水利信息可視化技術(shù)教學(xué)模式探索

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摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，水利專業(yè)化知識急需和虛擬仿真技術(shù)進行深度融合促進教學(xué)與實踐。以培育創(chuàng)新能力與增強工程實踐為導(dǎo)向，建立“應(yīng)用+前沿”的課程大綱，建設(shè)基于仿真教學(xué)平臺的教學(xué)模式，擴充工程案例作為三維的“活教材”激發(fā)學(xué)生的實踐認(rèn)知能力，嚴(yán)格把握以仿真課程設(shè)計為控制目標(biāo)的考核模式，以科研項目促進教學(xué)基礎(chǔ)知識深化與創(chuàng)新能力培養(yǎng)增強。基于虛擬現(xiàn)實的水利信息可視化技術(shù)仿真教學(xué)模式探索與研究，將為水利工程教學(xué)、人才培養(yǎng)、虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)、乃至學(xué)科發(fā)展提供重要的支撐。

關(guān)鍵詞：水利信息；可視化技術(shù)；水利工程；虛擬仿真；實驗教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)觀念主要是“傳道、授業(yè)、解惑”，這種教學(xué)方法是以教為主，學(xué)生始終處于被動的學(xué)習(xí)環(huán)境中，現(xiàn)代化的教學(xué)方法要求改變傳統(tǒng)的課堂講授式為啟發(fā)引導(dǎo)式，賦予學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到教學(xué)中，構(gòu)建基于虛擬仿真教學(xué)平臺，可以創(chuàng)建逼真教學(xué)環(huán)境，從而為學(xué)生提供良好的人機交互功能[2]。虛擬仿真教學(xué)可以更高效的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力，共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，進一步完善教學(xué)體系，整合相關(guān)學(xué)科的教學(xué)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(shù)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(xué)模式建設(shè)背景與意義

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xué)習(xí)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。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，它的實際應(yīng)用在理工科的教學(xué)中比較廣泛。哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境虛擬仿真實驗教學(xué)中心，可三維可視化顯示市政、能源設(shè)備內(nèi)部構(gòu)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(xué)輔助手段[4]。寧波大學(xué)和福州大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心，包含工程結(jié)構(gòu)、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(xué)力學(xué)與水工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心，開發(fā)了“創(chuàng)新研究型”、“專業(yè)實踐型”、“基礎(chǔ)擴展型”三大類虛擬仿真實驗項目，使學(xué)生通過在虛擬環(huán)境中開展實驗，提高了學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力。本校進行水利信息可視化技術(shù)仿真教學(xué)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(xué)中心建設(shè)工作，旨在貫徹落實《教育部關(guān)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(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新，全面提高大學(xué)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(xué)中心的建立，尤其要加緊課程仿真教學(xué)模式改革的步伐。2.水利信息技術(shù)作為一門相關(guān)新興的交叉學(xué)科，可以很好的結(jié)合最新的信息技術(shù)促進水利工程學(xué)科的發(fā)展，并逐漸起到尖兵作用。3.水利信息可視化技術(shù)仿真是水利信息技術(shù)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(shù)仿真教學(xué)模式探索與研究有利于整個學(xué)科教學(xué)水平的推進。

二、虛擬仿真教學(xué)模式建設(shè)思路與內(nèi)容

水利信息可視化技術(shù)仿真教學(xué)模式探索與研究的整體思路如圖1所示。本課程的教學(xué)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(dǎo)的“應(yīng)用+前沿”課程大綱根據(jù)水利水電工程專業(yè)工程教育認(rèn)證相關(guān)的要求，教學(xué)模式要服務(wù)于人才培養(yǎng)模式。對于要培養(yǎng)具備扎實理論基礎(chǔ)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(yīng)用型工程技術(shù)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(chǔ)。因而制定“應(yīng)用+前沿”課程大綱，實行“一體化教學(xué)”等，深化課程體系改革。明確把課程基礎(chǔ)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(xué)平臺的教學(xué)模式。根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與水利工程教學(xué)緊密結(jié)合的思路，提出以仿真教學(xué)平臺為基礎(chǔ)的教學(xué)模式。如在學(xué)習(xí)各種類型的大壩模型（包括大壩的不同部件），總結(jié)各自的特點、要素、計算方法、差異性與關(guān)聯(lián)性等內(nèi)容，及分析水利工程建筑物與地形相互關(guān)系等內(nèi)容，結(jié)合二維CAD圖形以及相應(yīng)不同部件三維模型與空間關(guān)系進行展開[7]。讓水利信息可視化技術(shù)仿真課程教學(xué)從傳統(tǒng)的“板述”到目前的“PPT”再進一步到“仿真教學(xué)平臺”這樣的一種教學(xué)模式。實現(xiàn)課程內(nèi)容與仿真教學(xué)平臺內(nèi)容設(shè)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(xué)生的實踐認(rèn)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(shè)計資料（水文氣象、地質(zhì)、工程單價等）、設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計進度、設(shè)計成果、施工相關(guān)文件、工程管理運行及維護等資料，構(gòu)建三維工程“活教材”案例庫。通過仿真教學(xué)平臺擴展功能，增加相應(yīng)的全生命周期功能，從而可以使學(xué)生學(xué)習(xí)已建工程從規(guī)劃-設(shè)計-施工-管理一整套的內(nèi)容。擴展了實際工程現(xiàn)場實習(xí)時不能了解工程設(shè)計過程全貌，從而可以激發(fā)學(xué)生的工程實踐認(rèn)知能力。（四）基于仿真教學(xué)平臺的課程設(shè)計為控制目標(biāo)的考核模式。對于水利工程可視化技術(shù)這一重要的專業(yè)課程，不僅強調(diào)常規(guī)考試來衡量學(xué)生撐握情況，更要抓住課程設(shè)計這一考核模式。通過仿真平臺中課程設(shè)計模塊設(shè)定不同內(nèi)容與情景讓學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)，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(shè)計的想法得以實現(xiàn)。從課程內(nèi)容的重要性和關(guān)聯(lián)性角度，制定基于仿真平臺的課程設(shè)計內(nèi)容與次序，并建立考核機制與要點。應(yīng)用工作流程模式，對每一項課程設(shè)計環(huán)節(jié)進行布置，并設(shè)定評價調(diào)整理論學(xué)時和實踐學(xué)時比例。按照“基本能力→實踐能力→綜合能力”的實踐教學(xué)培養(yǎng)體系設(shè)定課程設(shè)計要點與考核指標(biāo)，并進行綜合評價。（五）以科研項目促進教學(xué)深化基礎(chǔ)知識與增強創(chuàng)新能力培養(yǎng)。讓學(xué)生參與或?qū)唧w的科研項目進行深入學(xué)習(xí)與分析，不僅能提高專業(yè)基礎(chǔ)知識的應(yīng)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(gòu)建、水利工程建筑模型構(gòu)建、水利設(shè)計方法知識庫構(gòu)建、人機交互輔助設(shè)計等子任務(wù)，并進行子任務(wù)的解決方案制定，使之由淺入深、徐徐漸進，從而有利于學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新能力和組織協(xié)調(diào)能力。

三、結(jié)束語

水利工程乃至工程學(xué)科，具有很強的理論知識與實踐知識結(jié)合緊密的需求，同時也有信息技術(shù)深入融合的可行性與先天優(yōu)勢。結(jié)合水利工程傳統(tǒng)知識與虛擬仿真技術(shù)，進行水利信息可視化技術(shù)教學(xué)模式探索與研究，從新型課程大綱、基于仿真教學(xué)平臺的教學(xué)、三維“活教材”工程案例庫、以仿真課程設(shè)計的考核模式、科研促進教學(xué)等內(nèi)容，以培育創(chuàng)新能力與增強工程實踐為導(dǎo)向，促進了課堂教學(xué)與工程實踐的深入結(jié)合，學(xué)生們了解到水利三維設(shè)計及BIM的應(yīng)用前景，掌握了相關(guān)的技能，提高了學(xué)生積極性和主動性及對水利工程大局觀與前沿性的認(rèn)識，水利工程專業(yè)與水利信息技術(shù)專業(yè)的學(xué)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(xué)、人才培養(yǎng)、虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)、乃至學(xué)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(xué)的應(yīng)用和推廣。

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作者:楊海波 張曉慶 單位:鄭州大學(xué)