基于虚拟仿真教学平台的水利工程类实践教学应用研究

金斌斌　马继侠　张舒羽

【摘要】以能力本位为施教理念，秉承“能实不虚、虚实结合、优势互补”的设计原则，引入虚拟仿真技术，构建水利工程虚实互补实践教学体系，解决水利工程类实践教学受时空限制等问题。通过创设立体化情境式教学，提高学生实践教学的真实感，提升学生的学习兴趣和学习自主性;配合教学管理平台开展混合教学、基于实践操作轨迹开展精准教学评估，提升实践教学质量。

【关键词】教学改革;虚拟仿真;实践教学

引言

水利工程类专业实践教学存在一定的难度。究其原因，主要有三个方面：①水利工程的空间体量巨大，无法将实际工程搬入学校随时操练;②大部分水利工程位于偏远地区，赴现场教学耗时长;③实践教学内容、处理方法手段等随水文、气象等条件变化而调整，难以重现。导致实践教学受时空限制，部分教学内容想看看不了、想做做不了、做了做不全，无法将知识点系统化，容易产生“管中窥豹”的弊病。伴随着信息化技术的飞速发展，运用现代信息技术改进教学方式方法，推进虚拟工厂等网络学习空间建设和普遍应用，为高职水利工程类课程实践教学手段改革提供了新思路。

1思路与设计原则

传统实体教学兼具视觉、听觉、嗅觉感官体验和触感、力度等操作体验，应优先考虑。虚拟仿真教学是对传统教学方法和手段的革新。虚拟现实技术通过模拟感官体验的外部设备，建立一个逼真的三维虚拟世界，提供参与者真实的沉浸感体验。虚拟仿真教学应将重点放在实体实践难以实现的技术技能教学中，发挥虚拟仿真对教学的补充、替代功能，秉承“能实不虚、虚实结合、优势互补”的设计总原则，并考虑直观性、交互性、轻量化、方便性的原则，充分满足线上线下、课内课外混合教学需求。

2平台建设与教学实施

（1）建设基于典型水利工程的虚拟仿真实践教学资源

水利工程教学应紧跟行业发展趋势，符合实践教学规律和技术技能型人才成长规律。选取典型水利工程，收集工程设计图纸、工程与周边环境图像，构建三维仿真模型，虚拟工程现场。与水利行业、企业人员深入沟通交流，具像化典型岗位职责、工作内容和技术要点，聚焦实体教学中看不到、做不了、难再现、操作难度高、操作危险性大的工作内容，校企合作，共同编写操作脚本、开发人机交互虚拟仿真教学资源。既与实际水利工程问题高度对接，又满足高职教学需求和教学规律。

（2）构建“模块化、层次化”虚实互补实践教学体系

高职教育培养的是面向生产、管理、服务第一线具备综合职业能力和全面素质的高级技术技能型实用人才，须以能力本位作为施教理念，培养并强化实际工作的职业核心。因此在教学体系设计时，要以学生工程执业能力培养为核心，根据模块化教学和专业能力递进培养需求，以实体教学实训为主导，以虚拟仿真教学为补充，构建“模块化、层次化”水利工程技术实践教学体系。

根据课程设置梳理教学内容，设计工程认知、安全教育、质量检测、施工技术等课程教学模块，分块教学。根据专业能力递进培养设计分层项目，由简到难分为基础层向技能层递进、技能层向综合能力层递进，综合能力层内部阶梯递进等多个层级。基础层以专业认知能力培养为目标，帮助学生形象掌握专业基础知识、强化作业安全意识;技能层以强化测量、制图、质量检测等单项专业技能为目标，通过层内模块化教学教学实践，培养学生专业基本技能;综合能力层级以技能工种鉴定考证和岗位升迁形式，施工管理模块设技术员（施工员/安全员/质检员/造价员/材料员）、部门技术负责和项目经理三个层级，运行管理模块设初级工、中级工、高级工、技师和高级技术五个层级。以层级递进的形式，逐步加深学生对专业知识的理解和对专业技术技能的掌握，以满足实际生产岗位对专业人才的技术技能要求。

（3）开展“互联网+虚拟仿真”混合教学实施

依托可承载数字化资源和虚拟仿真软件的教学云平台，与虚拟仿真实训平台联合，打造“互联网+虚拟仿真”教学管理平台，创新以教师为组织者，以学生为主体的线上线下混合教学模式。教师提前完成资源导入，创设工作情境，设置单元教学目标，发布工作任务;课前布置学生学习专业知识、了解基本技能操作;课中引导学生自主分工、合作开展实践操作，启发式组织学生分析讨论，梳理工作过程，掌握工作要点;课后在线答疑、点评作业、组织考核。学生积极主动参与课程教学全过程，课前通过学习地图指引，完成线上自学和虚拟仿真单项训练;课中开展生生互动、师生互动，团队协作完成学习任务，掌握专业知识、熟练实操技能;课后完成作业和考核，结合学习进度逐步完成层级递进。

依托教学管理平台，有效实现对场景、功能、资源、师生的聚合和对知识学习过程数据、技能实训操作痕迹、教学实施过程轨迹的采集，实现“理论教学、虚拟仿真、实物实训、巩固考核、统计评价”等教学环节全过程协同管理、闭环控制。通过多维度、多层次的数据统计报表和分析，还能精准评估学生个体、班级整体学习效果，助力教学反思与改进。

3虚拟仿真实践教学改革效果

（1）解决了水利工程类实践教学载体难入课堂现象

虚拟仿真技术实现了水利工程全景三维呈像，结合图纸可以看到隐蔽工程、水下工程，也能任意旋转、剖开工程结构，晦涩难懂的工程图纸有了实体对比，提高了学生对工程图纸的识读能力。部分水利工程险情和设备故障，在现实工程中不允许出现、出现即处理，无法留待学生实践操作;运行管理工作随天气、水位变化处理方法不同，施工管理要做到雨季防潮、夏季降温、冬季防冻等，一门课程的教学时间有限，无法同步开展教学实施。虚拟仿真实训平台通过模型呈现、时间进度控制、人机交互操作等，将上述问题轻而易举的加以解决，充分体现出它的优势和价值。

（2）解决了实训资源不足和实训成本消耗问题

随着科学技术的发展，实验实训设备更新迭代速度快，受资金和场地影响，部分高校新增仪器、设备的台套数量不足，导致实践教学分组人数过多、实验周期超长，严重影响了实践教学效果。考虑实训耗材和实训室管理成本节约，实体实训开展次数有限，部分学生难以没有完全掌握技能、更不用提熟练掌握。虚拟仿真技术是解决上述问题最理想的措施，学生可以独自操练，也可分组多人实训，可以反复操练而不增加耗材费用，为学生提高技能水平提供了良好的实训条件。

（3）实现了随时随地开展技能训练的要求

教学管理平台有导学、有演示，可师生互动、在线答疑，能即学即练、即学即考，学生可随时随地登陆虚拟仿真实训平台学习、训练。有助于激发学生学习兴趣、激励学生学习自主性，学生可以自行规划学习时间和进度，提高碎片时间利用率。借助教学管理平台考核体系，为师生提供教与学的有效评估，形成了教与学的有机统一。

4结语

虚拟仿真教学平台基于信息技术、智能技术，创建与真实工作场景近似的虚拟环境，通过立体化情境式教学，使学生产生介入真实工作的感觉，可以更直观地体验工作过程、更深刻地领悟职业素养需求，是提升课程教学质量和水平的重要举措。当然，現有的虚拟仿真实训平台还存在情景模拟不够逼真、多人协同作业实现难度大、虚拟场景和实体操作结合不够紧密、实操痕迹数据读取不够连贯等问题，随着今后虚拟仿真技术水平的不断提升和实训平台开发的不断深入，这些问题将一一得到解决，虚拟仿真技术对提高教学和学习效率，最大限度减少人、财、物和时间的消耗的突出优势将进一步凸显。

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作者简介：金斌斌（1976年6月—），女，汉族，浙江嘉兴人，浙江同济科技职业学院水利工程学院，博士在读，副教授，主要从事水利工程技术和水利信息化教学与科学研究。