高等教育数字化发展研究｜许萍 许增光 温立峰 等：基于虚拟仿真技术的高校实验教学改革与实践
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许萍 许增光 温立峰 任杰 王璟.基于虚拟仿真技术的高校实验教学改革与实践[J].中国教育信息化,2023,29(4):104-111.DOI:10.3969/j.issn.1673-8454.2023.04.013
高等教育数字化发展研究
基于虚拟仿真技术的高校实验教学改革与实践
许萍 许增光 温立峰 任杰 王璟
摘 要： 随着国家信息化教育战略和工程教育改革的不断推进，虚拟仿真技术在以学生为中心的智慧教学改革方面发挥了重要作用。通过对水利类各专业《水工建筑物》核心主干课程中“土石坝渗流分析”这一重难点内容进行实验教学方案设计，提出一套完整的信息化土石坝水利枢纽工程渗流演进，以及渗透破坏“蓄—稳—降—破坏—除险”的全过程实验教学系统。课程的虚拟仿真实验教学依托学科优势和专业特色，校企合作共同开发，解决了传统实体实验不能解决的诸多问题。教学实践过程突出以学生为主体、以教师为主导的核心思想，重自主能力培养轻讲解、重工程实践应用轻理论、重专业价值塑造轻传授，对培养学生的工程实践能力和创新应用能力具有重要意义。
关键词： 稳定/非稳定渗流分析；渗透破坏；渗流全过程；虚拟仿真；教学实践
中图分类号： G434
文献标志码： A
文章编号： 1673-8454(2023)04-0104-08
作者简介： 许萍，西安理工大学水电学院/水利水电国家级实验教学示范中心副教授、硕士生导师，博士(陕西西安710048)；许增光，西安理工大学水电学院/水利水电国家级实验教学示范中心教授、博士生导师，博士(陕西西安710048)；温立峰，西安理工大学水电学院/水利水电国家级实验教学示范中心副教授、硕士生导师，博士(陕西西安710048)；任杰，西安理工大学水电学院/水利水电国家级实验教学示范中心教授、博士生导师，博士(陕西西安710048)；王璟，西安理工大学水电学院/水利水电国家级实验教学示范中心助教，硕士(陕西西安710048)基金项目： 2021国家自然科学基金面上项目“库坝系统渗流计算中山侧及排水孔边界的水量交换机理与加载方法研究”(编号：52179143);2022陕西省创新能力支撑计划—水利工程渗流分析与控制创新团队(编号：2022TD-01);2020年西安理工大学教育教学改革研究项目“新工科背景下《水电站》课程教学改革与建设”(编号：xjy2037)
一、引言
中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》强调，构建服务全民的终身学习体系，加快信息化时代教育变革;到2035年，总体实现教育现代化，迈入教育强国行列，推动我国成为学习大国、人力资源强国和人才强国，为到本世纪中叶建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国奠定坚实基础[1]。《教育部高等教育司2022年工作要点》明确提出，推进“虚拟仿真实验教学2.0”建设，促进信息化引领技术与高等教育教学深度融合，将教育信息化作为人才模式和教学方法改革的内生变量[2]。近年来，我国出台了关于加快双一流建设[3]、新工科建设[4]、推进工程教育专业认证[5]、卓越工程师计划[6]等一系列政策，为工程教育改革和创新人才培养提出了更高要求，也对高等工程教育教学与信息技术深度融合提出了挑战。作为国家信息化教育战略的重要实践内容，虚拟仿真实验教学已经成为工科高校实践教学资源建设和学生创新能力培养的重要手段[7-12]。
西安理工大学水利水电工程专业源起于1937年成立的西北工学院水利系，2007年获首批国家级特色专业建设点，2010年获首批教育部实施“卓越工程师教育培养计划”专业，2013年和2019年先后两次通过工程教育专业认证，2017年获批陕西省一流专业建设点，2019年入选国家一流本科专业建设点。专业所在学科水利工程于1959年首次招收研究生，1981年获得国务院首批博士、硕士学位授予权，2007年获批国家一级重点学科(西北地区唯一的水利工程国家重点一级学科)，2017年第四轮学科评估结果为B+(并列全国第5)，2018年获批陕西省“国内一流大学建设高校”的建设学科。该专业一直围绕水利事业重大需求，注重“以学生为中心”的教学实践探索，加强实验实践教学环节的创新能力培养，致力于培养适应现代水电发展的勘测、规划、设计、施工方向工程技术及管理人才。本文针对《水工建筑物》这一专业主干课程“土石坝渗流分析”这一重点和难点内容，阐述“高土石坝渗流演进及渗透破坏过程”虚拟仿真实验教学的必要性、方案设计及应用，探讨虚拟仿真实验教学在以学习者为中心的智慧教学模式、教学方法和教学实践中发挥的重要作用。
二、传统课程实验教学现状及改革的必要性
《水工建筑物》是水利类院校水利水电工程专业的主干专业课，主要介绍各类优势坝型和水工建筑物的基本理论和设计方法。土石坝作为数量最多的坝型(我国现有近10万座大坝，土石坝占到95%以上，大多建于20世纪50至70年代)，普遍存在标准低、设施老化等问题，坝体渗水现象时有发生。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出，要“加快病险水库除险加固”。由于土石坝枢纽建筑物承担挡水、泄水、发电任务，作为人工与自然复合的复杂系统，完整的“土石坝渗流演进及渗透破坏过程”实验，是一个与工程实际紧密结合的复杂、难度大、交叉性和实践性强、涵盖知识点多的大型综合设计性实验。传统的演示性实验受空间、学时、实验场地和设备的限制，存在诸多问题：①原型和大尺度渗透破坏实验条件不具备。②室内小尺度渗透破坏实验成本高、周期长。③土石坝渗流现象隐蔽，无法直接观测。④渗流演进过程还原度低、考虑因素少，单一实验无法实现。基于以上问题，传统演示性实验无法实现理论教学内容，学生学习难度大，很大程度上制约着学生实践创新能力培养。
随着信息化技术与高等工程教育深度融合，虚拟仿真、物联网、大数据、云计算等先进技术已经开始应用于教育教学改革，以解决传统实验教学中无法实现、难以开展的实验教学问题。借助虚拟仿真技术实现复杂环境典型土石坝工程渗流全过程模拟的虚实融合，开展土石坝工程渗透破坏及险情处理虚拟仿真实训，不仅能够促进学生对教学内容的理解，提升教学效果，同时进一步培养了学生工程实践应用能力，增强学习体验，为适应信息化时代背景下高等工程教育改革对创新人才培养的需求提供助力。
三、虚拟仿真实验教学系统内容与方案设计
实验内容聚焦实际土石坝枢纽工程，以提高学生自主学习与探究能力为目标，通过三维虚拟仿真手段和数据库技术，结合有限元数值模拟，构建了“高土石坝渗流演进及渗透破坏”虚拟仿真综合性实验教学系统。系统紧扣课程教学重点和难点内容，围绕实际土石坝工程常见工况下渗流问题，开展多工况、多因素全过程虚拟仿真模拟。知识点分布如表1所示。
表1 知识点分布表
实验方案实施借助虚拟仿真技术，以真实还原实际工程环境为基础，实现高校与企业合作，共同设计土石坝全枢纽建筑物场景。渗流基本理论知识与测试为学生开展渗流实验夯实基础;高土石坝稳定/非稳定渗流演进过程提升学生知识能力;开设探究式实验项目增强实验挑战性;渗透破坏及险情处理实践应用激发学生家国情怀。实验系统实现了土石坝工程模型在“蓄—稳—降—破坏—除险”实验条件下渗流发生、发展、演进，乃至破坏、处理全过程知识贯通。实验内容由浅入深、循序渐进，使教学更加符合工程实际发展规律和学生认知规律，增强学生学习的新鲜感和真实感，同时提供自主探索空间，提高教学效率与质量。实验整体设计如图1所示。
图1 实验项目整体设计
四、虚拟仿真实验教学实施与效果
(一)土石坝枢纽三维全景认知以及渗流基本理论学习与测试全景认知模块由企业为主导负责虚拟场景设计，凸显工程性。通过三维虚拟仿真技术，对国内某土石坝水利枢纽场景进行三维仿真建模，包括均质土坝、溢洪道、导流泄洪洞、发电引水洞、坝后电站等建筑物场景图示讲解，如图2所示。渗流基本理论知识模块主要与课堂教学衔接，明确知识点。课程团队依据知识点和实验内容设计题目，学生自主学习并完成测试，系统会在题库中随机抽取10道客观试题，当学生完成试题并考核通过方可进入实验环节，如图3所示。通过该模块实验，使学生对枢纽建筑结构和渗流理论有一个直观且形象的认识，激发学生的学习兴趣，夯实基础。
图2 土石坝枢纽建筑物全景漫游部分场景
图3 土石坝渗流理论知识学习与测试界面
(二)高土石坝稳定/非稳定渗流过程实验模块
该模块实验方案设计按照实际水利工程，涉及不同类型土石坝和实际运行多工况状态渗流演化过程，体现基础性和高阶性。稳定渗流过程实验项目满足本科生基本教学需求;非稳定渗流实验项目突出水工渗流方向学科优势，满足本科生学术研究需求。实验项目设计了水库初期建坝后蓄水、稳定渗流、库水位降落等参数设计和选择，进行土石坝稳定、非稳定渗流过程模拟，观测渗流场分布特征。土石坝渗流模块选择土石坝类型(均质土坝、黏土心墙坝、斜墙坝、面板堆石坝)、土石料参数(黏土、粉质黏土、砂土、土石混合料)、上下游特征水位等资料进行土石坝渗流过程计算。学生可通过团队合作的方式改变各种相关参数，获得相关实验结果;也可根据学习程度及兴趣自主设计实验方案，掌握不同坝型的渗流现象，量测不同运行工况下的渗流数据，并与现场监测数据进行对比，并对结果的正确性进行验证，如图4所示。该模块实验内容是土石坝渗流理论的核心，不仅解决了土石坝渗流多因素、多工况、多参数复杂边界等实验条件不具备的问题，同时克服了实际实验成本高、周期长、渗流过程隐蔽等问题。学生通过自主参与设计方案，开展基础性、高阶性实验项目等环节操作，改善被动学习的现状，促进对知识点的理解与创新。
图4 浸润线分布及渗流过程计算界面
(三)高土石坝渗透破坏及险情处理实验模块
该模块融合行业除险加固前沿技术，突出专业特色。依据实际土石坝工程常见破坏形式，设计选择土料性质(黏土、粉质黏土、砂土、土石混合料)、土粒级配(不均匀系数、曲率系数)、水流条件等参数进行土石坝渗透变形和渗透破坏观测，使学生对土石坝不同破坏形式产生直观而深刻的理解。如工程设计不合理，则进入应急抢险演练，排除险情后开展加固处理，使学生对实际土石坝渗透变形过程，以及渗透破坏出现后的加固措施有深入理解，并对坝基管涌险情、坝体漏洞险情预判和抢护要点精准掌握，进而合理设计防渗排水措施，如图5所示。该模块实验内容是对教学内容的拓展练习，不仅可以提升学生对行业前沿知识的掌握，培养学生解决复杂水利工程问题的能力，更能提升学生的家国情怀和社会责任感。
图5 土石坝渗透破坏险情处理方案
五、虚拟仿真实验教学系统在教学实践中的应用
(一)教学实践过程实验设计目标是以学生自主学习能力培养为核心，重点突出土石坝水利枢纽工程渗流演进，以及渗透破坏“蓄—稳—降—破坏—除险”的全过程实验教学内容，对所涉及的大型枢纽建筑物、渗流发展规律、渗透破坏、应急险情处理等知识点，以人机交互的方式生动准确传达给学生，让学生从全局角度认识土石坝渗流问题，培养学生的创新思维和解决复杂工程问题的能力。教学实践过程包括：
1.课前实验方案拟定
课前实验方案拟定是实验教学顺利开展的基础。学生通过课堂教学的理论学习，通过自主学习实验操作微课视频，结合实验手册，初步了解实验背景和目的、实验原理和内容，或以独立或分组的形式拟定实验方案。
2.课中实践研讨和探索
课中实践研讨和探索是实验教学的核心，包括方案研讨和分组探索两部分。方案研讨由实验教师引导学生自主讲解方案设计，依据方案设计进行分组研讨和实验分解，实验教师点评实验可行性和合理性，形成最终实验方案;分组探索是学生独立开展探究式实验的重点。该阶段实验教师的主要职责是服务学生，依据每组学生拟定的不同实验方案，安排好实验时间和实验环境，让学生在实验操作和分析过程中实现知识的内化，以达成实验目的。
3.课后巩固与提升
课后巩固与提升是实验教学的升华，包括实验报告撰写和汇报交流。实验报告撰写需要学生对实验过程和实验原理进行内化吸收，独立完成实验数据分析和实验分报告;同时需要组内每位学生对实验进行汇报交流，采用团队合作式研讨形成分组报告。实验分报告考查了学生对知识点的把控能力;分组报告则不仅检验了学生对理论教学与实验设计关系的理解能力，以及实验方案的整合能力，更培养了其对复杂水利工程问题分析探索和团队合作能力。
该教学实践过程，改变了以往教师拟定实验方案、学生验证操作的常规模式，真正实现了以学生为中心的自主探究式实验教学方法，将传统以教为主的方式，转换为师生互动、生生联动的方式，让每一位学生都能主导实验内容和过程，这样才能全身心地参与到实验过程当中。
(二)教学实践考核
实验教学考核是检验学期实验教学成效和教学质量的重要环节。传统实验考核方法是通过学生提交的实验报告和实验能力测试综合得分，结合实验过程中的表现作为考核结果。这种方法考核评价目标单一，实验过程参与情况仅能通过实验教师观察，主观性强且实施困难，无法全面掌握和评价学生学习效果。
基于虚拟仿真的实验教学系统，为过程性考核和自主学习能力评价提供了有效实施途径，学生的实验方案设计、实验操作、数据分析处理、问题解答等过程，均可在实验系统中留下记录。最终实验效果可以从以下几个方面综合评价：①预习成绩(占实验考核成绩5%)，包括实验预习报告完成情况、理论测试情况和设计方案拟定情况。②操作成绩(占实验考核成绩50%)，包括实验操作是否清楚、规范，答题环节的答对率，计算数据是否正确，试验结果分析及得出的结论是否正确。③实验报告(占实验考核成绩30%)，包括实验设计是否合理、实验报告是否完整、数据分析处理是否正确、实验结果的分析讨论是否合理等。④教师评价报告(占实验考核成绩15%)，包括学生实验过程和实验报告中的自主探索能力方面，诸如系统内设开放性思考题实验项目，以及通过团队合作式方案整合分析中的表现等进行综合成绩评定。
六、结语
本文基于虚拟仿真技术，对水利工程各专业的《水工建筑物》核心主干课程“土石坝渗流分析”实验项目进行扩容升级，依托学科优势和专业特色，提出了土石坝水利枢纽工程渗流演进，以及渗透破坏“蓄—稳—降—破坏—除险”的全过程实验教学系统，实现了理论测评、实验操作、方案研讨和教师评价四位一体的实验评价体系。课程教学重点突出以学生为主体、以教师为主导的核心思想。教学实践过程重自主能力培养轻讲解、重工程实践应用轻理论、重专业价值塑造轻传授，可以为数字化时代高等工程教育改革提供有力支撑。虚拟仿真实验依托陕西省水利水电虚拟仿真实验教学中心平台，服务于西安理工大学水利水电工程、工程管理、农业水利工程等专业学生的课程实验，同时承担疫情期间本科生科技竞赛等多项教学任务，以及校外人员参观、培训等任务，对培养学生的工程实践能力和创新应用能力具有重要意义。
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Experimental Teaching Reform and Practice Based on Virtual Simulation Technology
Ping XU1,2, Zengguang XU1,2, Lifeng WEN1,2, Jie REN1,2, Jing WANG1,2
(1.National Experimental Teaching Demonstration Center for Water Resources and Hydropower,Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi;
2.The State Key Laboratory of Ecological Water Conservancy in Northwest Arid Areas, Xi’an University of Technology,Xi’an 710048, Shaanxi)
Abstract: With the development of national information education strategy and engineering education reform, virtual simulation technology has played an important role in student-centered intelligent teaching reform.In this paper, the experimental teaching scheme is designed for the key and difficult content of seepage analysis of earth-rockfill dam in the core main course of “Hydraulic Structures” of various water conservancy majors, and a complete set of information-based experimental teaching system for the whole process of seepage evolution and seepage damage “storage-stabilization-reduction-damage-danger elimination” of earth-rockfill dam water control project is put forward. The virtual simulation experiment teaching of this course relies on disciplines’ and professionals’ advantages and is jointly developed by school and enterprise, which solves many problems that traditional physical experiments can’t. It is of great significance to highlight the core idea of taking students as the main body and teachers as the leader in the teaching practice process, which promotes the cultivation of students’ engineering practice ability and innovative application ability.
Keywords: Steady/unsteady seepage analysis; Seepage failure; Seepage whole-process; Virtual simulation; Teaching practice
编辑：王晓明 校对：李晓萍
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