基于虚拟仿真的水工建筑物课程混合式教学模式设计与实现

杨超　景何仿

摘要：为解决传统水工建筑物课程教学中存在的问题，提出了基于虚拟仿真实验的水工建筑物课程混合式教学方法。以水工建筑物课程中渠系建筑物课程单元为例，从教学准备、教学实施、教学评价几个阶段阐述了该教学方法的实现过程。该教学方法改变了传统课堂教学中过多讲授而导致学生学习主动性不高、认知参与度不足的问题，提高了学生的学习兴趣与动手实践能力，也解决了新工科专业改革中教学内容不断丰富，教学课时不断压缩的难题。教学方法的实现可以为相关院校开展专业教学提供借鉴与参考。

关键词：虚拟仿真实验；水工建筑物；教学方法；混合式教学模式

一、前言

随着近年来计算机技术与互联网技术的发展，将高等教育与信息技术深度融合，已经成为目前高等教育改革与发展的重要方向[1-3]。虚拟仿真实验是基于虚拟现实技术建立的虚拟实验，与传统实验相比，虚拟仿真实验具有在学习中不必承担危险性风险以及仪器损坏风险[4]、设备利用率高、容易维护等优点，近年来发展迅速[5]。本文以北方民族大学建设的“宁夏引黄灌区渠系设计仿真实验系统”为虚拟仿真实验基础，探讨将虚拟仿真实验平台引入水利水电工程专业水工建筑物课程教学中的教学模式与教学方法，期待在信息化条件下，为革新传统水利类专业课教学方式、培养高素质水利水电技术人才提供参考。

二、水工建筑物课程传统教学中出现的问题

水工建筑物课程是高等本科院校水利类相关专业的核心基础课，通过课程学习，学生可以深入理解水利枢纽中典型水工建筑物的工作原理及工作条件，基本掌握水利枢纽的布置、水工建筑物的形式选择、运行管理、科学研究等基本知识，达到运用所学专业知识初步进行水利工程设计的能力。水工建筑物的设计理论与设计方法的教学涉及水工建筑物设计规范中各类经验与理论公式的讲解与应用，课程以理论讲授为主，课堂教学显得较为沉闷，学生面对设计规范与计算公式，缺少主动思考的兴趣，教学效果不理想。

此外，随着近年来新工科专业建设的发展，为了应对社会发展对高校毕业生素质的多元化需求，大批水利水电工程的专业核心课程理论课时被压缩，转而开设各个专业方向的选修课程，水工建筑物课程也不例外。教师在有限的时间里让学生掌握传统的水工建筑物设计理论与方法，同时了解最新的发展动态与设计理念是非常困难的。

综上所述，目前传统水工建筑物教学主要面临如下问题：

1.从学生角度出发，学生在水工建筑物课程的学习中，对教学内容的本质认知比较抽象，学生对专业课程学习兴趣不足，在水工建筑物设计理论与设计方法等知识点的学习中，学生对所学内容缺乏思考，学习效果不理想。

2.从教师角度出发，面对新工科培养模式与社会环境的深刻变化，现有的教学手段与教学模式越来越无法满足新模式下教学质量的达成，水工建筑物课程面临着教学内容不断丰富，教学课时不断压缩的困境。

3.从专业建设角度出发，新的水利水电工程专业建设要求加强实践教学环节，培养创新型复合人才。由于学科专业的自身特点，且受到高等院校场地、设备等方面的限制，目前在水工建筑物课程教学中还存在一些困难。

面对水工建筑物课程教学中存在的问题，本文提出基于虚拟仿真实验的水工建筑物课程混合式教学方法，以期在水工建筑物课程教学中推行虚拟仿真实践与理论教学相互促进的新的教学模式。

三、基于虚拟仿真实验的水工建筑物课程混合式教学方法

面对专业建设的迫切需要与课程教学中出现的问题，提出了基于虚拟仿真实验的水工建筑物课程混合式教学方法，即在水工建筑物课程理论教学实践中，对于各类水工建筑物的基本概念、工程特点等内容的教学，采用线上虚拟仿真实验、线上观看视频与线下课堂讨论、汇报相结合的方法，让学生在实际动手实践中激发学习兴趣，并达到节省线下课堂教学课时的目的。由于水工建筑物的设计理论与设计方法的教学内容涉及设计规范与理论计算，授课内容比较枯燥难懂，学生往往缺乏学习兴趣。如果全部采取线下教学，则授课过程沉闷，学生学习效果不佳；由于这部分课程内容前置的基础知识涉及理论力学、材料力学、结构力学、土力学、水力学等相关知识点，学习难度大，如果全部采取线上教学或者“翻转课堂”教学模式，学生掌握重点、难点内容有困难。因此这部分课程内容采取开展线上虚拟仿真实验、线下课堂讨论与线下课程设计相结合的方法开展。

上述将虚拟仿真实验引入水工建筑物课程教学的教学方法改革，可以解决传统课程教学中理论知识与基本概念抽象、学生学习兴趣不足、学习效果不理想的问题。此外，基于虚拟仿真实验的水工建筑物课程混合式教学方法还可以解决水利水电工程新工科专业建设中面临的有限专业课时量与培养质量之间的矛盾。目前，大部分工科专业都面临有限专业课时量与培养质量之间的矛盾，此研究可以推广到所有工科专业的课程建设中，应用前景广泛。

四、基于虚拟仿真的混合式教学方法在教学中的实践

本文以水工建筑物课程中渠系建筑物课程单元为例，说明基于虚拟仿真的混合式教学方法在水工建筑物课程教学中的实现。

（一）教学准备

渠系建筑物课程单元是水工建筑物课程中重要的组成部分，为实现教学目标，结合虚拟仿真实验，课前准备阶段的主要内容包括以下几个方面：

1.教学内容设计

按照课前、课中、课后三个环节设计教学内容，任务分解和分配情况如表1所示。

2.线上资源建设

为确保线上资源对知识的讲解，课题组制作了渠系建筑物课程的案例视频、课程讲解视频、虚拟仿真操作指导书、配套习题等资源进行线上教学。

虚拟仿真实验的设计是课程基于虚拟仿真混合式教学的关键建设资源，以下对虚拟仿真实验的实验设计与实验内容进行简要介绍。课程依托“宁夏引黄灌区渠系设计仿真实验系统”开展虚拟仿真实验与学生后台实验数据的监测。“宁夏引黄灌区渠系设计仿真实验系统”是北方民族大学获批的省级一流本科课程，在国家级虚拟仿真实验平台上开放共享。学生通过与三维仿真模型的交互操作，自主完成引黄灌区及其灌区水工建筑物规划设计、结构选型、水力设计、结构设计、节灌新理论和新技术等内容的实验。

实验系统主要分为灌区资料介绍与渠系建筑物工程布置两个模块，对应两个按钮，点击跳转到对应模块场景。实验系统初始界面如图1所示。

灌区资料介绍模块通过漫游方式展示引黄灌区的河流情况、水库水源情况、水工建筑物设计情况等信息，使学生了解整个平原灌区灌溉渠系组成及其附属建筑物结构形式。学生通过对渠首、渠道、倒虹吸管、渡槽、涵管、跌水、桥梁、灌溉等建筑进行三维模型的重塑与交互操作，自主完成渠道系统及构筑物认知、渠道线路设计、渠道断面设计、渠系建筑物选型设计、灌溉与节灌技术认知等内容的学习。灌区资料介绍模块界面如图2所示。

渠系建筑物工程布置模块通过设计灌排渠系类工具、渠系建筑工具及场景辅助工具实现灌排渠系和水工建筑物的虚拟设计与布置。进行虚拟实验时，学生在灌区地形模型的基础上，使用灌排渠系类工具在场景中绘制灌排渠系的路径，关键路径点生成高程标签，软件自动记录路径高程数据。渠系布置后可在场景渠系标签上添加渠道的名称。灌排渠系类工具可以应用于布置干渠、支渠、斗渠和农渠。灌排渠系类工具设计界面如图3所示。

实验系统根据学生的设计成果进行仿真模拟，并由系统后台进行计算分析后判断设计方案及相关成果数据是否符合规范要求。实验结束后，系统出具分析报告，提示学生应对薄弱环节和知识内容加强学习。

3.线上教学平台

本课程使用“超星”网络教学平台上的数字化教学资源开展线上课程的学习与考核。

（二）教学实施

课前，学生自主学习内容包括观看渠系水工建筑物讲解视频、案例视频、学习虚拟仿真操作指导书、开展在线虚拟仿真实验并完成实验中的配套习题。通过动手实验，学生既增强了动手实践能力，又加深了对所学知识的认知与理解，还能节约理论课时，达到一举多得的目的。

课中，教师对学生遇到的问题给予解答，然后根据虚拟仿真实验系统的后台记录，判断学生的初次学习效果以及设计方案的合理性，以学生感兴趣的知识点为话题，引导学生开展讨论。结合设计规范，讲解渠系水工建筑物的设计理论与设计方法，此时学生已经经过了课前学习，对虚拟实验中自己存在的问题比较清楚，求知欲强，原本枯燥的课堂理论学习变得有趣。

课后，学生进一步完善虚拟仿真试验，并且在线打印实验报告，作为课程过程性考核标准。教师引导学生对虚拟仿真实验系统与自我学习过程开展评价，为改进下一次的教学提供参考。

（三）教学评价

借助“超星”网络教学平台的“成绩管理”与虚拟仿真实验平台的后台管理与实验报告，量化评价学生线上学习效果。教学评价与反馈体系构建如表2所示。

五、教学效果及意义

通过上述混合式教学方法的构建，改变了传统课堂教学中过多讲授而导致学生学习主动性不高、认知参与度不足、不同学生的学习结果差异过大等问题。学生在学习过程中，如果不认真对待，则不能完成虚拟仿真实验的课前学习；同时，任课教师为了解决学生在课前学习中遇到的问题，需要认真准备来应对学生提出的问题，达到教学相长的目的，这让学生成为课堂的主人。此外，由于各类水工建筑物的基本概念、工程特点、工作原理等原本线下课堂的教学内容被转移至线上教学，也相应地减少了教学所需的线下课时量，在提升学生学习兴趣的同时，混合式教学方法也解决了新工科专业改革带来的有限课时量与培养质量之间的矛盾。

六、结语

本文基于课题组自主开发的《宁夏引黄灌区渠系设计仿真实验系统》，将虚拟仿真实验与水工建筑物课程教学实践相结合，提出了基于虚拟仿真的水工建筑物课程混合式教学方法，并将其应用于水工建筑物课程渠系建筑物章节的理论教学中，改变了传统课堂教学过多讲授而导致学生学习主动性不高、认知参与度不足的问题，让学生成为课堂的主人，教师成为课堂的组织者与引导者，大幅提升了水工建筑物课程的教学质量。同时，原本需要线下课堂学习的内容被转移到线上，解决了因为新工科专业改革带来的有限专业课时量与培养质量之间的矛盾。

参考文献

[1]教育部.教育部关于一流本科课程建设的实施意见：教高（2019）8号[Z].2019.

[2]教育部.教育信息化2.0行动计划：教高（2018）6号[Z].2018.

[3]魏娜，解建仓，罗军刚，等.水资源与水环境虚拟仿真实验教学平台的建设[J].实验技术与管理，2019，36（09）：100-102.

[4]徐雪飞，赵江东，柳晨阳，等.虚拟仿真实验发展及其技术应用探析[J].科技创业月刊，2020，33（09）：160-162.

[5]侯慧，朱韶华，张清勇，等.国内外高等学校虚拟仿真实验发展综述[J].电气电子教学学报，2022，44（05）： 143-147.

基金项目：1.北方民族大学教育教学改革研究项目（课题编号：2021JY044）；2.北方民族大学科学计算与工程应用创新团队（课题编号：2022PT_S02）；3.宁夏回族自治区重点研发项目（引才专项）（课题编号：2019BEB04035）

作者单位：北方民族大学土木工程学院

责任编辑：周航