摘要：結(jié)合水利工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，介紹了“頂層設(shè)計(jì)、以虛促實(shí)、開(kāi)放共享”的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)理念與思路;按照水利工程專業(yè)的培養(yǎng)方案要求，構(gòu)建了“層次化、模塊化、多元化”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)課程體系，探索了一條新形勢(shì)下水利工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的新模式。

　　關(guān)鍵詞：水利工程;實(shí)踐教學(xué);虛擬仿真;實(shí)踐創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

　　《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要》(2006—2020年)強(qiáng)調(diào)了“水資源優(yōu)化配置與綜合開(kāi)發(fā)利用”，2011年政府作出了關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定。新形勢(shì)下，我國(guó)水利行業(yè)正在從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展的水利轉(zhuǎn)變。資源節(jié)約、環(huán)境友好型的水利工程開(kāi)發(fā)建設(shè)離不開(kāi)大量基礎(chǔ)扎實(shí)、工程素養(yǎng)高、實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力強(qiáng)的高級(jí)工程技術(shù)人才。我國(guó)水利工程專業(yè)在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中普遍存在專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)條件缺乏、學(xué)生實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練不足等問(wèn)題[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已在水利工程的建設(shè)與管理領(lǐng)域逐步推進(jìn)[4-7]，結(jié)合高等教育信息化建設(shè)開(kāi)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)為緩解水利工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難的問(wèn)題提供了一個(gè)重要途徑。

　　推薦期刊：《水利水電施工》是全國(guó)水利水電施工技術(shù)信息網(wǎng)網(wǎng)刊。是經(jīng)湖北省新聞出息局每年審查批準(zhǔn)的內(nèi)部資料、準(zhǔn)印證號(hào)為2008/YC。是全國(guó)唯一全部刊載水利水電施工技術(shù)和管理的綜合性科技成果和科技情報(bào)資料的刊物。 《水利水電施工》1982年創(chuàng)刊以來(lái)，以快捷發(fā)表實(shí)用的科技信息和“四新”成果。而受到廣大工程技術(shù)人員，特別是年青工程是由的歡迎和有關(guān)部門的認(rèn)可。

　　1實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的主要問(wèn)題

　　1.1缺乏專業(yè)課綜合實(shí)驗(yàn)

　　國(guó)內(nèi)水利工程專業(yè)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多圍繞“水力學(xué)”“土力學(xué)”“建筑材料”等專業(yè)基礎(chǔ)課而設(shè)置，而與“水工建筑物”“水利工程施工”等專業(yè)課相關(guān)的綜合性實(shí)驗(yàn)，如重力壩斷面應(yīng)力模型實(shí)驗(yàn)、土石壩滲流模型實(shí)驗(yàn)和消力池消能防沖模型實(shí)驗(yàn)等則偏少，部分高校甚至完全沒(méi)有條件開(kāi)展相關(guān)的綜合性實(shí)驗(yàn)，少數(shù)已開(kāi)展的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也僅限于教師演示、學(xué)生觀看階段。綜合性實(shí)驗(yàn)以實(shí)際工程問(wèn)題為背景，是多門課程的有機(jī)結(jié)合，突出了各門課程知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�。專業(yè)課綜合實(shí)驗(yàn)的缺乏致使學(xué)生的動(dòng)手操作能力、分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力得不到應(yīng)有的鍛煉，在一定程度上影響了水利工程專業(yè)學(xué)生工程素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。

　　1.2缺乏開(kāi)放的探索性實(shí)驗(yàn)

　　以本專業(yè)的“水力學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程為例，一般高校會(huì)設(shè)置畢托管測(cè)流速實(shí)驗(yàn)、文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)等10個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中大多數(shù)是關(guān)于流體連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程等經(jīng)典理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少以學(xué)生為主體進(jìn)行設(shè)計(jì)的探索性實(shí)驗(yàn)。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生只需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟完成簡(jiǎn)單操作、記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，而后通過(guò)一般性的計(jì)算處理驗(yàn)證相關(guān)理論的正確性即可。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)完成的是具有“普適性”的“規(guī)定動(dòng)作”，從而導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)地參與實(shí)驗(yàn)，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和本質(zhì)的思考分析。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)力改變實(shí)驗(yàn)的初始條件和邊界條件，極大地制約了學(xué)生個(gè)性化的設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)操作，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

　　1.3實(shí)習(xí)以參觀為主

　　水利工程專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)、動(dòng)手能力和解決實(shí)際工程問(wèn)題能力的重要實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。由于高校招生人數(shù)增加、實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)短缺，并出于安全管理的需要，學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)間被嚴(yán)重壓縮，本該3～4周完成的生產(chǎn)(畢業(yè))實(shí)習(xí)被壓縮至3～4天。在如此短的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生熟悉水工建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工工藝尚且困難，更別提親身參與生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。此外，水利工程施工周期長(zhǎng)，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)性高，企業(yè)基于生產(chǎn)任務(wù)和安全責(zé)任考慮，不愿意接受學(xué)生進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)習(xí)。因此，大多數(shù)高校只能選擇已建成的水利工程進(jìn)行參觀式實(shí)習(xí)，且參觀地點(diǎn)僅限于工程表面，學(xué)生無(wú)法認(rèn)識(shí)地下廠房結(jié)構(gòu)、壩體內(nèi)部構(gòu)造等隱蔽工程。

　　整體上，目前我國(guó)水利工程專業(yè)的生產(chǎn)(畢業(yè))實(shí)習(xí)學(xué)生參觀多、參與少，聽(tīng)講解多、討論少，遠(yuǎn)眺多、接觸少[1-3]。這種實(shí)習(xí)模式下，學(xué)生只能獲得感性上的膚淺認(rèn)識(shí)，不能直接接觸工程建設(shè)與管理中的實(shí)際問(wèn)題，難于從深層次理解理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的生產(chǎn)過(guò)程，因而不能鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，以及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

　　2.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概述

　　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(室)于1989年由美國(guó)WilliamWolf教授最早提出，是指綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，在涉及高�；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具有明顯的優(yōu)勢(shì)[8-14]。

　　近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)迅速發(fā)展，已在水利工程的勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行與管理等環(huán)節(jié)中得以運(yùn)用，這為水利工程專業(yè)開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了必要的技術(shù)條件支撐[4-7]。

　　2.2虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用和意義

　　虛擬仿真技術(shù)引入水利工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�和�?chuàng)新意識(shí)(見(jiàn)圖1)。

　　2.2.1降低實(shí)驗(yàn)成本

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等方面的不足是限制高校開(kāi)展水利工程專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)的主要原因。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本沒(méi)有材料損耗，極大地降低了實(shí)驗(yàn)成本。學(xué)生可根據(jù)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算分析和優(yōu)化。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和場(chǎng)地的限制，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)課時(shí)間之外進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)，反復(fù)操作，從而使學(xué)生在知識(shí)運(yùn)用能力、獨(dú)立解決問(wèn)題能力等方面得到全面提升。此外，將實(shí)際的水利工程項(xiàng)目轉(zhuǎn)化成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)“實(shí)戰(zhàn)型”項(xiàng)目演練，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�，能夠�(yàn)槠髽I(yè)輸送“來(lái)之能戰(zhàn)”的合格畢業(yè)生。

　　2.2.2具備容錯(cuò)功能

　　在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)資源有限及實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)控制，學(xué)生只能按照教師的演示或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書(shū)按部就班地進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)操作。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)營(yíng)造的安全虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，教師和學(xué)生不必?fù)?dān)心實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生可根據(jù)自身的理解和思考多次改變實(shí)驗(yàn)邊界條件進(jìn)行操作，抑或是重新設(shè)計(jì)符合要求的實(shí)驗(yàn)方案、靈活加入多種探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)而調(diào)動(dòng)起學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的熱情，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和思維。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)科研項(xiàng)目訓(xùn)練向?qū)W生傳授科研理念、科研方法，使學(xué)生了解本領(lǐng)域的科技最新發(fā)展和學(xué)術(shù)前沿動(dòng)態(tài)，從而激發(fā)學(xué)生科研興趣、啟發(fā)科研思維，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究和創(chuàng)新能力。

　　2.2.3突破時(shí)空限制

　　針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)習(xí)中學(xué)生不能多視角觀看水利樞紐布置、水工建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)造的問(wèn)題，水利工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沉浸式漫游功能和交互式操作功能，可徹底打破空間的限制。學(xué)生通過(guò)對(duì)鼠標(biāo)鍵盤的操控，將自己置身于虛擬的環(huán)境中，身臨其境地實(shí)現(xiàn)水利樞紐、大壩、廠房的全景、透視、自主參觀。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)習(xí)學(xué)生不能動(dòng)態(tài)了解水工結(jié)構(gòu)施工工藝和運(yùn)行原理的問(wèn)題，水利工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可在短時(shí)間內(nèi)三維再現(xiàn)土石方開(kāi)挖、大壩澆筑、機(jī)械設(shè)備安裝、電站運(yùn)行等過(guò)程。最為重要的是，學(xué)生可以自主動(dòng)手配置、調(diào)用虛擬的機(jī)械設(shè)備模擬土石方開(kāi)挖、大壩澆筑等過(guò)程;也可以通過(guò)建立設(shè)備操作控制盤，對(duì)電廠設(shè)備的啟閉過(guò)程進(jìn)行操作演練，熟悉電站正常運(yùn)行、事故處理的方法、內(nèi)容和步驟等。這在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)中學(xué)生不能親自參與工程建設(shè)與管理的問(wèn)題，增強(qiáng)了學(xué)生解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的能力。