虛擬仿真在土石壩實踐教學中應用探討

黃云超，李志萍，張淙皎，許新勇，朱莎莎

（1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046；2.華北水利水電大學 教務處，河南 鄭州 450046）

0 引言

2019 年國務院印發《加快推進教育現代化實施方案（2018-2022年）》，強調大力推進教育信息化，促進信息技術與教育教學深度融合。工程教育領域提出了以信息化為核心的“新工科”理念，水利工程人才應重點培養提高實踐能力和創新意識，而實踐教學是實現目標的基礎。而虛擬現實技術的發展為實踐教學提供了性價比更高的途徑，其是學科專業與信息技術深度融合的產物，也是高等教育信息化建設的重要內容。虛擬現實技術通過生成虛擬環境，可使學生運用虛擬設備完成相應實驗內容。

虛擬仿真實驗教學的教育模式、教學方法在不斷完善，其具有沉浸性、交互性、構想性、智能性特點，涉及高?；蚋呦膶嶒烅椖繒r，具有明顯優勢，其已在數字城市、室內設計、旅游教學、工業仿真、文物古跡仿真、道路橋梁設計、地址災害等領域得到廣泛的應用。水利工程虛擬仿真技術是水利行業信息化發展的一個重大突破，然而由于擴招、實驗場地、設備和經費等因素，實踐訓練往往不足。水利工程復雜而龐大，技術要求高，工程數據可視化成為其研究熱點。目前，虛擬仿真技術已在水利工程教學領域中的運行管理、高填方渠道及農業水利工程方面得到了廣泛應用，在環境工程和給水排水等本科專業也有相應進展。

近年來，虛擬仿真教學改革已取得了諸多成果，但在土石壩設計方面應用較少?！八そㄖ铩闭n程能夠總結比較成熟且廣泛應用的水利工程基本知識，是水利工程專業的基礎課程。虛擬仿真實驗能夠強化學生對知識的理解，提高對水工建筑物特別是土石壩工程安全問題的分析能力。該文以提高學生綜合能力和素質為目標，針對現有實踐教學的不足，探討引入虛擬仿真技術，開展了深入的課堂教學改革研究活動，經過探索，提出了相應的解決辦法和具體措施，提出的課堂教學改革方法可為工科的專業課堂教學改革提供參考與借鑒。

1 虛擬仿真應用的必要性及可行性

教學改革需有明確目標，教育信息化，是指在教育領域全面深入地運用現代信息技術來促進教育改革與發展的過程，引入虛擬現實技術到教學中，有助于培養創新精神和實踐能力，方便共享教學資源。

1.1 必要性

在傳統的課堂教學中，教師居主體地位，學生只是參與者，既不利于知識的傳授，亦難以保證教學質量。因此，教學改革就是為了消除傳統教學所帶來的弊端，讓學生主動參與到發現、探索及分析問題中。目前，高校工程實驗教學中常遇到的一些難題，如：資源消耗大、設備體積大、成本高，一些高危、大型、復雜的現場實體實驗難以在實驗室進行；周期長，學生現場實驗實訓時間有限；學生參與實驗的自主性、積極性不強，故需轉變現有的教學方式?？苫诂F有理論教學和實體實驗，利用專業仿真軟件，結合多媒體技術及網絡通訊平臺，解決現代水利工程專業實踐教學面臨的難題。水利水電工程實驗教學中運用虛擬仿真技術，可以實現現實和虛擬的結合，突破場地、實驗設備、成本等的限制，有效降低實驗成本及規避試驗風險，并能進行大型實驗的教學研究；學生可多次改變實驗邊界條件進行操作，具備容錯功能；可以反復進行操作，擴展試驗范圍，提升實踐教學的質量。

1.2 可行性

近年來，虛擬仿真技術迅速發展為水利工程專業開展虛擬仿真實驗教學提供了必要的技術條件支撐。目前，虛擬仿真實驗教學能有效提供經濟、安全和可靠的實驗項目，通過結合實驗課程與理論課程，豐富教學內容和手段。采取多元化考核方式，激發教師教學活力，豐富實驗資源，提高學生學習動力。而虛擬仿真實踐教學的推廣應用，又不可避免的帶來新的挑戰，諸如：教師教學能力提出了更高的要求、學生課外學習監管難度大及課程適用性和信息技術依賴問題，這些也是必須綜合考慮的問題。

2 虛擬仿真實驗教學建設思路

2.1 教學理念更新

在教學改革工作中，一定要明確改革原因及目標。目前，工程教育仍以教師為核心，對學習效果重視不足。依照新的培養目標，著重培養學生的實踐能力。將虛擬現實技術引入到教學中，打破空間、時間的限制，更直觀的將講授內容提供給學生觀察；并將科研探索和虛擬仿真技術融入實際工程中。在教學中，通過收集目前國內外已建的水利工程的資料，構建工程案例庫，不斷完善仿真平臺。

2.2 構建步驟分析

構建虛擬仿真教學體系時，應注重師資隊伍建設；校內資源共享；加強與兄弟院校間的交流，跨校分享教學資源；深化校企合作，引入合作企業的設計、施工、管理等專業人員，進行信息化技能培訓?？赏ㄟ^學生反饋的仿真實操心得，適當的調整教學方向及內容，調動學生積極性。仿真系統應具備實驗布置、預習、數據分析與處理、提交實驗報告等功能。

在土石壩除險加固設計中，主要涉及到溢洪道、壩頂高程、滲漏及壩坡穩定性等四個方面。而其仿真可分為靜態仿真和動態仿真兩個方面，靜態仿真為刻畫物體本身的屬性，動態仿真為對象在不同水流作用下發生的變化。

（1）溢洪道

溢洪道為大壩宣泄洪水的通道，其重點是在不同水位下泄洪的動態模擬。在泄洪模擬的實現中，水位、溢洪道控制段尺寸和底高程、泄槽段坡比和長度以及消力池結構尺寸等都是重要的影響因素。在模擬時我們可以通過設計消力池不同的池深、池長，水位和過水時間等因素來校核溢洪道的過流能力及其安全性，并通過動畫的形式顯示其在不同因素下發生破壞的形態。

（2）壩頂高程

壩頂高程是指大壩建基面的最低點至壩頂高度，或水庫工程中擋水建筑物的高度。壩頂高程應高于校核洪水位；并應高于正常蓄水位和正常運用條件下的壩頂超高。超高為最大波浪在壩坡上的爬高、最大風壅水面高度和安全加高之和。在模擬時我們可以通過設計不同水位來校核壩頂高程的安全性，通過輸入波浪爬高、風壅高度和安全加高等參數，讓學生自主設計并確定壩頂高程，并在壩頂高程不足時，顯示漫壩及潰壩動畫。

（3）壩體滲漏

當壩體上下游水位存在落差的時候，滲流便會發生。滲透坡降是滲透變形的決定因素，當滲透坡降大于壩體土體允許滲透坡降，土體就會產生滲透變形。模擬時我們可以通過設計上下游水位差、上下游坡比和土體參數等因素來校核壩體抗滲性能，并應注意其滲流量，也不應過大，后通過動畫的形式顯示壩體在較大滲流作用下的破壞形態。

（4）壩坡穩定性

壩坡穩定性分析的主要是通過對壩坡的巖土工程條件及壩坡穩定系數的分析，評價壩坡的穩定性。我國現行規范《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2020）［5］明確規定了不同等級、不同運用條件下的壩坡穩定安全系數，可作為設計參考之用。模擬時需基于壩體抗滲性能計算結果和土體性質，后通過動畫的形式顯示壩坡最小安全系數、最危險滑弧位置和發生滑弧時壩體的破壞形態。

3 結果評價

3.1 評價標準

教學采用虛擬仿真技術取得的教學效果，應從學習興趣、學習效果等方面進行評價。改革要求由被動接收知識向能動探究知識轉型，在土石壩設計過程中，提高學生對安全的重視和基礎理論知識的理解，并能切身感受到自身所學知識得到應用的滿足感，極大地激發了學生的興趣；還能擴展學生可利用的學習資源，可根據學生的個性化學習訴求來配置教學資源。

教學效果要關切學生獲得感，其核心訴求就是要建構起關切學生學習體驗感和滿意度的質量文化。故其強調學習體驗感和學習結果滿意度，彰顯學生的自主自覺性和體驗的獨特性，重塑學生自主學習、能動學習、個性學習的學習價值觀。在教學過程中，應緊跟學科和工程實踐發展動態和趨勢，結合教師個人科研，增加最新研究成果作為教學內容，提高學生學習興趣。仿真教學平臺課程設的考核模式，應科學、準確、全面地評價學生解決問題的能力。在課堂匯報作業成績評定中創新“教師為小組打分”評價機制，以此加強對學生學習的監督和管理，保障課改的順利實施?？偝煽儯?00分）=筆試成績（50分）+過程性評價成績（50分），其中，過程性評價成績=課堂考勤（10分）+作業（10分）+小組匯報（10分）+仿真實踐（20分）。課堂小組匯報主題為成員針對某一具體工程的作用、運行原理、優缺點及可改進性的討論，可采用口頭匯報、PPT 匯報和板書匯報等模式。過程性評價細則如表1所示。

表1 評價細則表

3.2 評價結論

水利工程虛擬仿真試驗教學可激發學習興趣；可依托于科研項目促進教學，深化基礎知識與增強創新能力培養，有利于創新型人才的培養；虛擬仿真試驗教學更容易實現教學資源的共享，有利于提高相關專業的教學質量，也為創新人才的培養開辟了一條特色之路。

3.3 創新性

采取了學生自主操作的教學模式，在課程設計中，學生自行討論解決，并通過仿真系統驗證合理性，提高學生的自主性和積極性。仿真系統的先進性，可結合實際工程與科研項目，不定時更新并緊跟時代前沿，有利于創新意識培養。教學效果評價的科學性，通過創新打分評價機制，有效解決了學習積極性不高的問題。

4 結論

擬通過現有工程相關資料，構建“高度仿真、虛實結合、開放共享”的虛擬仿真實驗系統，為實驗教學平臺的搭建提供基礎。水利工程實驗教學中運用虛擬仿真技術，可以有效降低實驗成本及規避試驗風險；學生可根據自身的理解和思考，靈活設計符合要求的實驗方案，并能加入多種探索性實驗內容，具備容錯功能；可以反復進行操作及擴展試驗范圍，提升學生的實踐能力和自主學習的興趣，培養學生的工程實踐能力和創新意識，為虛擬仿真技術與工程學科教學的結合提供了新思路。