摘要 结合水利工程虚拟仿真实验教学中心的建设，介绍了“顶层设计、以虚促实、开放共享”的虚拟实验室建设理念与思路;按照水利工程专业的培养方案要求，构建了“层次化、模块化、多
摘要：结合水利工程虚拟仿真实验教学中心的建设，介绍了“顶层设计、以虚促实、开放共享”的虚拟实验室建设理念与思路;按照水利工程专业的培养方案要求，构建了“层次化、模块化、多元化”的虚拟仿真实践教学课程体系，探索了一条新形势下水利工程专业实践教学的新模式。
关键词：水利工程;实践教学;虚拟仿真;实践创新型人才培养
《国家中长期科学和技术发展纲要》(2006—2020年)强调了“水资源优化配置与综合开发利用”，2011年政府作出了关于加快水利改革发展的决定。新形势下，我国水利行业正在从传统水利向现代水利、可持续发展的水利转变。资源节约、环境友好型的水利工程开发建设离不开大量基础扎实、工程素养高、实验与创新能力强的高级工程技术人才。我国水利工程专业在开展实验教学过程中普遍存在专业综合实验条件缺乏、学生实验训练不足等问题[1-3]。随着计算机和信息技术的发展，虚拟仿真技术已在水利工程的建设与管理领域逐步推进[4-7]，结合高等教育信息化建设开展的虚拟仿真实验教学中心建设为缓解水利工程专业实验教学难的问题提供了一个重要途径。
1实验教学面临的主要问题
1.1缺乏专业课综合实验
国内水利工程专业开设的实验项目多围绕“水力学”“土力学”“建筑材料”等专业基础课而设置，而与“水工建筑物”“水利工程施工”等专业课相关的综合性实验，如重力坝断面应力模型实验、土石坝渗流模型实验和消力池消能防冲模型实验等则偏少，部分高校甚至完全没有条件开展相关的综合性实验，少数已开展的综合性实验项目也仅限于教师演示、学生观看阶段。综合性实验以实际工程问题为背景，是多门课程的有机结合，突出了各门课程知识间的内在联系，有利于培养学生的工程素质和实验能力。专业课综合实验的缺乏致使学生的动手操作能力、分析和解决实际工程问题的能力得不到应有的锻炼，在一定程度上影响了水利工程专业学生工程素质和实验能力的培养。
1.2缺乏开放的探索性实验
以本专业的“水力学实验”课程为例，一般高校会设置毕托管测流速实验、文丘里流量计实验、雷诺实验等10个左右的实验项目，其中大多数是关于流体连续性方程、能量方程、动量方程等经典理论的验证性实验，缺少以学生为主体进行设计的探索性实验。在验证性实验过程中，学生只需要按照实验指导书中规定的实验步骤完成简单操作、记录测量数据，而后通过一般性的计算处理验证相关理论的正确性即可。验证性实验完成的是具有“普适性”的“规定动作”，从而导致学生被动地参与实验，缺乏对实验现象和本质的思考分析。学生在实验过程中无力改变实验的初始条件和边界条件，极大地制约了学生个性化的设计思想和实验操作，不利于学生创新思维的培养。
1.3实习以参观为主
水利工程专业的生产实习和毕业实习是培养学生专业素质、动手能力和解决实际工程问题能力的重要实验教学环节。由于高校招生人数增加、实习经费短缺，并出于安全管理的需要，学生实习时间被严重压缩，本该3～4周完成的生产(毕业)实习被压缩至3～4天。在如此短的时间内，学生熟悉水工建筑物的结构构造、施工工艺尚且困难，更别提亲身参与生产实验。此外，水利工程施工周期长，施工现场环境复杂、危险性高，企业基于生产任务和安全责任考虑，不愿意接受学生进入施工现场进行实习。因此，大多数高校只能选择已建成的水利工程进行参观式实习，且参观地点仅限于工程表面，学生无法认识地下厂房结构、坝体内部构造等隐蔽工程。
整体上，目前我国水利工程专业的生产(毕业)实习学生参观多、参与少，听讲解多、讨论少，远眺多、接触少[1-3]。这种实习模式下，学生只能获得感性上的肤浅认识，不能直接接触工程建设与管理中的实际问题，难于从深层次理解理论与实验相结合的生产过程，因而不能锻炼和培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力，以及实验创新能力。
2虚拟仿真实验教学的必要性
2.1虚拟仿真实验概述
虚拟仿真实验(室)于1989年由美国WilliamWolf教授最早提出，是指综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等技术，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果。与传统实验教学相比，在涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目，虚拟仿真实验教学更具有明显的优势[8-14]。
近年来，虚拟仿真技术迅速发展，已在水利工程的勘测、规划、设计、施工、运行与管理等环节中得以运用，这为水利工程专业开展虚拟仿真实验教学提供了必要的技术条件支撑[4-7]。
2.2虚拟仿真在实验教学中的作用和意义
虚拟仿真技术引入水利工程专业实验教学，有助于培养学生的工程实验能力和创新意识(见图1)。
2.2.1降低实验成本
实验设备、场地、经费等方面的不足是限制高校开展水利工程专业综合性实验的主要原因。虚拟仿真实验平台基本没有材料损耗，极大地降低了实验成本。学生可根据综合性实验项目的要求，利用所学的专业知识对实验内容进行设计、计算分析和优化。同时，虚拟仿真实验突破了传统实验时间和场地的限制，学生可在实验课时间之外进行各种实验工况设计，反复操作，从而使学生在知识运用能力、独立解决问题能力等方面得到全面提升。
此外，将实际的水利工程项目转化成虚拟仿真实验教学内容，通过“实战型”项目演练，培养学生的工程素质和实验能力，能够为企业输送“来之能战”的合格毕业生。
2.2.2具备容错功能
在传统的实验教学中，由于实验资源有限及实验风险控制，学生只能按照教师的演示或实验指导书按部就班地进行验证性实验操作。在虚拟仿真实验平台营造的安全虚拟实验环境中，教师和学生不必担心实验风险，学生可根据自身的理解和思考多次改变实验边界条件进行操作，抑或是重新设计符合要求的实验方案、灵活加入多种探索性实验内容，进而调动起学生主动参与实验的热情，引导学生进行创新性实验研究，培养学生的创新意识和思维。
通过虚拟仿真实验平台，将科研项目转化为实验教学内容，通过科研项目训练向学生传授科研理念、科研方法，使学生了解本领域的科技最新发展和学术前沿动态，从而激发学生科研兴趣、启发科研思维，培养学生科学研究和创新能力。
2.2.3突破时空限制
针对传统实习中学生不能多视角观看水利枢纽布置、水工建筑物结构构造的问题，水利工程虚拟仿真实验平台沉浸式漫游功能和交互式操作功能，可彻底打破空间的限制。学生通过对鼠标键盘的操控，将自己置身于虚拟的环境中，身临其境地实现水利枢纽、大坝、厂房的全景、透视、自主参观。针对传统实习学生不能动态了解水工结构施工工艺和运行原理的问题，水利工程虚拟仿真实验平台可在短时间内三维再现土石方开挖、大坝浇筑、机械设备安装、电站运行等过程。最为重要的是，学生可以自主动手配置、调用虚拟的机械设备模拟土石方开挖、大坝浇筑等过程;也可以通过建立设备操作控制盘，对电厂设备的启闭过程进行操作演练，熟悉电站正常运行、事故处理的方法、内容和步骤等。这在一定程度上弥补了传统实习中学生不能亲自参与工程建设与管理的问题，增强了学生解决生产实际问题的能力。
3虚拟仿真实验教学中心建设
虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。为有效缓解水利工程专业实验教学难的问题，培养学生的工程实验和创新能力，我校在江西省高校实验教学示范中心———水利工程实验中心的基础上，目前正在建设水利工程虚拟仿真实验教学中心(简称虚拟中心)。
3.1建设理念与思路
我校在虚拟中心的筹备和建设过程中，以提高学生实验能力和创新意识为宗旨，以缓解人才培养目标与当前实验教学模式之间的矛盾为导向，坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，按照“顶层设计、以虚促实、开放共享”的理念，进行虚拟实验室建设和管理。
3.1.1顶层设计
虚拟中心的建设主要是为本科教学服务，因此确立的建设思路是立足教学，按照水利工程专业培养大纲要求规划虚拟仿真实验教学内容，虚实结合、科教融合、校企联合，共同构筑水利工程专业高层次人才培养的实验教学体系。
为适应新的发展需求，我校水利工程专业2016年培养方案设置了4个专业方向：水资源规划利用与流域治理、水利工程结构设计、水利工程施工与建设管理、水利工程运行与城市水务。水利工程虚拟仿真实验教学平台包括4个模块对应这4个专业方向，如图2所示。虚拟仿真实验的内容主要定位于专业综合性、设计性实验，并独立设置相应的虚拟仿真实验课程和学分，纳入实验教学课程体系。
3.1.2以虚促实
虚拟仿真实验教学固然有其鲜明的特色和优势，但其缺点和不足也同样突出，如它降低了学生对实物的认识和感知、降低了学生对实验误差的分析能力等。以虚代实的实验项目过多会造成学生避实就虚、眼高手低的弊端。因此，实体实验教学环节不可完全替代，弥补、巩固和促进实体实验教学是虚拟仿真实验教学的发展方向。
中心秉承“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，在坚持建设发展实体实验教学的同时，将实体实验与虚拟实验紧密结合，或将虚拟实验作为实体实验的预备项目，来提升实体实验教学的效果。如对于大型综合性实验，可以通过实体演示实验与虚拟仿真实验结合;对于实习，可先在虚拟仿真平台进行三维漫游和虚拟操作，而后带着疑问与问题进入工程现场实习，做到实习目的明确、有的放矢。
3.1.3开放共享
虚拟中心的建设不可能一蹴而就，要在建设中使用、在使用中完善。虚拟中心的虚拟实验项目内容是开放的，教师可根据教学需要或结合自身的科研生产项目开发新的实验项目，学生可结合参与的水利创新设计、大学生创新创业训练项目等设计新的实验内容。虚拟实验教学的形式也是开放的，时间上，学生可以全天候预约选择实验时间;空间上，学生可利用网上虚拟仿真实验系统在个人计算机上进行虚拟实验操作。
优质实验教学资源共享是虚拟中心建设的核心。虚拟中心的建设将在满足本校相关专业学生学习的同时，为校外师生、研究人员及相关企业人员提供实时远程教学服务。虚拟中心的建设也要借助于其他单位提供的共享资源，特别是在建设的起步阶段，为避免建设进度慢而影响学生能力培养，暂时选择有偿使用其他高校或企业的虚拟仿真实验平台。
3.2实验教学课程体系建设
根据新形势下水利工程专业的人才培养需求，中心确立了“立足教学、科教融合、面向工程”的虚拟仿真实验教学理念，旨在将高水平科研成果和重大工程实验转化为实验教学内容，将工程理念与科学研究方法融入到实验教学训练中，培养学生的工程实验能力和创新意识。按照“先基础、后综合、再创新”的人才培养规律，以及本专业的4个方向设置，形成了“三层次、四模块”的虚拟仿真实验教学体系(见图2)。
“三层次”是将实验教学内容划分为基础训练型、综合设计型和科研创新型。基础训练层次主要包括专业课教学大纲所规定的基本型实验以及认识实习，目的在于加强学生对水利枢纽、水工建筑物的认识，强化对基础理论知识的理解与掌握。综合设计层次主要包括教学大纲中规定的综合型实验、设计型实验、生产(毕业)实习和毕业设计等，该层次以实际工程问题为背景，着力进行专业知识运用于工程实验的技能训练。科研创新层次面向学科和行业发展前沿，让部分学有余力的学生参与个性化创新型实验或科研项目训练，着力培养学生科技创新能力，在加强面上培养的同时实现点上突破。
不同层次、不同模块的实验教学内容相互交叉、融合，形成多元化的虚拟仿真实验教学内容，共同构成水利工程专业虚拟仿真实验教学课程体系，可满足不同方向的学生从基础技能训练、综合技能训练到研究创新能力培养的要求，体现了专业工程实验型和创新型人才培养的目标。
3.3虚拟仿真技术在实验教学中的具体应用
中心经过第一阶段的建设，已实现了水利工程专业虚拟仿真实验教学的部分功能，如完成了水利工程关键施工过程的虚拟仿真。图3为地下隧洞开挖过程仿真，学生在场景、声音的引导下，熟悉地下隧洞钻孔爆破、通风洒水、出渣、喷锚支护、管线安装等一系列施工作业。学生在赴现场实习前进行虚拟仿真教学训练，加深了学生对工程现场的认识和理解。从近2年实施的情况来看，实习教学效果大幅提高。
水利工程虚拟仿真实验教学中心现拥有Ansys、Abaqus、Midas、Pfc、Fluent等数值仿真软件和可开展大型数值计算的服务器。近年来，学生基于这些大型数值计算软件，在教师的指导下进行仿真分析和辅助设计，显著提高了课程设计和毕业设计的质量，并在仿真优化分析的基础上制作实体模型，参加各类创新设计大赛，取得了优异的成绩。
4结语
为了缓解传统实践教学实践性不强的问题，更好地适应新形势下水利企业对实践型、创新型人才的需求，我校水利工程专业将虚拟仿真技术引入实践教学环节，按照“顶层设计、以虚促实、开放共享”的理念，建设“层次化、模块化、多元化”的虚拟仿真实践教学体系和教学资源，培养学生的工程实践能力和创新意识，以实现高校人才培养与企业人才需求之间的“无缝连接”。目前，我校水利工程虚拟仿真实验教学中心仍须大力发挥科教融合、校企联合的优势，开发更多的实践教学资源，同时须加强人才队伍、运行管理体制与服务体系的建设，以提高中心的建设水平。
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