楊超　景何仿

摘要：為解決傳統(tǒng)水工建筑物課程教學(xué)中存在的問題，提出了基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的水工建筑物課程混合式教學(xué)方法。以水工建筑物課程中渠系建筑物課程單元為例，從教學(xué)準(zhǔn)備、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)評(píng)價(jià)幾個(gè)階段闡述了該教學(xué)方法的實(shí)現(xiàn)過程。該教學(xué)方法改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中過多講授而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高、認(rèn)知參與度不足的問題，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)手實(shí)踐能力，也解決了新工科專業(yè)改革中教學(xué)內(nèi)容不斷豐富，教學(xué)課時(shí)不斷壓縮的難題。教學(xué)方法的實(shí)現(xiàn)可以為相關(guān)院校開展專業(yè)教學(xué)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；水工建筑物；教學(xué)方法；混合式教學(xué)模式

一、前言

隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將高等教育與信息技術(shù)深度融合，已經(jīng)成為目前高等教育改革與發(fā)展的重要方向[1-3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有在學(xué)習(xí)中不必承擔(dān)危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)以及儀器損壞風(fēng)險(xiǎn)[4]、設(shè)備利用率高、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速[5]。本文以北方民族大學(xué)建設(shè)的“寧夏引黃灌區(qū)渠系設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，探討將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入水利水電工程專業(yè)水工建筑物課程教學(xué)中的教學(xué)模式與教學(xué)方法，期待在信息化條件下，為革新傳統(tǒng)水利類專業(yè)課教學(xué)方式、培養(yǎng)高素質(zhì)水利水電技術(shù)人才提供參考。

二、水工建筑物課程傳統(tǒng)教學(xué)中出現(xiàn)的問題

水工建筑物課程是高等本科院校水利類相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以深入理解水利樞紐中典型水工建筑物的工作原理及工作條件，基本掌握水利樞紐的布置、水工建筑物的形式選擇、運(yùn)行管理、科學(xué)研究等基本知識(shí)，達(dá)到運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)初步進(jìn)行水利工程設(shè)計(jì)的能力。水工建筑物的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法的教學(xué)涉及水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范中各類經(jīng)驗(yàn)與理論公式的講解與應(yīng)用，課程以理論講授為主，課堂教學(xué)顯得較為沉悶，學(xué)生面對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范與計(jì)算公式，缺少主動(dòng)思考的興趣，教學(xué)效果不理想。

此外，隨著近年來新工科專業(yè)建設(shè)的發(fā)展，為了應(yīng)對(duì)社會(huì)發(fā)展對(duì)高校畢業(yè)生素質(zhì)的多元化需求，大批水利水電工程的專業(yè)核心課程理論課時(shí)被壓縮，轉(zhuǎn)而開設(shè)各個(gè)專業(yè)方向的選修課程，水工建筑物課程也不例外。教師在有限的時(shí)間里讓學(xué)生掌握傳統(tǒng)的水工建筑物設(shè)計(jì)理論與方法，同時(shí)了解最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)與設(shè)計(jì)理念是非常困難的。

綜上所述，目前傳統(tǒng)水工建筑物教學(xué)主要面臨如下問題：

1.從學(xué)生角度出發(fā)，學(xué)生在水工建筑物課程的學(xué)習(xí)中，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)認(rèn)知比較抽象，學(xué)生對(duì)專業(yè)課程學(xué)習(xí)興趣不足，在水工建筑物設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法等知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容缺乏思考，學(xué)習(xí)效果不理想。

2.從教師角度出發(fā)，面對(duì)新工科培養(yǎng)模式與社會(huì)環(huán)境的深刻變化，現(xiàn)有的教學(xué)手段與教學(xué)模式越來越無法滿足新模式下教學(xué)質(zhì)量的達(dá)成，水工建筑物課程面臨著教學(xué)內(nèi)容不斷豐富，教學(xué)課時(shí)不斷壓縮的困境。

3.從專業(yè)建設(shè)角度出發(fā)，新的水利水電工程專業(yè)建設(shè)要求加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才。由于學(xué)科專業(yè)的自身特點(diǎn)，且受到高等院校場(chǎng)地、設(shè)備等方面的限制，目前在水工建筑物課程教學(xué)中還存在一些困難。

面對(duì)水工建筑物課程教學(xué)中存在的問題，本文提出基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的水工建筑物課程混合式教學(xué)方法，以期在水工建筑物課程教學(xué)中推行虛擬仿真實(shí)踐與理論教學(xué)相互促進(jìn)的新的教學(xué)模式。

三、基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的水工建筑物課程混合式教學(xué)方法

面對(duì)專業(yè)建設(shè)的迫切需要與課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題，提出了基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的水工建筑物課程混合式教學(xué)方法，即在水工建筑物課程理論教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)于各類水工建筑物的基本概念、工程特點(diǎn)等內(nèi)容的教學(xué)，采用線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、線上觀看視頻與線下課堂討論、匯報(bào)相結(jié)合的方法，讓學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手實(shí)踐中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，并達(dá)到節(jié)省線下課堂教學(xué)課時(shí)的目的。由于水工建筑物的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法的教學(xué)內(nèi)容涉及設(shè)計(jì)規(guī)范與理論計(jì)算，授課內(nèi)容比較枯燥難懂，學(xué)生往往缺乏學(xué)習(xí)興趣。如果全部采取線下教學(xué)，則授課過程沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳；由于這部分課程內(nèi)容前置的基礎(chǔ)知識(shí)涉及理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、水力學(xué)等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)難度大，如果全部采取線上教學(xué)或者“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，學(xué)生掌握重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容有困難。因此這部分課程內(nèi)容采取開展線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、線下課堂討論與線下課程設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法開展。

上述將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入水工建筑物課程教學(xué)的教學(xué)方法改革，可以解決傳統(tǒng)課程教學(xué)中理論知識(shí)與基本概念抽象、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足、學(xué)習(xí)效果不理想的問題。此外，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的水工建筑物課程混合式教學(xué)方法還可以解決水利水電工程新工科專業(yè)建設(shè)中面臨的有限專業(yè)課時(shí)量與培養(yǎng)質(zhì)量之間的矛盾。目前，大部分工科專業(yè)都面臨有限專業(yè)課時(shí)量與培養(yǎng)質(zhì)量之間的矛盾，此研究可以推廣到所有工科專業(yè)的課程建設(shè)中，應(yīng)用前景廣泛。

四、基于虛擬仿真的混合式教學(xué)方法在教學(xué)中的實(shí)踐

本文以水工建筑物課程中渠系建筑物課程單元為例，說明基于虛擬仿真的混合式教學(xué)方法在水工建筑物課程教學(xué)中的實(shí)現(xiàn)。

（一）教學(xué)準(zhǔn)備

渠系建筑物課程單元是水工建筑物課程中重要的組成部分，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，課前準(zhǔn)備階段的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

1.教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

按照課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，任務(wù)分解和分配情況如表1所示。

2.線上資源建設(shè)

為確保線上資源對(duì)知識(shí)的講解，課題組制作了渠系建筑物課程的案例視頻、課程講解視頻、虛擬仿真操作指導(dǎo)書、配套習(xí)題等資源進(jìn)行線上教學(xué)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是課程基于虛擬仿真混合式教學(xué)的關(guān)鍵建設(shè)資源，以下對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。課程依托“寧夏引黃灌區(qū)渠系設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與學(xué)生后臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)?！皩幭囊S灌區(qū)渠系設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”是北方民族大學(xué)獲批的省級(jí)一流本科課程，在國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開放共享。學(xué)生通過與三維仿真模型的交互操作，自主完成引黃灌區(qū)及其灌區(qū)水工建筑物規(guī)劃設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型、水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)灌新理論和新技術(shù)等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分為灌區(qū)資料介紹與渠系建筑物工程布置兩個(gè)模塊，對(duì)應(yīng)兩個(gè)按鈕，點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)模塊場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初始界面如圖1所示。

灌區(qū)資料介紹模塊通過漫游方式展示引黃灌區(qū)的河流情況、水庫水源情況、水工建筑物設(shè)計(jì)情況等信息，使學(xué)生了解整個(gè)平原灌區(qū)灌溉渠系組成及其附屬建筑物結(jié)構(gòu)形式。學(xué)生通過對(duì)渠首、渠道、倒虹吸管、渡槽、涵管、跌水、橋梁、灌溉等建筑進(jìn)行三維模型的重塑與交互操作，自主完成渠道系統(tǒng)及構(gòu)筑物認(rèn)知、渠道線路設(shè)計(jì)、渠道斷面設(shè)計(jì)、渠系建筑物選型設(shè)計(jì)、灌溉與節(jié)灌技術(shù)認(rèn)知等內(nèi)容的學(xué)習(xí)。灌區(qū)資料介紹模塊界面如圖2所示。

渠系建筑物工程布置模塊通過設(shè)計(jì)灌排渠系類工具、渠系建筑工具及場(chǎng)景輔助工具實(shí)現(xiàn)灌排渠系和水工建筑物的虛擬設(shè)計(jì)與布置。進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生在灌區(qū)地形模型的基礎(chǔ)上，使用灌排渠系類工具在場(chǎng)景中繪制灌排渠系的路徑，關(guān)鍵路徑點(diǎn)生成高程標(biāo)簽，軟件自動(dòng)記錄路徑高程數(shù)據(jù)。渠系布置后可在場(chǎng)景渠系標(biāo)簽上添加渠道的名稱。灌排渠系類工具可以應(yīng)用于布置干渠、支渠、斗渠和農(nóng)渠。灌排渠系類工具設(shè)計(jì)界面如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行仿真模擬，并由系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行計(jì)算分析后判斷設(shè)計(jì)方案及相關(guān)成果數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)出具分析報(bào)告，提示學(xué)生應(yīng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)和知識(shí)內(nèi)容加強(qiáng)學(xué)習(xí)。

3.線上教學(xué)平臺(tái)

本課程使用“超星”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上的數(shù)字化教學(xué)資源開展線上課程的學(xué)習(xí)與考核。

（二）教學(xué)實(shí)施

課前，學(xué)生自主學(xué)習(xí)內(nèi)容包括觀看渠系水工建筑物講解視頻、案例視頻、學(xué)習(xí)虛擬仿真操作指導(dǎo)書、開展在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)中的配套習(xí)題。通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既增強(qiáng)了動(dòng)手實(shí)踐能力，又加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的認(rèn)知與理解，還能節(jié)約理論課時(shí)，達(dá)到一舉多得的目的。

課中，教師對(duì)學(xué)生遇到的問題給予解答，然后根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的后臺(tái)記錄，判斷學(xué)生的初次學(xué)習(xí)效果以及設(shè)計(jì)方案的合理性，以學(xué)生感興趣的知識(shí)點(diǎn)為話題，引導(dǎo)學(xué)生開展討論。結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范，講解渠系水工建筑物的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)經(jīng)過了課前學(xué)習(xí)，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)中自己存在的問題比較清楚，求知欲強(qiáng)，原本枯燥的課堂理論學(xué)習(xí)變得有趣。

課后，學(xué)生進(jìn)一步完善虛擬仿真試驗(yàn)，并且在線打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告，作為課程過程性考核標(biāo)準(zhǔn)。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與自我學(xué)習(xí)過程開展評(píng)價(jià)，為改進(jìn)下一次的教學(xué)提供參考。

（三）教學(xué)評(píng)價(jià)

借助“超星”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的“成績(jī)管理”與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的后臺(tái)管理與實(shí)驗(yàn)報(bào)告，量化評(píng)價(jià)學(xué)生線上學(xué)習(xí)效果。教學(xué)評(píng)價(jià)與反饋體系構(gòu)建如表2所示。

五、教學(xué)效果及意義

通過上述混合式教學(xué)方法的構(gòu)建，改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中過多講授而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高、認(rèn)知參與度不足、不同學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果差異過大等問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，如果不認(rèn)真對(duì)待，則不能完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的課前學(xué)習(xí)；同時(shí)，任課教師為了解決學(xué)生在課前學(xué)習(xí)中遇到的問題，需要認(rèn)真準(zhǔn)備來應(yīng)對(duì)學(xué)生提出的問題，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的，這讓學(xué)生成為課堂的主人。此外，由于各類水工建筑物的基本概念、工程特點(diǎn)、工作原理等原本線下課堂的教學(xué)內(nèi)容被轉(zhuǎn)移至線上教學(xué)，也相應(yīng)地減少了教學(xué)所需的線下課時(shí)量，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，混合式教學(xué)方法也解決了新工科專業(yè)改革帶來的有限課時(shí)量與培養(yǎng)質(zhì)量之間的矛盾。

六、結(jié)語

本文基于課題組自主開發(fā)的《寧夏引黃灌區(qū)渠系設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)》，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與水工建筑物課程教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，提出了基于虛擬仿真的水工建筑物課程混合式教學(xué)方法，并將其應(yīng)用于水工建筑物課程渠系建筑物章節(jié)的理論教學(xué)中，改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)過多講授而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高、認(rèn)知參與度不足的問題，讓學(xué)生成為課堂的主人，教師成為課堂的組織者與引導(dǎo)者，大幅提升了水工建筑物課程的教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，原本需要線下課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容被轉(zhuǎn)移到線上，解決了因?yàn)樾鹿た茖I(yè)改革帶來的有限專業(yè)課時(shí)量與培養(yǎng)質(zhì)量之間的矛盾。

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作者單位：北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院

責(zé)任編輯：周航