教學中心建設、乃至學科發(fā)展提供重要的支撐。本項目的探索，促進更多課程進行仿真教學的應用和推廣。

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作者:楊海波 張曉慶 單位:鄭州大學