水资源与水环境虚拟仿真实验教学平台的建设

魏 娜，解建仓，罗军刚，宋孝玉，王义民，黄 强

水资源与水环境虚拟仿真实验教学平台的建设

魏 娜1,2，解建仓1,2，罗军刚1,2，宋孝玉1,2，王义民1,2，黄 强1,2

（1. 西安理工大学 水利水电国家级实验教学示范中心，陕西 西安 710048；2. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048）

在国家级水利水电实验教学中心建设的基础上，遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，建设了具有独立知识产权和现代水利特色的水资源与水环境虚拟仿真实验教学平台。该平台由水文、水资源和水环境3大模块构成，下设水文预报与水利计算、水库与水电站调度、水环境模拟与保护、水资源调配和水灾害事件应急应对等5个虚拟仿真实验教学平台，为高校水利类专业人才的培养提供新的实践教学模式。

水资源工程；水环境工程；虚拟仿真实验；实验室建设

信息技术与高等教育深度融合，有力地推进了虚拟仿真实验教学平台的建设[1-6]，2018年4月教育部颁布的《教育信息化2.0行动计划》特别强调“加强职业院校、高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，服务信息化教学需要”。虚拟仿真实验教学已经成为高校加强实践教学、提高教学质量的重要手段，如车辆工程、能源动力、土木工程和材料等专业教学中都普遍采用虚拟仿真技术[7-12]。西安理工大学水资源与水环境虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”）依托“水利工程”和“水文学与水资源”两个国家重点学科、省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室、西北水资源与环境生态教育部重点实验室、水利水电国家级实验教学示范中心等教学科研平台，建立了以水资源高效利用与保护为核心，既能反映当前水资源与水环境技术领域内重要进展及重要方向，又具有独立知识产权和现代水利特色的虚拟仿真实验教学平台。虚拟仿真实验在一定程度上代替了传统的实验教学，而且弥补了传统实验教学中真实实验环境复杂、实验成本高、部分实验不可及等不足，是改革传统教学方式、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[13]。

1 水资源与水环境虚拟仿真实验教学中心的发展历程

2017年，西安理工大学水资源与水环境虚拟仿真实验教学中心正式获批陕西省虚拟仿真实验教学中心。中心结合“育人为本、知行统一”的西安理工大学办学理念，先后建设了以水资源高效利用与保护为核心内容，反映当前水资源与水环境技术领域重要科研进展和方向，同时又具有独立知识产权和现代水利特色的虚拟仿真实验教学平台。早在1998年，学校成立了“陕西省水资源与环境重点实验室”；2004—2010年期间，先后成立了西北水资源与环境生态教育部重点实验室、陕西省水力机械及其控制工程技术研究中心、西北旱区生态水利工程重点实验室培育基地。为了突破传统实验教学模式，2011年成立了陕西省水利水电实验教学中心，引入虚拟仿真实验教学，提升了学生综合设计和创新能力，满足了水文与水资源工程等相关专业课程的实践教学需求。2014—2015年期间，又先后成立了陕西省水资源与环境实验教学中心、国家级水利水电实验教学中心，为水资源与水环境虚拟仿真实验教学中心的搭建奠定了良好的基础。

2 中心的组织架构

中心由水文、水资源和水环境3大模块构成，下设5个以水资源高效利用与保护为核心，具有自主知识产权和现代水利特色的虚拟仿真实验教学平台：

（1）水文预报与水利计算虚拟仿真实验教学平台；

（2）水库与水电站调度虚拟仿真实验教学平台；

（3）水环境模拟与保护虚拟仿真实验教学平台；

（4）水资源调配虚拟仿真实验教学平台；

（5）水灾害事件应急应对虚拟仿真实验教学平台。

5个实验教学平台的实验内容涵盖水文水利计算、径流预测、洪水预报、水库调节计算、河流水质模拟、水量水质传递影响、水资源调配、应急决策管理等领域。中心目前共开设了124个虚拟仿真实验教学项目，服务11门课程。

3 中心的教学资源

（1）水文预报与水利计算虚拟仿真实验教学平台。该平台承担了包括水文预报、水文水利计算、水文学原理等在内的6门课程的实验教学任务，由径流预测虚拟仿真、洪水预报虚拟仿真和水文水利计算虚拟仿真等3个实验教学系统组成，包含新安江模型洪水预报仿真实验、水文频率分析计算仿真实验、暴雨资料推求设计洪水仿真实验等32个仿真实验项目。

（2）水库与水电站调度虚拟仿真实验教学平台。该平台承担了包括水电能源利用与管理、水资源开发与利用、水电站水库群优化调度等在内的5门课程的实验教学任务，由水库调节计算虚拟仿真、水电站水能计算虚拟仿真、水库调度虚拟仿真和水电站经济运行虚拟仿真等4个实验教学系统组成，包含水库兴利调节计算时历法仿真实验、水电站等流量调节计算仿真实验、水电站等出力调节计算仿真实验等23个仿真实验项目。

（3）水环境模拟与保护虚拟仿真实验教学平台。该平台承担了包括水环境保护、水环境模拟、环境影响评价等在内的4门课程的实验教学任务，由河流水质模拟仿真、河流水质水量传递影响仿真和水环境容量虚拟仿真等3个实验教学系统组成，包含河流水质一维数值模拟仿真实验、水功能区水质水量传递影响仿真实验、河流污染物负荷分配仿真实验等17个仿真实验项目。

（4）水资源调配虚拟仿真实验教学平台。该平台承担了包括水资源利用、水资源流域规划管理、水环境保护等在内的6门课程的实验教学任务，由水资源供需分析虚拟仿真、水资源调配虚拟仿真、水资源红线考核虚拟仿真和灌区用水管理4个实验教学系统组成，包含生活需水量预测仿真实验、工业需水量预测仿真实验、水资源多尺度调配仿真实验等32个仿真实验项目。

（5）水灾害事件应急应对虚拟仿真实验教学平台。该平台承担了包括地理信息系统、3S技术及应用等在内的4门课程的实验教学任务，由应急决策管理和应急指挥三维可视化仿真两个实验教学系统组成，包含防汛抗旱应急应对教学实验、突发性水污染应急应对教学实验、库区淹没三维可视化仿真实验等20个仿真实验项目。

4 中心的特色

（1）构建了“四层次，四类型、四结合”的一体化虚拟仿真实验教学体系。以培养创新实践型人才为目标，以课程教学内容为主体，以基础认知、基本技能、综合能力、创新实践4个层次为架构，以基础型、综合型、实训（设计）型和创新科研型4种虚拟仿真教学实验为支撑，实现了实验教学点与面、静与动、远与近、真实与虚拟的结合，形成了水资源与水环境虚拟仿真实验教学体系。

（2）实现了规划、开发、利用、保护全方位的虚拟仿真实验教学。围绕水资源与水环境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，构建了水资源规划、开发、利用、保护全过程的虚拟仿真实验，实现了水资源开发利用全方位虚拟仿真实验教学。

（3）整合优质教学与科研资源，开发了具有自主知识产权的实验教学平台。充分利用本校国家重点学科和重点实验室的优质资源，强调多学科交叉融合，突出交叉特色、现代化特色和面向特殊问题特色，通过校企协同、科研助推，使水资源与水环境虚拟仿真实验教学项目涵盖领域多、辐射面广，不断更新和完善了实验教学体系。

（4）充分利用虚拟仿真实验教学，全面提升学生的创新实践能力。开展系统、深入的本科虚拟仿真实验教学，弥补了实践教学的不足，解决了真实实验教学成本高、用时长的问题，填补了真实实验无法实现的实验教学项目，为本科高校实验教学创新、学生创新实践能力和创新意识的培养奠定了基础。

5 中心的运行管理

（1）组织保障。中心成立了中心办公室，由分管校长直接领导，教务处下达教学任务，中心负责实施与管理。中心下设主任1名，负责统筹调配各项建设规划、教学资源；副主任2名，负责协调各项科研转化工作；办公室主任1名，负责实验室日常管理工作；分中心主任5名，分别负责5个实验平台的建设与管理。各部门之间实施高度集中管理，既各负其责，又互相协作，建立了现代化管理与运行模式。

（2）制度保障。中心具有一系列完备的管理制度，包括实验室管理制度、仪器设备管理制度、教学管理制度等，保障校内外实习/实训/实践基地、仪器设备、实验课程、实验教材等资源的合理、高效利用，确保了实验教学中心的良好运行。

（3）中心运行。中心以骨干传输系统为网络通信平台，无线接入覆盖整个校园，设立了资源丰富的中心门户网站。各实验平台网站实行全开放或半开放运行模式，实现了实验空间、实验时间和实验内容的开放共享，为本科相关专业的实验教学需求提供服务。

（4）人员考核与管理。中心现有专、兼职教师48人（正高级职称21人、副高职称14人、中级职称11人、中级职称以下2人）。中心依据《西安理工大学教师聘任和职务晋升规定》 《西安理工大学实验室工作人员考核办法》等考评条例，对中心教师进行教学质量评估和工作量考评。通过培训和进修，提高中心教师的综合素质和业务水平。

6 结语

在国家级水利水电实验教学示范中心的基础上建立的水资源与水环境虚拟仿真实验教学中心，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，以虚拟仿真实验替代了难以开设的真实实验，完善了现有的实验教学体系，实现了教学资源的全方位共享。该平台整合了优质的教学与科研资源，实现了科研成果向实验教学的有效转化；基于优势互补、成本分担、利益共享的校企合作机制，推进了校企合作；通过科学研究服务企业技术需求、反哺实验教学，形成可持续的发展态势。通过该平台，使人才培养、学科建设、科学研究、实验室与基地建设互相促进、互相支撑、相互融合，为学生实践创新能力培养、教学质量提高提供了有力支撑。

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[13] 魏娜，解建仓，罗军刚，等.水利水电工程专业虚拟仿真实验教学平台建设探析[J].实验室研究与探索，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

陕西省教育厅重点教改项目（17bz022）资助；国家自然科学基金项目（51709222）资助；西安理工大学教学研究项目（xjy1772）资助；水利水电国家级实验教学示范中心开放课题（WRHE1803）资助

魏娜（1987—），女，陕西延安，博士，讲师，主要从事水资源管理与水利信息化方面的教学与科研工作。

E-mail:：844787598@qq.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.025