魏 娜， 解建倉， 羅軍剛， 汪 妮， 黃領(lǐng)梅

(西安理工大學 水利水電學院，西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，西安 710048)

水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)探析

魏 娜， 解建倉， 羅軍剛， 汪 妮， 黃領(lǐng)梅

(西安理工大學 水利水電學院，西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，西安 710048)

信息技術(shù)的發(fā)展，對高等教育產(chǎn)生深遠影響，傳統(tǒng)的實驗教學模式正在成為制約現(xiàn)代水利人才培養(yǎng)的瓶頸。采用虛擬仿真技術(shù)，解決了傳統(tǒng)實驗教學中存在的環(huán)境復(fù)雜、成本高，以及部分實驗不可及等難題。分析了水利水電工程專業(yè)實驗教學存在的主要問題，探究了水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)的意義及前景。在此基礎(chǔ)上，初步提出了水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)內(nèi)容，為水利類專業(yè)學生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)開辟了一條具有現(xiàn)代水利特色的道路。

水利水電工程專業(yè)； 實驗教學平臺； 虛擬仿真

0 引 言

隨著計算機與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云計算已經(jīng)成為水利信息化應(yīng)用研究的熱點，是傳統(tǒng)水利的主要方向，有力地促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革。2010年5月國務(wù)院審議通過的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視?！币髮⒏叩冉逃c信息技術(shù)進行深度融合，對人才培養(yǎng)模式進行創(chuàng)新，從知識技能型向應(yīng)用創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變【1-5】。教育部2013年3月頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011～2020年)》則從頂層設(shè)計入手，從宏觀戰(zhàn)略的高度提出了建立具有中國特色的教育信息化體系，建成人人可享有優(yōu)質(zhì)教育資源的信息化學習環(huán)境【6】。近些年，國內(nèi)部分高校針對自身的教學與科研需求相繼開發(fā)了專業(yè)相關(guān)的虛擬仿真實驗，有力地推進了虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)【7-10】。

綠色、安全、高效，是水利相關(guān)行業(yè)的共同愿景，其實現(xiàn)需要大量基本功扎實、工程素養(yǎng)高、實踐能力強的專業(yè)技術(shù)人才。水利行業(yè)水電工程專業(yè)所涉及的實驗教學課程多是面向水利水電、能源、水文水資源工程領(lǐng)域相關(guān)人才培養(yǎng)的核心課程。由于水資源的開發(fā)、利用和保護存在很大的不確定性，導(dǎo)致真實實驗環(huán)境復(fù)雜、實驗成本高，以及部分實驗不可及等現(xiàn)實局限。加之近年來，水利相關(guān)專業(yè)招生持續(xù)增多，使得該類實驗教學課程難以真實開展，或者難以達到教學效果，成為高素質(zhì)水利技術(shù)人才培養(yǎng)的瓶頸。

本文借助計算機虛擬仿真技術(shù)，將以前無法實現(xiàn)的、不能開展的實驗，可以通過開展水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)，搭建安全、可靠、直觀、經(jīng)濟的非常規(guī)實驗教學平臺，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維建模與可視化、數(shù)值模擬軟件、人機交互技術(shù)、數(shù)字地球平臺等技術(shù)相結(jié)合，解決在水利行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，不具備和難以完成的真實實驗問題，是革新傳統(tǒng)教學方式、培養(yǎng)高素質(zhì)水利技術(shù)人才的迫切需要，也是實現(xiàn)水利現(xiàn)代化的迫切需要。

1 水利水電工程專業(yè)實驗教學存在的主要問題

1.1 水資源系統(tǒng)的特殊性

水資源系統(tǒng)是受氣候變化和人類活動影響的動態(tài)演化系統(tǒng)，是一個人工-自然復(fù)合的復(fù)雜系統(tǒng)，空間上涉及到地上、地下、上下游、左右岸、干支流多個空間尺度，時間上涉及過去、現(xiàn)在、將來、長期、中期、短期多個時間尺度。跨區(qū)域、多目標、多尺度、動態(tài)性、復(fù)雜性的特點使得水資源的開發(fā)、利用和保護面臨很大的不確定性，迫切需要借助模擬仿真實驗來提高認識水平和決策的科學性。

1.2 專業(yè)培養(yǎng)的緊迫性

加強實踐教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才是水利水電工程專業(yè)人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容。水利水電工程專業(yè)要求學生學習掌握水資源的工程勘測、規(guī)劃、設(shè)計、開發(fā)利用和保護等方面的基本理論與技術(shù)，其教學實踐性很強。如何通過實驗教學全面提高學生的創(chuàng)新實踐能力是迫切需要探索和解決的問題。需要通過實驗教學平臺的建設(shè)，對學生進行多層次、全方位的綜合訓練，獲得可視化的認知效果，增強學生對知識理解的系統(tǒng)性。

1.3 真實實驗的局限性、實驗成本高

由于水資源系統(tǒng)的特殊性，小尺度微觀機理可通過真實實驗來實現(xiàn)，大尺度宏觀規(guī)律或機理真實實驗則無法實現(xiàn)，如梯級水庫群調(diào)度、區(qū)域性水資源配置、跨流域調(diào)水、洪水淹沒模擬等。這些真實實驗環(huán)境復(fù)雜、成本高，難以實現(xiàn)，學生對這些教學內(nèi)容的本質(zhì)認知比較抽象。需要采用真實實驗、虛擬仿真實驗和現(xiàn)場實踐相結(jié)合，完成實驗項目內(nèi)容，在達到相同教學效果的前提下，大大降低開展真實實驗的成本和消耗。

2 水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗平臺建設(shè)意義及應(yīng)用前景

2.1 建設(shè)意義

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展趨勢表明，高素質(zhì)水利技術(shù)人才的培養(yǎng)是我國當前國民經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿μ嵘?、國家可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)之一。構(gòu)建水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺，既能彌補現(xiàn)有真實教學無法實現(xiàn)、不能開展等現(xiàn)實局限，破解制約水利人才培養(yǎng)的實驗教學難題，又能反映當前水利技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)重要進展及主要方向，實現(xiàn)了理論教學、前沿拓展和實踐教學的高效有機融合。

(1) 學生層面。開展系統(tǒng)深入的本科虛擬仿真實驗教學，彌補了實踐性教學的不足，克服了真實實驗的局限性、成本高等問題，填補了真實實驗無法實現(xiàn)的教學實驗項目，為深入系統(tǒng)開展本科實驗教學創(chuàng)新及培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力奠定了堅實的基礎(chǔ)。

(2) 教師層面。圍繞水利類專業(yè)各環(huán)節(jié)中的實驗需求，綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、動態(tài)建模、三維動畫技術(shù)、數(shù)值模擬軟件，數(shù)字地球平臺等，強化全過程特色，構(gòu)建了水資源的工程規(guī)劃、開發(fā)、利用、保護全過程的虛擬仿真實驗，完善了實驗教學體系、革新教學方式，實現(xiàn)了水資源開發(fā)利用全方位虛擬仿真實驗教學。

(3) 學校層面。平臺建設(shè)以全面提升學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，大力發(fā)展和共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源，在建設(shè)過程中強調(diào)以創(chuàng)新意識為中心的個性發(fā)展，形成以興趣為導(dǎo)向、信息平臺為支撐的創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制，提升教育教學水平。此外，與其他學校開展交流合作，將本校的虛擬實驗資源進行推廣應(yīng)用，擴大了行業(yè)影響力。

(4) 社會層面。推動以協(xié)同創(chuàng)新為核心的全面創(chuàng)新，基礎(chǔ)在教育，其關(guān)鍵是培育具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的人才。借助虛擬仿真技術(shù)，搭建網(wǎng)絡(luò)學習平臺，拓寬水利類專業(yè)學生獲取知識信息資源的渠道，提高獲取知識信息資源的效率，提升水利行業(yè)信息化水平，以信息化帶動教育現(xiàn)代化【11】。

2.2 應(yīng)用前景

平臺的建設(shè)考慮了教學資源的共享要求，具備高度的共享機制，高校、企業(yè)等使用單位經(jīng)過授權(quán)后可使用相關(guān)的教學資源。

(1) 面向校內(nèi)共享。平臺除了正常教學安排的專業(yè)課程實驗外，面向全校本科生開放。申請人提出實驗請求之后，可遠程獨立操作完成實驗項目，或由指導(dǎo)教師在后臺輔助完成并反饋實驗結(jié)果。為跨專業(yè)選修實驗、科技創(chuàng)新實驗、水利創(chuàng)新設(shè)計大賽、科研訓練計劃、自選興趣實驗以及部分畢業(yè)設(shè)計等提供實驗條件和技術(shù)支持，有效促進相關(guān)專業(yè)、學科交叉、融合發(fā)展。

(2) 面向國內(nèi)同類高校共享。平臺建立面向國內(nèi)水利專業(yè)高校的門戶網(wǎng)站，比如清華大學、武漢大學、河海大學等，提供通過門戶網(wǎng)站直接開展實驗項目的通道，將實驗教學改革的成果及資源與行業(yè)高校共享，在實驗教學研究與人才培養(yǎng)方面相互交流，保證虛擬仿真實驗教育資源的最大利用率。

(3) 面向企業(yè)共享。平臺本著“校企合作，充分發(fā)揮企業(yè)技術(shù)優(yōu)勢”的建設(shè)理念，在已有的企業(yè)合作共享實驗資源的基礎(chǔ)上，積極開展與國內(nèi)外知名公司的合作，通過校企聯(lián)合合作，擴大實驗室受益面，引進先進的技術(shù)和設(shè)備，培養(yǎng)和鍛煉教師隊伍，促進產(chǎn)學研的發(fā)展，為校企共同服務(wù)的同時，創(chuàng)造更多的社會和經(jīng)濟效益。

3 水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)內(nèi)容

水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)依據(jù)“科學規(guī)劃、突出重點、資源共享”的原則，承擔了“水電能源利用與管理”“水利水能規(guī)劃”“水電站水庫群優(yōu)化調(diào)度”“水資源開發(fā)與利用”等相關(guān)課程的實驗教學任務(wù)，采用計算機網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云服務(wù)等新興技術(shù)，對真實水利工程的勘測、規(guī)劃、設(shè)計等進行可視化的模擬仿真，通過反復(fù)互動操作，激發(fā)學生自主學習和研發(fā)能力，提高學生參與實驗的熱情和效果。建設(shè)內(nèi)容包括以下幾方面：

(1) 水庫調(diào)節(jié)計算虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。水庫調(diào)節(jié)計算虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)是基于綜合集成平臺，通過信息化手段，運用組件和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)知識圖技術(shù)，將多種水庫調(diào)節(jié)計算方法綜合應(yīng)用，構(gòu)建數(shù)字化虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)【12-15】。主要包括水庫興利調(diào)節(jié)計算、水庫多年調(diào)節(jié)計算、水庫典型年法調(diào)節(jié)計算、基于試算法和半圖解法的水庫洪水調(diào)節(jié)等功能，使學生通過計算機實踐掌握水庫調(diào)節(jié)計算方法的基本原理和算法，加深對水庫調(diào)節(jié)計算相關(guān)概念理解的目的。

(2) 水電站水能計算虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。水電站水能計算虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)以信息化技術(shù)為支撐，針對水電站水能規(guī)劃設(shè)計所涉及主要任務(wù)，結(jié)合水電站的工作特點和運行方式，綜合分析確定水電站的主要參數(shù)。主要包括水電站等流量調(diào)節(jié)計算、等出力調(diào)節(jié)計算、水電站多年平均發(fā)電量計算，水電站裝機容量及保證出力推求等。使學生在掌握水能計算基本方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合水電站的調(diào)節(jié)性能及綜合利用要求，系統(tǒng)學習水電站調(diào)節(jié)計算基本過程。

(3) 水庫調(diào)度虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。水庫調(diào)度虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)是將計算機網(wǎng)絡(luò)、知識圖可視化等新興技術(shù)互相融合，對真實水庫調(diào)度及其相關(guān)規(guī)則方法進行模擬仿真。主要包括水庫調(diào)度圖的繪制、基于調(diào)度圖的水庫調(diào)度、水庫防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、供水調(diào)度和錯峰調(diào)度等功能，使學生了解整個水庫調(diào)度系統(tǒng)所涉及的跨流域、多目標、多尺度等特點，提高解決問題和創(chuàng)造性思維的綜合能力。

(4) 水電站經(jīng)濟運行虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。水電站經(jīng)濟運行虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)采用知識圖技術(shù)、組件技術(shù)、云服務(wù)計算模式等，對真實水電站經(jīng)濟運行進行模擬仿真。主要包括水電站以水定電、以電定水、水-電協(xié)調(diào)運行等不同方式的運行過程，以及水電-風電聯(lián)合調(diào)峰、水電站節(jié)能評價等功能，使學生了解如何提高水電站經(jīng)濟運行水平，進行廠內(nèi)短期、中長期水電站經(jīng)濟運行，編制水電站運行調(diào)度方案，掌握水電站經(jīng)濟運行的基本內(nèi)容和方法。

4 結(jié) 語

水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗平臺以培養(yǎng)創(chuàng)新實踐性人才為目標，以課程教學內(nèi)容為主題，堅持“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需求。平臺的建設(shè)不僅提升了水利及其相關(guān)專業(yè)實驗教學的整體水平，也是爭創(chuàng)國家級實驗教學示范中心的重要組成部分。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到水利水電工程專業(yè)實驗教學中，解決了傳統(tǒng)實驗教學的局限性，為水利類人才的培養(yǎng)開創(chuàng)了一條特色之路。

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ResearchonConstructionofVirtualSimulationExperimentalTeachingPlatformforWaterResourcesandHydro-electricEngineering

WEINa,XIEJiancang,LUOJungang,WANGNi,HUANGLingmei

(Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The development of information technology has a profound impact on higher education. Traditional experimental teaching mode has been the bottleneck that restricts the cultivation of modern water conservancy talents. The problems in traditional experimental mode, such as complex experimental environment and high cost, can be solved by introducing the virtual simulation technology. The main problems in the experimental teaching mode of water resources and hydro-electric engineering areexplored and the significance and application prospect of constructing virtual simulation experimental teaching platform for water resources and hydro-electric engineering areanalyzed. On this basis, the paper puts forward preliminary construction content of the teaching platform, which canopen up a way with modern water conservancy characteristic for the cultivation of practice and innovation abilitiesfor students.

water resources and hydro-electric engineering; experimental teaching platform; virtual simulation

G 482；TP 393.01

A

1006-7167(2017)11-0169-03

2016-12-12

國家自然科學基金項目(51679186，51679188,51709222)；西安理工大學教學研究項目(xqj1613)；陜西省高等教育教學改革研究項目(15BY35)；西安理工大學人才引進項目(104-451016005、2016ZZKT-21、104-451116012)

魏 娜(1987-)，女，陜西延安人，博士，講師，從事水資源管理與水利信息化方面的教學與科研工作。

Tel.：15891490410;E-mail: 844787598@qq.com