魏 娜，解建倉，羅軍剛，宋孝玉，王義民，黃 強

水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)

魏 娜1,2，解建倉1,2，羅軍剛1,2，宋孝玉1,2，王義民1,2，黃 強1,2

（1. 西安理工大學 水利水電國家級實驗教學示范中心，陜西 西安 710048；2. 西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048）

在國家級水利水電實驗教學中心建設(shè)的基礎(chǔ)上，遵循“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，建設(shè)了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)和現(xiàn)代水利特色的水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺由水文、水資源和水環(huán)境3大模塊構(gòu)成，下設(shè)水文預報與水利計算、水庫與水電站調(diào)度、水環(huán)境模擬與保護、水資源調(diào)配和水災害事件應急應對等5個虛擬仿真實驗教學平臺，為高校水利類專業(yè)人才的培養(yǎng)提供新的實踐教學模式。

水資源工程；水環(huán)境工程；虛擬仿真實驗；實驗室建設(shè)

信息技術(shù)與高等教育深度融合，有力地推進了虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)[1-6]，2018年4月教育部頒布的《教育信息化2.0行動計劃》特別強調(diào)“加強職業(yè)院校、高等學校虛擬仿真實訓教學環(huán)境建設(shè)，服務信息化教學需要”。虛擬仿真實驗教學已經(jīng)成為高校加強實踐教學、提高教學質(zhì)量的重要手段，如車輛工程、能源動力、土木工程和材料等專業(yè)教學中都普遍采用虛擬仿真技術(shù)[7-12]。西安理工大學水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“中心”）依托“水利工程”和“水文學與水資源”兩個國家重點學科、省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室、西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室、水利水電國家級實驗教學示范中心等教學科研平臺，建立了以水資源高效利用與保護為核心，既能反映當前水資源與水環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)重要進展及重要方向，又具有獨立知識產(chǎn)權(quán)和現(xiàn)代水利特色的虛擬仿真實驗教學平臺。虛擬仿真實驗在一定程度上代替了傳統(tǒng)的實驗教學，而且彌補了傳統(tǒng)實驗教學中真實實驗環(huán)境復雜、實驗成本高、部分實驗不可及等不足，是改革傳統(tǒng)教學方式、培養(yǎng)高素質(zhì)水利技術(shù)人才的迫切需要，也是實現(xiàn)水利現(xiàn)代化的迫切需要[13]。

1 水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心的發(fā)展歷程

2017年，西安理工大學水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心正式獲批陜西省虛擬仿真實驗教學中心。中心結(jié)合“育人為本、知行統(tǒng)一”的西安理工大學辦學理念，先后建設(shè)了以水資源高效利用與保護為核心內(nèi)容，反映當前水資源與水環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域重要科研進展和方向，同時又具有獨立知識產(chǎn)權(quán)和現(xiàn)代水利特色的虛擬仿真實驗教學平臺。早在1998年，學校成立了“陜西省水資源與環(huán)境重點實驗室”；2004—2010年期間，先后成立了西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室、陜西省水力機械及其控制工程技術(shù)研究中心、西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點實驗室培育基地。為了突破傳統(tǒng)實驗教學模式，2011年成立了陜西省水利水電實驗教學中心，引入虛擬仿真實驗教學，提升了學生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力，滿足了水文與水資源工程等相關(guān)專業(yè)課程的實踐教學需求。2014—2015年期間，又先后成立了陜西省水資源與環(huán)境實驗教學中心、國家級水利水電實驗教學中心，為水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心的搭建奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 中心的組織架構(gòu)

中心由水文、水資源和水環(huán)境3大模塊構(gòu)成，下設(shè)5個以水資源高效利用與保護為核心，具有自主知識產(chǎn)權(quán)和現(xiàn)代水利特色的虛擬仿真實驗教學平臺：

（1）水文預報與水利計算虛擬仿真實驗教學平臺；

（2）水庫與水電站調(diào)度虛擬仿真實驗教學平臺；

（3）水環(huán)境模擬與保護虛擬仿真實驗教學平臺；

（4）水資源調(diào)配虛擬仿真實驗教學平臺；

（5）水災害事件應急應對虛擬仿真實驗教學平臺。

5個實驗教學平臺的實驗內(nèi)容涵蓋水文水利計算、徑流預測、洪水預報、水庫調(diào)節(jié)計算、河流水質(zhì)模擬、水量水質(zhì)傳遞影響、水資源調(diào)配、應急決策管理等領(lǐng)域。中心目前共開設(shè)了124個虛擬仿真實驗教學項目，服務11門課程。

3 中心的教學資源

（1）水文預報與水利計算虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺承擔了包括水文預報、水文水利計算、水文學原理等在內(nèi)的6門課程的實驗教學任務，由徑流預測虛擬仿真、洪水預報虛擬仿真和水文水利計算虛擬仿真等3個實驗教學系統(tǒng)組成，包含新安江模型洪水預報仿真實驗、水文頻率分析計算仿真實驗、暴雨資料推求設(shè)計洪水仿真實驗等32個仿真實驗項目。

（2）水庫與水電站調(diào)度虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺承擔了包括水電能源利用與管理、水資源開發(fā)與利用、水電站水庫群優(yōu)化調(diào)度等在內(nèi)的5門課程的實驗教學任務，由水庫調(diào)節(jié)計算虛擬仿真、水電站水能計算虛擬仿真、水庫調(diào)度虛擬仿真和水電站經(jīng)濟運行虛擬仿真等4個實驗教學系統(tǒng)組成，包含水庫興利調(diào)節(jié)計算時歷法仿真實驗、水電站等流量調(diào)節(jié)計算仿真實驗、水電站等出力調(diào)節(jié)計算仿真實驗等23個仿真實驗項目。

（3）水環(huán)境模擬與保護虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺承擔了包括水環(huán)境保護、水環(huán)境模擬、環(huán)境影響評價等在內(nèi)的4門課程的實驗教學任務，由河流水質(zhì)模擬仿真、河流水質(zhì)水量傳遞影響仿真和水環(huán)境容量虛擬仿真等3個實驗教學系統(tǒng)組成，包含河流水質(zhì)一維數(shù)值模擬仿真實驗、水功能區(qū)水質(zhì)水量傳遞影響仿真實驗、河流污染物負荷分配仿真實驗等17個仿真實驗項目。

（4）水資源調(diào)配虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺承擔了包括水資源利用、水資源流域規(guī)劃管理、水環(huán)境保護等在內(nèi)的6門課程的實驗教學任務，由水資源供需分析虛擬仿真、水資源調(diào)配虛擬仿真、水資源紅線考核虛擬仿真和灌區(qū)用水管理4個實驗教學系統(tǒng)組成，包含生活需水量預測仿真實驗、工業(yè)需水量預測仿真實驗、水資源多尺度調(diào)配仿真實驗等32個仿真實驗項目。

（5）水災害事件應急應對虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺承擔了包括地理信息系統(tǒng)、3S技術(shù)及應用等在內(nèi)的4門課程的實驗教學任務，由應急決策管理和應急指揮三維可視化仿真兩個實驗教學系統(tǒng)組成，包含防汛抗旱應急應對教學實驗、突發(fā)性水污染應急應對教學實驗、庫區(qū)淹沒三維可視化仿真實驗等20個仿真實驗項目。

4 中心的特色

（1）構(gòu)建了“四層次，四類型、四結(jié)合”的一體化虛擬仿真實驗教學體系。以培養(yǎng)創(chuàng)新實踐型人才為目標，以課程教學內(nèi)容為主體，以基礎(chǔ)認知、基本技能、綜合能力、創(chuàng)新實踐4個層次為架構(gòu)，以基礎(chǔ)型、綜合型、實訓（設(shè)計）型和創(chuàng)新科研型4種虛擬仿真教學實驗為支撐，實現(xiàn)了實驗教學點與面、靜與動、遠與近、真實與虛擬的結(jié)合，形成了水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學體系。

（2）實現(xiàn)了規(guī)劃、開發(fā)、利用、保護全方位的虛擬仿真實驗教學。圍繞水資源與水環(huán)境各環(huán)節(jié)中的實驗需求，綜合應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、動態(tài)建模、三維動畫技術(shù)、數(shù)值模擬軟件、數(shù)字地球平臺等，構(gòu)建了水資源規(guī)劃、開發(fā)、利用、保護全過程的虛擬仿真實驗，實現(xiàn)了水資源開發(fā)利用全方位虛擬仿真實驗教學。

（3）整合優(yōu)質(zhì)教學與科研資源，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的實驗教學平臺。充分利用本校國家重點學科和重點實驗室的優(yōu)質(zhì)資源，強調(diào)多學科交叉融合，突出交叉特色、現(xiàn)代化特色和面向特殊問題特色，通過校企協(xié)同、科研助推，使水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學項目涵蓋領(lǐng)域多、輻射面廣，不斷更新和完善了實驗教學體系。

（4）充分利用虛擬仿真實驗教學，全面提升學生的創(chuàng)新實踐能力。開展系統(tǒng)、深入的本科虛擬仿真實驗教學，彌補了實踐教學的不足，解決了真實實驗教學成本高、用時長的問題，填補了真實實驗無法實現(xiàn)的實驗教學項目，為本科高校實驗教學創(chuàng)新、學生創(chuàng)新實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

5 中心的運行管理

（1）組織保障。中心成立了中心辦公室，由分管校長直接領(lǐng)導，教務處下達教學任務，中心負責實施與管理。中心下設(shè)主任1名，負責統(tǒng)籌調(diào)配各項建設(shè)規(guī)劃、教學資源；副主任2名，負責協(xié)調(diào)各項科研轉(zhuǎn)化工作；辦公室主任1名，負責實驗室日常管理工作；分中心主任5名，分別負責5個實驗平臺的建設(shè)與管理。各部門之間實施高度集中管理，既各負其責，又互相協(xié)作，建立了現(xiàn)代化管理與運行模式。

（2）制度保障。中心具有一系列完備的管理制度，包括實驗室管理制度、儀器設(shè)備管理制度、教學管理制度等，保障校內(nèi)外實習/實訓/實踐基地、儀器設(shè)備、實驗課程、實驗教材等資源的合理、高效利用，確保了實驗教學中心的良好運行。

（3）中心運行。中心以骨干傳輸系統(tǒng)為網(wǎng)絡通信平臺，無線接入覆蓋整個校園，設(shè)立了資源豐富的中心門戶網(wǎng)站。各實驗平臺網(wǎng)站實行全開放或半開放運行模式，實現(xiàn)了實驗空間、實驗時間和實驗內(nèi)容的開放共享，為本科相關(guān)專業(yè)的實驗教學需求提供服務。

（4）人員考核與管理。中心現(xiàn)有專、兼職教師48人（正高級職稱21人、副高職稱14人、中級職稱11人、中級職稱以下2人）。中心依據(jù)《西安理工大學教師聘任和職務晉升規(guī)定》 《西安理工大學實驗室工作人員考核辦法》等考評條例，對中心教師進行教學質(zhì)量評估和工作量考評。通過培訓和進修，提高中心教師的綜合素質(zhì)和業(yè)務水平。

6 結(jié)語

在國家級水利水電實驗教學示范中心的基礎(chǔ)上建立的水資源與水環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心，堅持“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，以虛擬仿真實驗替代了難以開設(shè)的真實實驗，完善了現(xiàn)有的實驗教學體系，實現(xiàn)了教學資源的全方位共享。該平臺整合了優(yōu)質(zhì)的教學與科研資源，實現(xiàn)了科研成果向?qū)嶒灲虒W的有效轉(zhuǎn)化；基于優(yōu)勢互補、成本分擔、利益共享的校企合作機制，推進了校企合作；通過科學研究服務企業(yè)技術(shù)需求、反哺實驗教學，形成可持續(xù)的發(fā)展態(tài)勢。通過該平臺，使人才培養(yǎng)、學科建設(shè)、科學研究、實驗室與基地建設(shè)互相促進、互相支撐、相互融合，為學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)、教學質(zhì)量提高提供了有力支撐。

[1] 杜月林，黃剛，王峰，等.建設(shè)虛擬仿真實驗平臺探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實驗技術(shù)與管理，2015, 32(12): 26–29.

[2] 沈建華，楊震，程崇虎，等.國家級信息與通信工程實驗教學示范中心建設(shè)的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014, 31(6): 153–157.

[3] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013, 32(12): 5–8.

[4] 張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術(shù)應用的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2013, 30(12): 101–104.

[5] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)，提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗研究與探索，2013, 32(11): 5–8.

[6] 陳萍，周會超，周虛.構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實驗技術(shù)與管理，2011, 28(3): 277–280.

[7] 潘公宇，江浩斌，劉志強，等.車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺的設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2017, 34(4): 1–5.

[8] 費景洲，路勇，高峰，等.船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)與實踐[J].實驗室研究與探索，2017, 36(1): 147–151.

[9] 袁小平.電工電子虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的研究與探索[J].實驗室研究與探索，2017, 36(12): 164–167.

[10] 徐明，熊宏齊，吳剛，等.土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2016, 35(2): 139–142, 216.

[11] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2014, 31(2): 5–8.

[12] 明仲，蔡茂國，朱安民.虛實結(jié)合建設(shè)高水平虛擬仿真實驗教學中心[J].實驗室研究與探索，2017, 36(11): 146–150.

[13] 魏娜，解建倉，羅軍剛，等.水利水電工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)探析[J].實驗室研究與探索，2017, 36(11): 169–171, 278.

Construction of virtual simulation experimental teaching platform for water resources and water environment

WEI Na1,2, XIE Jiancang1,2, LUO Jungang1,2, SONG Xiaoyu1,2, WANG Yimin1,2, HUANG Qiang1,2

(1. National Demonstration Center for Experimental Water Resources and Hydro-electric Engineering Education, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2. Provincial and Ministerial Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

On the basis of the construction of the national experimental teaching center of water resources and hydropower, a virtual simulation experimental teaching platform of water resources and water environment with independent intellectual property rights and modern water resources characteristics has been established according to the principle of “Combining virtuality with reality, complementing each other and being able to be real”. This platform consists of three modules such as the hydrology, water resources and water environment, under which it includes the five virtual simulation experimental teaching platforms of hydrological forecast and water resources calculation, reservoir and hydropower station dispatch, water environment simulation and protection, water resources allocation and emergency response to water disasters. It provides a new practical teaching mode for the training of water resources talents in colleges and universities.

water resources engineering; water environment engineering; virtual simulation experiment; laboratory construction

TV213；X832；G647

A

1002-4956(2019)09-0100-03

2019-02-25

陜西省教育廳重點教改項目（17bz022）資助；國家自然科學基金項目（51709222）資助；西安理工大學教學研究項目（xjy1772）資助；水利水電國家級實驗教學示范中心開放課題（WRHE1803）資助

魏娜（1987—），女，陜西延安，博士，講師，主要從事水資源管理與水利信息化方面的教學與科研工作。

E-mail:：844787598@qq.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.025