学科交叉融合在水电站虚拟仿真实验资源建设中的研究

摘 要：本文以水利水电工程专业核心课程水电站为例，基于多学科交叉融合，将思政、美学、机电控制、环境、管理等融入到虚拟仿真实验资源中，提出一种新工科背景下有效的实验课程教学模式，不仅解决传统实验教学的局限性，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，同时学生可以将知识体系打通，将理论知识与实验操作融合，真正做到融会贯通，拓宽知识面，学会从多视角观察、分析、解决问题，提升全局观，充分调动了学习主动性，提高了动手能力，实现了从知识、素质和能力3方面提升人才培养的质量。

关键词：虚拟仿真；多学科；实验资源

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.083

0 引言

水电站为水利水电工程专业核心课程，作为传统水利的主干课，其目标仍以学生解决工程问题为主，在新工科背景下，已有更适应新形势，立足于我国智慧水利建设战略的智慧水利专业出现。智慧水利专业以水利工程学科为基础，融合云计算、物联网、大数据、人工智能、电子信息、工程管理等专业发展而成，是多学科交叉融合的新型专业，旨在培养高素质综合型人才。这对传统水利专业和水利毕业生形成很大的冲击，水利专业毕业生以从事工程技术工作为主，因此课程实验实践环节至关重要，如何提升学生的工程实践能力，且能够适应新时代的发展，在就业时具有竞争力，这就迫切要求传统水利专业的课程进行改革，水電站作为核心课程，专业性、实践性强，知识点虽多但具有系统性，且实验部分依托于理论知识点，既包括操作演示类实验项目，又有设计类实验项目和研究型实验项目，内容丰富，与多学科存在交叉融合点，需要在实验设计时进行挖掘与融入。

1 课程实验教学面临的问题

水电站课程实验教学可按型式分为三类：认知演示类（水轮机的构造、不同类型水电站、场景认知、发电演示、厂房组成及布置）、设计计算类（水轮机选型设计、压力管道壁厚设计、水锤压力计算、调压室断面设计）、研究探索类（调压室水位波动特性、水锤波动特性）。在这3类教学中，存在如下问题：

1.1 认知演示类

认知演示类实验在试验大厅或实验室内完成。实验仪器有限，即使是模型展示操作，也无法保证人人参与。学生不能多视角动态观看电站、大坝、厂房等的内部结构，无法观看参与电站建设过程、运行、安装和检修等，将来毕业作为工程设计人员，对建设程序及内部构造没有概念，将影响职业发展。此外，在水轮机构造实验与机械、电气脱节。水轮发电机组部件组装、目前仅有凸显水轮机部分的装卸，但机电部分如何支持并联系，并未体现。

1.2 设计计算类

水轮机选型设计、压力管道壁厚设计、水锤压力计算、调压室断面设计，都是统一的工程案例，相同的背景资料，无法一人一题，实现人人真正参与设计。

1.3 研究探索类

个别实验参与运行和操作存在风险性，且在实验参数设定时均采取定值或实验中按照固定模式进行，最后所有同学实验结果一致，并不能体现学生学习层次、深度、自主性和创新性。

此外，实验仅局限于知识的理解应用和专业能力的培养，缺乏职业素质的训练和提升。

2 仿真实验设计

2.1 虚拟仿真实验项目

水电站是水、机、电的综合体，但并不局限于此。在开展水电站课程实验时，真实实验有局限性、实验成本高、部分实验不可实现，难以真实开展，达不到既定教学效果。而利用虚拟仿真资源可以打破时间、空间限制，可以展现无法实现的教学过程，如电站及各组成内部考察与展示。虚实结合完成实验项目内容，保证演示类实验，满足人人参与，而非局限于观摩；设计类实验，一人一数，提高学生参与实验的热情和效果；探索类实验开放性设置参数，多元表达实验成果，提升学生的创新思维，激励开展探索研究。最终在降低实验成本的同时，切实达到教学效果。

2.1.1 实验项目的选定与分解

将水电站中的实验项目拆解，对实验中涉及到的水利及其他学科的知识点列出。如对水电站厂房内部构造进行仿真模拟时，学生可在观察学习厂房的整体布局和系统中了解水电站厂房中上部结构与下部结构组成及作用，包括屋顶、吊车梁、发电机层和安装间楼板、发电机机墩、蜗壳和水轮机座环（固定导叶）、尾水管等，对厂房内的水流系统（压力管道、水轮机等）、电流系统（主变压器和高压配电装置等）、电气控制设备系统（中央控制室）、机械控制设备系统（调速器、阀门、闸门等）、辅助设备系统（起重设备等）有一个全面、整体的认识，使学生能够基于水利、机电、生态环境、管理等多学科领域相关背景知识进行合理分析并融合，评价水电站布置设计方案，能够评估其对社会、环境、安全、文化等的影响。

2.1.2 实验教学平台建设

在仿真平台上，虚拟仿真实验教学一共设置预习、演示、学习、考核和报告5个系统。各系统的功能如下：

（1）预习系统：该系统类似于实验教材，有实验目的、原理、操作步骤、注意事项等。实验前先预习，学生考核合格后方可进行实验；预习中除了知识点外，学生还需牢记掌握厂房布置分期施工、构件吊装步骤、机电设备安装及建设过程中的安全注意事项、职业规范以及责任终身制。

（2）演示系统：提供规范操作的录像（录像中的数据及布置方案模拟实体项目案例，仅供参考，并非学生最终设定的方案），便于学生快速地从整体上了解实验内容。

（3）学习系统：文字、声音和高亮等提示帮助下，人机交互，一步一步指导学生学习完成整个实验，要求学生计算或选择参数：在进行厂房设计时，当学生已经对厂房各尺寸设计计算完毕后，每人将自己所设计的数据输入系统，观察从基础开挖高程到厂房顶高程各阶段的施工建设情况，观察是否有设计漏洞，验证设计尺寸的合理性与可行性；当进行机组选型时，学生可将水轮机、调速器、发电机等的型号输入，界面中将提示是否能匹配等。

（4）考核系统：操作考试中无知识点提示，考核结束后系统自动给出分数，该分数占最终成绩的权重。

（5）报告系统：考核完成后，需撰写实验报告，包括实验目的、原理、实验数据处理和结果、实验中遇到的难题及解决方案、实验结论以及对该实验设计的评价和建议，提交给老师评阅。

2.1.3 与实体设备整合

学院试验大厅现有部分实验设备及模型，在教学中可“实、虚”结合的教学方式：在理论基础上，对实体设备进行观察，分析其布置、构造及水流运动状态，在对实验有个整体认知后利用仿真系统完成机组选型、水力计算初拟尺寸、开挖高程确定、场区布置等内容，校验各设计结果及方案是否合理，通过“虚”仿真系统完成整个实验过程。把实体模型设备和虚拟仿真有机地融为一体，通过虚拟的方式创造传统实验室中无法提供的真实生产建设环境，使学生更加立体地感知实验，既可较好解决实体实验由于条件限制而导致学生“理解难，复习难、考核难，示教效果差”等问题，还可以激发提高学生的学习兴趣，根据个人的布置及设计，在系统中建设属于自己的厂房，进而带动实验实践教学模式的创新。

2.2 学科交叉融入设计

多学科融入，旨在使学生在校即可体验水利工程设计师的工作内容，体会到水电站建设的艰辛与工程师的认真严谨态度，在多学科交叉融入中学会从不同视角看待问题，产生全局意识，符合新工科对人才培养的要求。同时也需要具有一定的人文社会科学素养和社会责任感，能够在水利领域学习实践中理解责任终身制，并遵守工程职业道德规范、履行责任，唤醒工程实践中的伦理责任意识，促进自身与自然、社会的协同发展。

在虚拟仿真实验资源建设中，涉及到的学科交叉部分如下。

2.2.1 思想政治教育类

实验资源中体现通识教育，责任意识、工程安全及行业荣誉。在认知演示类实验中，可引入新时代水利精神、国家重大水利工程公益传播、人水和谐理念、水电站失事、防灾减灾日、水文化传播、国之重器、南水北调重要工程案例、水利名人等。如在不同类型水电站认知中，可引入坝后式电站—大国重器三峡，河床式电站—万里长江第一坝葛洲坝等，依托此类电站的工程特点、建设背景及重大意义，能够很好地反映出我国水力发电事业的增长规模和技术水平，深化学生的专业认知，增强学生的民族自豪感和从事水利水电事业的责任担当。在水轮机的选型设计中选取大藤峡水利枢纽工程，可融入新冠肺炎疫情期间大藤峡水利人的战疫不停工以及其技术先行、匠心独运铸“国之重器”的风范，这样学生不仅习得了知识，培养了能力，同时增强了责任感和使命感，凸显课程思政，秉承立德树人。

2.2.2 美学类

将美学巧妙的应用于水电站建筑物设计中，不仅可创造效益，还可推动文化建设的发展，使工程与美学的价值都得以展现。在实验设计中，应开拓创新，对布置、外观、结构、色彩中有鲜明个性和特色的水电站建筑物予以展示。例如都江堰，我国著名的水利工程，集历史人文和自然风光于一体，形成了雄伟壮丽的文化景观，体现了与自然环境、科学原则和美学原则的和谐互融。在虚拟实验中，水电站转轮叶片的扭曲翼型型式、尾水管肘管的流畅曲面、固定导叶和活动导叶的错落有致，调压室的断面优化，整体布置的协调，无疑不在外观上实现既变化又统一的协调美，给人以井然有序、自由灵动的感觉。

利用水电站大力推进旅游业，吸引游客，除却水电站本身设计体现的美感外，更要注重传达与自然风景和谐之美及水文化。在水利工程中融入美学，也为向学生传达一种思想，即传承创新：创造经得起历史考验，承载起民族文化、审美和情感的新时代水利工程。

2.2.3 机电类

目前在机组选型设计、水轮机调节等实验中，仅侧重于“水”的部分，学生对机、电的部分一知半解，模糊抽象。水轮机的调速设备、阀门、闸门、减压阀和拦污栅等的控制设备均为机械控制类，发电机、变压器及开关站等为电力系统，均为水力发电中必不可少的设备和环节。因此在水轮机调节中，应有导叶控制系统的操作，水力发电过程中应有机械控制系统、电流及电气控制系统的操作和运行展示，机组选型中应加入发电机部分的设计。

2.2.4 环境类

水电站涉及广泛，具有发电、防洪、灌溉、供水、旅游等综合效益，但其对生态环境的影响和破坏也是不容忽视的，因此需要考虑生态系统的可持续发展要求。水电站的修建，对社会、生物多样性、自然环境都有不小的冲击，在实验设计时需借用知名电站引起的环境问题给予学生警示教育，唤起学生的环保意识，不能一味追求效益与荣誉，在实验中，应实现各建筑物布置与周边环境和谐，能够实验完成后实现回水循环，节水本身就是对生态环境的保护，为学生树立节约环保和实现水资源可持續发展的理念。

2.2.5 管理类

在水电站实验中，不管是水轮机调节、有压引水系统的调节还是优化调度，均需要多方兼顾，如何在多目标、多限制的水电站运行动态复杂系统中，构建最佳管理调度模式以获得最大效益，这一直是个难题。例如在电站突然丢弃负荷时，如何合理平衡解决导叶关闭时间、水锤压力和转速上升率之间的矛盾，使动态调节都在合理范围内，这便是引导学生学会协调管理，懂得制衡和取舍，学会从大局考虑分析问题。

虚拟仿真中情景设定可为学生创建一个经济便捷、安全可靠的实验环境，让学生亲身尝试，在实验中开放性设置参数，进行探究式学习和实验，进而高效深入地学习，同时，将学科交叉点无缝融入到虚拟仿真实验资源中，达到润物细无声的效果。有助于提升人才培养质量与学科建设水平。

3 总结

本文以核心课程水电站为例，基于多学科交叉融合，引入虚拟仿真技术，探索一种合理的有效的教学模式。基于学科交叉融合的水利类虚拟仿真实验建设，对于课程、专业、人才等方面意义深远。

（1）打破传统实验的局限与弊端。学生能够在开放、交互的实验环境中开展安全高效的实验，进而真正达到实验目标和预期教学效果。尤其对于水电站课程，实验对象为高压水流，用到的是大型设备，实验耗时耗力，且需要时刻关注学生的动态及安全问题，虚拟仿真实验教学具有明显的优势。

（2）对提高学生的实验综合技能和创新能力具有巨大的促进作用。

（3）拓宽学生的知识面，提升其多学科视角分析并解决综合性科技问题和工程的能力。学生不仅仅从水利视角分析问题，还需兼顾机电、环境、管理等多方面。

（4）从核心课程入手作为试点，为日后其他课程的建设和拓展提供参考。

（5）从知识、素质和能力三方面提升人才培养的质量，结合实验中思政元素的柔性融入，有助于培养学生成为有家国情怀和责任担当的水利人。

参考文献

[1]刘喜峰.基于“互联网+”理念的水电站课程教学改革[J].科技风，2019（2）：8081.

[2]周建旭.水电站调压室水力设计虚拟仿真实验省级一流课程（ilab-x.com）[EB/OL].国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，2021年.

[3]李进平.水电站水锤与调压室水位波动虚拟仿真实验省级一流课程（ilab-x.com）[EB/OL].国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，2021年.

[4]刘喜峰.“互联网+”背景下水电站实验实践教学改革[J].科技风，2019（29）：74.

[5]南海鹏.水电站全场景认知及同期并网虚拟仿真实验（ilab-x.com）[EB/OL].国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，2018年.

[6]石祥钟.水电站运行虚拟仿真实验教学项目（ilab-x.com）[EB/OL].国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，2018年.