虚拟仿真在土石坝实践教学中应用探讨

黄云超，李志萍，张淙皎，许新勇，朱莎莎

（1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046；2.华北水利水电大学 教务处，河南 郑州 450046）

0 引言

2019 年国务院印发《加快推进教育现代化实施方案（2018-2022年）》，强调大力推进教育信息化，促进信息技术与教育教学深度融合。工程教育领域提出了以信息化为核心的“新工科”理念，水利工程人才应重点培养提高实践能力和创新意识，而实践教学是实现目标的基础。而虚拟现实技术的发展为实践教学提供了性价比更高的途径，其是学科专业与信息技术深度融合的产物，也是高等教育信息化建设的重要内容。虚拟现实技术通过生成虚拟环境，可使学生运用虚拟设备完成相应实验内容。

虚拟仿真实验教学的教育模式、教学方法在不断完善，其具有沉浸性、交互性、构想性、智能性特点，涉及高危或高消耗实验项目时，具有明显优势，其已在数字城市、室内设计、旅游教学、工业仿真、文物古迹仿真、道路桥梁设计、地址灾害等领域得到广泛的应用。水利工程虚拟仿真技术是水利行业信息化发展的一个重大突破，然而由于扩招、实验场地、设备和经费等因素，实践训练往往不足。水利工程复杂而庞大，技术要求高，工程数据可视化成为其研究热点。目前，虚拟仿真技术已在水利工程教学领域中的运行管理、高填方渠道及农业水利工程方面得到了广泛应用，在环境工程和给水排水等本科专业也有相应进展。

近年来，虚拟仿真教学改革已取得了诸多成果，但在土石坝设计方面应用较少。“水工建筑物”课程能够总结比较成熟且广泛应用的水利工程基本知识，是水利工程专业的基础课程。虚拟仿真实验能够强化学生对知识的理解，提高对水工建筑物特别是土石坝工程安全问题的分析能力。该文以提高学生综合能力和素质为目标，针对现有实践教学的不足，探讨引入虚拟仿真技术，开展了深入的课堂教学改革研究活动，经过探索，提出了相应的解决办法和具体措施，提出的课堂教学改革方法可为工科的专业课堂教学改革提供参考与借鉴。

1 虚拟仿真应用的必要性及可行性

教学改革需有明确目标，教育信息化，是指在教育领域全面深入地运用现代信息技术来促进教育改革与发展的过程，引入虚拟现实技术到教学中，有助于培养创新精神和实践能力，方便共享教学资源。

1.1 必要性

在传统的课堂教学中，教师居主体地位，学生只是参与者，既不利于知识的传授，亦难以保证教学质量。因此，教学改革就是为了消除传统教学所带来的弊端，让学生主动参与到发现、探索及分析问题中。目前，高校工程实验教学中常遇到的一些难题，如：资源消耗大、设备体积大、成本高，一些高危、大型、复杂的现场实体实验难以在实验室进行；周期长，学生现场实验实训时间有限；学生参与实验的自主性、积极性不强，故需转变现有的教学方式。可基于现有理论教学和实体实验，利用专业仿真软件，结合多媒体技术及网络通讯平台，解决现代水利工程专业实践教学面临的难题。水利水电工程实验教学中运用虚拟仿真技术，可以实现现实和虚拟的结合，突破场地、实验设备、成本等的限制，有效降低实验成本及规避试验风险，并能进行大型实验的教学研究；学生可多次改变实验边界条件进行操作，具备容错功能；可以反复进行操作，扩展试验范围，提升实践教学的质量。

1.2 可行性

近年来，虚拟仿真技术迅速发展为水利工程专业开展虚拟仿真实验教学提供了必要的技术条件支撑。目前，虚拟仿真实验教学能有效提供经济、安全和可靠的实验项目，通过结合实验课程与理论课程，丰富教学内容和手段。采取多元化考核方式，激发教师教学活力，丰富实验资源，提高学生学习动力。而虚拟仿真实践教学的推广应用，又不可避免的带来新的挑战，诸如：教师教学能力提出了更高的要求、学生课外学习监管难度大及课程适用性和信息技术依赖问题，这些也是必须综合考虑的问题。

2 虚拟仿真实验教学建设思路

2.1 教学理念更新

在教学改革工作中，一定要明确改革原因及目标。目前，工程教育仍以教师为核心，对学习效果重视不足。依照新的培养目标，着重培养学生的实践能力。将虚拟现实技术引入到教学中，打破空间、时间的限制，更直观的将讲授内容提供给学生观察；并将科研探索和虚拟仿真技术融入实际工程中。在教学中，通过收集目前国内外已建的水利工程的资料，构建工程案例库，不断完善仿真平台。

2.2 构建步骤分析

构建虚拟仿真教学体系时，应注重师资队伍建设；校内资源共享；加强与兄弟院校间的交流，跨校分享教学资源；深化校企合作，引入合作企业的设计、施工、管理等专业人员，进行信息化技能培训。可通过学生反馈的仿真实操心得，适当的调整教学方向及内容，调动学生积极性。仿真系统应具备实验布置、预习、数据分析与处理、提交实验报告等功能。

在土石坝除险加固设计中，主要涉及到溢洪道、坝顶高程、渗漏及坝坡稳定性等四个方面。而其仿真可分为静态仿真和动态仿真两个方面，静态仿真为刻画物体本身的属性，动态仿真为对象在不同水流作用下发生的变化。

（1）溢洪道

溢洪道为大坝宣泄洪水的通道，其重点是在不同水位下泄洪的动态模拟。在泄洪模拟的实现中，水位、溢洪道控制段尺寸和底高程、泄槽段坡比和长度以及消力池结构尺寸等都是重要的影响因素。在模拟时我们可以通过设计消力池不同的池深、池长，水位和过水时间等因素来校核溢洪道的过流能力及其安全性，并通过动画的形式显示其在不同因素下发生破坏的形态。

（2）坝顶高程

坝顶高程是指大坝建基面的最低点至坝顶高度，或水库工程中挡水建筑物的高度。坝顶高程应高于校核洪水位；并应高于正常蓄水位和正常运用条件下的坝顶超高。超高为最大波浪在坝坡上的爬高、最大风壅水面高度和安全加高之和。在模拟时我们可以通过设计不同水位来校核坝顶高程的安全性，通过输入波浪爬高、风壅高度和安全加高等参数，让学生自主设计并确定坝顶高程，并在坝顶高程不足时，显示漫坝及溃坝动画。

（3）坝体渗漏

当坝体上下游水位存在落差的时候，渗流便会发生。渗透坡降是渗透变形的决定因素，当渗透坡降大于坝体土体允许渗透坡降，土体就会产生渗透变形。模拟时我们可以通过设计上下游水位差、上下游坡比和土体参数等因素来校核坝体抗渗性能，并应注意其渗流量，也不应过大，后通过动画的形式显示坝体在较大渗流作用下的破坏形态。

（4）坝坡稳定性

坝坡稳定性分析的主要是通过对坝坡的岩土工程条件及坝坡稳定系数的分析，评价坝坡的稳定性。我国现行规范《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）［5］明确规定了不同等级、不同运用条件下的坝坡稳定安全系数，可作为设计参考之用。模拟时需基于坝体抗渗性能计算结果和土体性质，后通过动画的形式显示坝坡最小安全系数、最危险滑弧位置和发生滑弧时坝体的破坏形态。

3 结果评价

3.1 评价标准

教学采用虚拟仿真技术取得的教学效果，应从学习兴趣、学习效果等方面进行评价。改革要求由被动接收知识向能动探究知识转型，在土石坝设计过程中，提高学生对安全的重视和基础理论知识的理解，并能切身感受到自身所学知识得到应用的满足感，极大地激发了学生的兴趣；还能扩展学生可利用的学习资源，可根据学生的个性化学习诉求来配置教学资源。

教学效果要关切学生获得感，其核心诉求就是要建构起关切学生学习体验感和满意度的质量文化。故其强调学习体验感和学习结果满意度，彰显学生的自主自觉性和体验的独特性，重塑学生自主学习、能动学习、个性学习的学习价值观。在教学过程中，应紧跟学科和工程实践发展动态和趋势，结合教师个人科研，增加最新研究成果作为教学内容，提高学生学习兴趣。仿真教学平台课程设的考核模式，应科学、准确、全面地评价学生解决问题的能力。在课堂汇报作业成绩评定中创新“教师为小组打分”评价机制，以此加强对学生学习的监督和管理，保障课改的顺利实施。总成绩（100分）=笔试成绩（50分）+过程性评价成绩（50分），其中，过程性评价成绩=课堂考勤（10分）+作业（10分）+小组汇报（10分）+仿真实践（20分）。课堂小组汇报主题为成员针对某一具体工程的作用、运行原理、优缺点及可改进性的讨论，可采用口头汇报、PPT 汇报和板书汇报等模式。过程性评价细则如表1所示。

表1 评价细则表

3.2 评价结论

水利工程虚拟仿真试验教学可激发学习兴趣；可依托于科研项目促进教学，深化基础知识与增强创新能力培养，有利于创新型人才的培养；虚拟仿真试验教学更容易实现教学资源的共享，有利于提高相关专业的教学质量，也为创新人才的培养开辟了一条特色之路。

3.3 创新性

采取了学生自主操作的教学模式，在课程设计中，学生自行讨论解决，并通过仿真系统验证合理性，提高学生的自主性和积极性。仿真系统的先进性，可结合实际工程与科研项目，不定时更新并紧跟时代前沿，有利于创新意识培养。教学效果评价的科学性，通过创新打分评价机制，有效解决了学习积极性不高的问题。

4 结论

拟通过现有工程相关资料，构建“高度仿真、虚实结合、开放共享”的虚拟仿真实验系统，为实验教学平台的搭建提供基础。水利工程实验教学中运用虚拟仿真技术，可以有效降低实验成本及规避试验风险；学生可根据自身的理解和思考，灵活设计符合要求的实验方案，并能加入多种探索性实验内容，具备容错功能；可以反复进行操作及扩展试验范围，提升学生的实践能力和自主学习的兴趣，培养学生的工程实践能力和创新意识，为虚拟仿真技术与工程学科教学的结合提供了新思路。