新工科水利水电工程实验教学创新改革与建设

［摘 要］ 新工科背景下，将虚拟仿真实验融入教学是推进水利工程专业实验教学课程改革创新的重要途径。从分析水力学实验教学现状出发，转变传统教学思路，构建“四层次、六模块”明渠水流衔接虚拟仿真实验，并从深化新工科实验教学改革、落地先进性高效沉浸式教学、建设高质量实验教学教师队伍和培养高素质新工科水利人才等四方面分析其建设成效。明渠水流衔接虚拟仿真实验以学生为主体，构建了开放式综合型设计类虚拟仿真实验，转变了传统教学的思路，对新型工程人才的培养发挥了重要推动作用，符合新工科建设要求。

［关键词］ 新工科；水利水电工程专业；虚拟仿真实验教学；水力学教学实验

［基金项目］ 2023年度教育部产学合作协同育人项目“产教融合视域下水力学虚拟仿真实验教学育人模式探索与实践”（R-TJU-202308-1）；2023年度水利高等教育教学改革重点课题“新工科背景下水利水电工程专业智慧化升级改造教学改革实践”（2023SLGJ06）；2023年度基于工程教育专业认证背景下水利高等教育教学改革研究课题“工程教育专业认证与新工科建设双重机制下的水利工程专业实验教学课程创新改革与建设”

［作者简介］ 刘殷竹（1992—），女，山西晋中人，工学博士，天津大学建筑工程学院助理研究员，主要从事水力学及河流动力学研究；张 晨（1981—），男，天津人，工学博士，天津大学建筑工程学院水利水电工程系副主任，教授，博士生导师（通信作者），主要从事水力学及河流动力学研究；高学平（1962—），男，天津人，工学博士，天津大学建筑工程学院教授，博士生导师，主要从事水力学及河流动力学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）45-0081-04 ［收稿日期］ 2023-09-06

自2017年2月教育部推动新工科建设以来，逐步形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，提出建设适应产业发展的新专业或专业新方向，以及适应新技术发展改革的培养模式和教学内容［1-2］，这对水利工程专业的建设与发展提出了新的挑战。虚拟仿真实验教学将互联网、虚拟现实等信息技术与专业教学深度融合，通过灵活多样的交互环节，使学生可以不受时空限制进行在线实验，是高校实验教学的发展趋势之一［3-4］。鉴于“水力学”课程在水利工程专业的核心课程地位，为适应新工科建设需求，坚持问题和需求导向［5］，以及需实结合、能实不虚和虚实结合的原则［6］，笔者尝试在水力学实验教学中融入虚拟仿真实验环节，开展“明渠水流衔接虚拟仿真实验”建设，探索水利工程专业实验教学创新改革的新路径。

一、传统水力学实验教学现状

“水力学”课程是水利工程专业最重要的基础课程之一，其中明渠流知识在工程中应用广泛［7］。按照教学大纲要求，高校水力学实验教学中一般开设“明渠水面线”“水跃”“堰流”“闸孔出流”等单项实验，学生通过观察水流现象、量测数据，进一步理解和掌握所学知识。

在此类实验的多年教学实践中，主要以演示实验为主，兼顾学生动手能力，存在实验教学与工程实践脱节、实验装置和控制条件局限、实验教学案例单一、学生参与度不高和工程尺度试验落地困难等问题，大型综合训练实验箭在弦上。理想的水力学实验教学应以典型的重大水利工程为背景，现场认知工程尺度的水流现象，利用先进的仪器量测水力指标，通过智能算法进行水力计算，通过智能设计进行多种水流现象的有机组合，然而，因工程尺度实验成本高、消耗高、实际运行困难，目前缺乏该类大型综合训练实验。

二、明渠水流衔接虚拟仿真实验教学课程建设

（一）实验教学目标

为适应新工科建设培养新型工程人才的需求，以学生为主体、学习效果为导向、能力培养为宗旨，转变传统教学思路，将虚拟仿真实验纳入水力学实验教学，建设明渠水流衔接虚拟仿真实验。该实验属于开放式综合型设计类实验，一方面，使学生深入认识明渠水面线、水跃、闸孔出流、堰流等原理和过程，拓宽水力学实验教学的广度和深度；另一方面，为学生提供充分的设计空间，培养学生实际操作、分析解决问题、研究设计和科研创新能力。

（二）实验教学内容及创新

围绕教学目标，以符合学生学习认知规律发展、提高学生工程素养、重视科研兴趣激发、实现工程应用能力锻炼为建设思路，明渠水流衔接虚拟仿真实验包含“四层次、六模块”，按照仪器认知、实验操作、数据分析和水流现象规律四个层次依次递进（见图1），逐步深入学习明渠水流衔接相关知识，引导学生洞悉和探索学科前沿。

实验紧密结合国家重大工程南水北调，耦合传统单项实验，具有鲜明的设计特色。实验设置7个可调参量和67 500组海量工况，学生通过自主设置得到不同类型水面曲线，观察各类出流现象及水跃衔接形式，再现工程尺度复杂水流现象，实现抽象水流现象的直观教学。明渠水流衔接虚拟仿真实验见图2。另外，实验采用新颖的循环式实验过程和分组制教学方法，缩短实验时间，提升水流衔接多样性认知。经查询“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”，分别仅有约5%和10%的项目具备此类功能。结合水力学实验特点，在实验设计和现象观测模块中设计循环式实验过程，需重复完成10组以上实验工况，积累充足的实验结果才能进入下一步，从而掌握不同出流现象中各参量的变化规律。激励学生相互联动、分组协同，以期获得更多实验结果，形成不断激发学生创新的研究探索型实验和人人交互的团队互动合作实验。

三、明渠水流衔接虚拟仿真实验教学成效

遵循“科学规划、资源共享”的原则，明渠水流衔接虚拟仿真实验在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（http：//www.ilab-x.com/details/2020？id=6623amp;isView=true）进行资源共享。课程自2021年上线至今，已有19 197人次浏览、3 226人次操作，平均实验时长37分钟，实验通过率达95.9%，完成度较好。目前在武汉大学、四川大学等12所高校开设相关课程，根据随堂反馈及平台留言，学生积极参与，对水流动画的仿真度和使用体验评价较高［8］。此外，社会应用机构如南水北调中线干线工程建设管理局河北分局唐县管理处将本虚拟实验用于员工培训及社会宣传，亦取得了较好的应用效果。

按照新工科理念，将虚拟仿真技术与传统水力学实验相结合，在提高教学质量和学生综合素质方面取得了显著成效，是水利工程实验教学进行改革和创新的有效手段。

（一）深化新工科实验教学改革

现代信息技术的发展为专业课程实验教学模式提供了新思路。“天大行动”中要求“问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段”，提到推进信息技术和教育教学深度融合，建设和推广应用在线开放课程，充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式。

将虚拟仿真技术纳入水力学实验中进行明渠水流衔接虚拟仿真实验教学，借助智能水力模拟、人机交互等技术辅助学生掌握明渠水流知识，体现了独特的智能性。虚仿实验教学主动适应新技术变革，充分发挥对实体实验的补充性、对大型实验的替代性和对结果的预测性，积极探索“智能+教育”的新工科人才培养模式，符合新工科建设的根本方向。

（二）落地先进性高效沉浸式教学

“复旦共识”强调新工科建设要求推动传统工科专业的改革创新。随着经济发展与科技的进步，以互联网为核心的科技和产业变革蓄势待发，新技术、新产品、新业态和新模式蓬勃兴起，工程科技进步和创新成为推动传统工科发展的重要力量。

明渠水流衔接虚拟仿真实验利用精细化3D建模、水流动画仿真和人机交互等技术进行场景搭建和水流现象还原，实现具有沉浸感、交互性和智能性的直观教学；构建四个认知层次和两级考核模式，在设计思路、层次结构、软件硬件设备及开发工具等方面均具有先进性；突破了传统实验时间和场地的限制，克服了传统实验工况单一、各单项实验水流现象独立等缺点，具有较好的使用体验及长期使用价值。

（三）建设高质量实验教学队伍

实验教师是实验教学最基础的资源。建设一流新工科离不开全球一流教师和研究人员的自由流动，这对教师的专业能力和素质提出了更高的要求。

明渠水流衔接虚拟仿真实验在建设过程中凝聚了一支学术水平高、能力扎实、结构合理的教学团队，现有15人，由水利工程专业任课教师及实验指导人员组成，并吸纳在模型建立、交互设计等方面具有丰富经验的工程师技术人员。实验独特的线上线下两级考核，虽然线上自动评分，但线下教师须根据设计新颖性、知识点掌握、操作规范性和报告正确率给出成绩；还可利用平台反馈机制对学生进行有针对性的指导，更加有效地提升教学效果。

（四）培养高素质新工科水利人才

新工科本质仍然是育人，但对人才培养要求发生了变化，要培养基础扎实、工程素养高、实验与创新能力强的复合型新工科技术人才。

明渠水流衔接虚拟仿真实验真正贯彻“以学生为中心”的宗旨，为学生提供开放的学习环境，将“被动实验”变为“主动实验”，实现实验教学与国家重大工程的无缝接轨，培养学生的工程素养；学生可根据自己的理解和思考探究更多复杂的水流现象，有效提高对复杂工程水流衔接多样性的认知，培养自主科研能力和学习积极性；允许学生随时线上复习实验，巩固知识，提高独立解决复杂工程问题的能力，培养高素质新工科人才。

结语

为适应新工科建设的需求，明渠水流衔接虚拟仿真实验教学结合国家重大工程——南水北调，包含四个层次和六个模块，实现了知识逻辑模块与工程实践深度融合，形成了以学生为中心的新工科立体化教学资源。实践表明，将虚拟仿真技术与传统水力学实验相结合，提高了实验教学的效率，提升了教学质量，激发了学生主动思考、主动探索学习的积极性，满足新工科建设人才要求，是将水利工程实验教学改革创新的良好实践。

参考文献

［1］“新工科”建设行动路线（“天大行动”）［J］.高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

［2］钟登华.新工科建设的内涵与行动［J］.高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

［3］高东锋，王森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略［J］.中国高教研究，2016（10）：56-59.

［4］常亮，刘慧君，孙学军，等.高校组织建设虚拟仿真实验教学项目的思考：以河北大学为例［J］.实验技术与管理，2020，37（12）：29-32.

［5］教育部办公厅.关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知：教高厅〔2017〕4号［A/OL］.（2017-07-21）［2023-08-03］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

［6］教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知：教高司函〔2013〕94号［A/OL］.（2013-08-13）［2023-07-25］.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201308/t20130821_156121.html.

［7］高学平.水力学［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2018：196-258.

［8］刘殷竹，张晨，高学平.理实融合导向的水利工程专业新工科实验教学改革［J］.高等工程教育研究，2023（3）：79-84.

Innovative Reform and Construction of Experimental Teaching of Water Conservancy and Hydropower Engineering under the Background of Emerging Engineering Education

LIU Yin-zhu， ZHANG Chen， GAO Xue-ping

（School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China）

Abstract： Under the background of new engineering， integrating virtual simulation experiment into teaching process is an important way to promote the innovation reform of experimental teaching course for hydraulic engineering major. Based on the analysis of the current situation of traditional hydraulic experiment teaching， we establish a virtual simulation experiment on flow joint characteristic of open-channel flow. This paper introduces the course construction of virtual simulation experiment with four levels and six modules， and the construction effect with four aspects， such as deepening the reform of new engineering experimental teaching， designing advanced and efficient immersion teaching， building high quality experimental teaching staff and training high-quality new engineering hydraulic talent.

Key words： emerging engineering education; major in water conservancy and hydropower engineering; virtual simulation experiment teaching; hydraulic teaching experiment