水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台建设探析

2017-12-15解建仓罗军刚黄领梅

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：水利水电水电站水利

魏娜，解建仓，罗军刚，汪妮，黄领梅

(西安理工大学水利水电学院，西北旱区生态水利工程国家重点实验室，西安 710048)

水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台建设探析

魏娜，解建仓，罗军刚，汪妮，黄领梅

(西安理工大学水利水电学院，西北旱区生态水利工程国家重点实验室，西安 710048)

信息技术的发展，对高等教育产生深远影响，传统的实验教学模式正在成为制约现代水利人才培养的瓶颈。采用虚拟仿真技术，解决了传统实验教学中存在的环境复杂、成本高，以及部分实验不可及等难题。分析了水利水电工程专业实验教学存在的主要问题，探究了水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台建设的意义及前景。在此基础上，初步提出了水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台的建设内容，为水利类专业学生实践和创新能力的培养开辟了一条具有现代水利特色的道路。

水利水电工程专业；实验教学平台；虚拟仿真

0 引言

随着计算机与信息技术的飞速发展，物联网+、大数据、云计算已经成为水利信息化应用研究的热点，是传统水利的主要方向，有力地促进了教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革。2010年5月国务院审议通过的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》指出：“信息技术对教育发展具有革命性的影响，必须予以高度重视。”要求将高等教育与信息技术进行深度融合，对人才培养模式进行创新，从知识技能型向应用创新型转变【1-5】。教育部2013年3月颁布的《教育信息化十年发展规划(2011～2020年)》则从顶层设计入手，从宏观战略的高度提出了建立具有中国特色的教育信息化体系，建成人人可享有优质教育资源的信息化学习环境【6】。近些年，国内部分高校针对自身的教学与科研需求相继开发了专业相关的虚拟仿真实验，有力地推进了虚拟仿真实验教学平台的建设【7-10】。

绿色、安全、高效，是水利相关行业的共同愿景，其实现需要大量基本功扎实、工程素养高、实践能力强的专业技术人才。水利行业水电工程专业所涉及的实验教学课程多是面向水利水电、能源、水文水资源工程领域相关人才培养的核心课程。由于水资源的开发、利用和保护存在很大的不确定性，导致真实实验环境复杂、实验成本高，以及部分实验不可及等现实局限。加之近年来，水利相关专业招生持续增多，使得该类实验教学课程难以真实开展，或者难以达到教学效果，成为高素质水利技术人才培养的瓶颈。

本文借助计算机虚拟仿真技术，将以前无法实现的、不能开展的实验，可以通过开展水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台建设，搭建安全、可靠、直观、经济的非常规实验教学平台，将虚拟现实技术、三维建模与可视化、数值模拟软件、人机交互技术、数字地球平台等技术相结合，解决在水利行业技术领域内，不具备和难以完成的真实实验问题，是革新传统教学方式、培养高素质水利技术人才的迫切需要，也是实现水利现代化的迫切需要。

1 水利水电工程专业实验教学存在的主要问题

1.1 水资源系统的特殊性

水资源系统是受气候变化和人类活动影响的动态演化系统，是一个人工-自然复合的复杂系统，空间上涉及到地上、地下、上下游、左右岸、干支流多个空间尺度，时间上涉及过去、现在、将来、长期、中期、短期多个时间尺度。跨区域、多目标、多尺度、动态性、复杂性的特点使得水资源的开发、利用和保护面临很大的不确定性，迫切需要借助模拟仿真实验来提高认识水平和决策的科学性。

1.2 专业培养的紧迫性

加强实践教学环节，培养创新型复合人才是水利水电工程专业人才培养的核心内容。水利水电工程专业要求学生学习掌握水资源的工程勘测、规划、设计、开发利用和保护等方面的基本理论与技术，其教学实践性很强。如何通过实验教学全面提高学生的创新实践能力是迫切需要探索和解决的问题。需要通过实验教学平台的建设，对学生进行多层次、全方位的综合训练，获得可视化的认知效果，增强学生对知识理解的系统性。

1.3 真实实验的局限性、实验成本高

由于水资源系统的特殊性，小尺度微观机理可通过真实实验来实现，大尺度宏观规律或机理真实实验则无法实现，如梯级水库群调度、区域性水资源配置、跨流域调水、洪水淹没模拟等。这些真实实验环境复杂、成本高，难以实现，学生对这些教学内容的本质认知比较抽象。需要采用真实实验、虚拟仿真实验和现场实践相结合，完成实验项目内容，在达到相同教学效果的前提下，大大降低开展真实实验的成本和消耗。

2 水利水电工程专业虚拟仿真实验平台建设意义及应用前景

2.1 建设意义

现代信息技术的发展趋势表明，高素质水利技术人才的培养是我国当前国民经济发展潜力提升、国家可持续发展的重要任务之一。构建水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台，既能弥补现有真实教学无法实现、不能开展等现实局限，破解制约水利人才培养的实验教学难题，又能反映当前水利技术相关领域内重要进展及主要方向，实现了理论教学、前沿拓展和实践教学的高效有机融合。

(1) 学生层面。开展系统深入的本科虚拟仿真实验教学，弥补了实践性教学的不足，克服了真实实验的局限性、成本高等问题，填补了真实实验无法实现的教学实验项目，为深入系统开展本科实验教学创新及培养学生创新实践能力奠定了坚实的基础。

(2) 教师层面。围绕水利类专业各环节中的实验需求，综合应用虚拟现实技术、动态建模、三维动画技术、数值模拟软件，数字地球平台等，强化全过程特色，构建了水资源的工程规划、开发、利用、保护全过程的虚拟仿真实验，完善了实验教学体系、革新教学方式，实现了水资源开发利用全方位虚拟仿真实验教学。

(3) 学校层面。平台建设以全面提升学生创新精神和实践能力为宗旨，大力发展和共享优质实验教学资源，在建设过程中强调以创新意识为中心的个性发展，形成以兴趣为导向、信息平台为支撑的创新人才培养机制，提升教育教学水平。此外，与其他学校开展交流合作，将本校的虚拟实验资源进行推广应用，扩大了行业影响力。

(4) 社会层面。推动以协同创新为核心的全面创新，基础在教育，其关键是培育具有创新精神、创新能力的人才。借助虚拟仿真技术，搭建网络学习平台，拓宽水利类专业学生获取知识信息资源的渠道，提高获取知识信息资源的效率，提升水利行业信息化水平，以信息化带动教育现代化【11】。

2.2 应用前景

平台的建设考虑了教学资源的共享要求，具备高度的共享机制，高校、企业等使用单位经过授权后可使用相关的教学资源。

(1) 面向校内共享。平台除了正常教学安排的专业课程实验外，面向全校本科生开放。申请人提出实验请求之后，可远程独立操作完成实验项目，或由指导教师在后台辅助完成并反馈实验结果。为跨专业选修实验、科技创新实验、水利创新设计大赛、科研训练计划、自选兴趣实验以及部分毕业设计等提供实验条件和技术支持，有效促进相关专业、学科交叉、融合发展。

(2) 面向国内同类高校共享。平台建立面向国内水利专业高校的门户网站，比如清华大学、武汉大学、河海大学等，提供通过门户网站直接开展实验项目的通道，将实验教学改革的成果及资源与行业高校共享，在实验教学研究与人才培养方面相互交流，保证虚拟仿真实验教育资源的最大利用率。

(3) 面向企业共享。平台本着“校企合作，充分发挥企业技术优势”的建设理念，在已有的企业合作共享实验资源的基础上，积极开展与国内外知名公司的合作，通过校企联合合作，扩大实验室受益面，引进先进的技术和设备，培养和锻炼教师队伍，促进产学研的发展，为校企共同服务的同时，创造更多的社会和经济效益。

3 水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台建设内容

水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台建设依据“科学规划、突出重点、资源共享”的原则，承担了“水电能源利用与管理”“水利水能规划”“水电站水库群优化调度”“水资源开发与利用”等相关课程的实验教学任务，采用计算机网络、大数据、云服务等新兴技术，对真实水利工程的勘测、规划、设计等进行可视化的模拟仿真，通过反复互动操作，激发学生自主学习和研发能力，提高学生参与实验的热情和效果。建设内容包括以下几方面：

(1) 水库调节计算虚拟仿真实验教学系统。水库调节计算虚拟仿真实验教学系统是基于综合集成平台，通过信息化手段，运用组件和系统网络知识图技术，将多种水库调节计算方法综合应用，构建数字化虚拟仿真实验教学系统【12-15】。主要包括水库兴利调节计算、水库多年调节计算、水库典型年法调节计算、基于试算法和半图解法的水库洪水调节等功能，使学生通过计算机实践掌握水库调节计算方法的基本原理和算法，加深对水库调节计算相关概念理解的目的。

(2) 水电站水能计算虚拟仿真实验教学系统。水电站水能计算虚拟仿真实验教学系统以信息化技术为支撑，针对水电站水能规划设计所涉及主要任务，结合水电站的工作特点和运行方式，综合分析确定水电站的主要参数。主要包括水电站等流量调节计算、等出力调节计算、水电站多年平均发电量计算，水电站装机容量及保证出力推求等。使学生在掌握水能计算基本方法的基础上，结合水电站的调节性能及综合利用要求，系统学习水电站调节计算基本过程。

(3) 水库调度虚拟仿真实验教学系统。水库调度虚拟仿真实验教学系统是将计算机网络、知识图可视化等新兴技术互相融合，对真实水库调度及其相关规则方法进行模拟仿真。主要包括水库调度图的绘制、基于调度图的水库调度、水库防洪调度、发电调度、供水调度和错峰调度等功能，使学生了解整个水库调度系统所涉及的跨流域、多目标、多尺度等特点，提高解决问题和创造性思维的综合能力。

(4) 水电站经济运行虚拟仿真实验教学系统。水电站经济运行虚拟仿真实验教学系统采用知识图技术、组件技术、云服务计算模式等，对真实水电站经济运行进行模拟仿真。主要包括水电站以水定电、以电定水、水-电协调运行等不同方式的运行过程，以及水电-风电联合调峰、水电站节能评价等功能，使学生了解如何提高水电站经济运行水平，进行厂内短期、中长期水电站经济运行，编制水电站运行调度方案，掌握水电站经济运行的基本内容和方法。

4 结语

水利水电工程专业虚拟仿真实验平台以培养创新实践性人才为目标，以课程教学内容为主题，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，顺应了教育信息化的发展趋势和现实需求。平台的建设不仅提升了水利及其相关专业实验教学的整体水平，也是争创国家级实验教学示范中心的重要组成部分。将虚拟仿真技术应用到水利水电工程专业实验教学中，解决了传统实验教学的局限性，为水利类人才的培养开创了一条特色之路。

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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