摘?要：本文以水利水電工程專業(yè)核心課程水電站為例，基于多學(xué)科交叉融合，將思政、美學(xué)、機(jī)電控制、環(huán)境、管理等融入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源中，提出一種新工科背景下有效的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，不僅解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，同時學(xué)生可以將知識體系打通，將理論知識與實(shí)驗(yàn)操作融合，真正做到融會貫通，拓寬知識面，學(xué)會從多視角觀察、分析、解決問題，提升全局觀，充分調(diào)動了學(xué)習(xí)主動性，提高了動手能力，實(shí)現(xiàn)了從知識、素質(zhì)和能力3方面提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；多學(xué)科；實(shí)驗(yàn)資源

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.083

0?引言

水電站為水利水電工程專業(yè)核心課程，作為傳統(tǒng)水利的主干課，其目標(biāo)仍以學(xué)生解決工程問題為主，在新工科背景下，已有更適應(yīng)新形勢，立足于我國智慧水利建設(shè)戰(zhàn)略的智慧水利專業(yè)出現(xiàn)。智慧水利專業(yè)以水利工程學(xué)科為基礎(chǔ)，融合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、電子信息、工程管理等專業(yè)發(fā)展而成，是多學(xué)科交叉融合的新型專業(yè)，旨在培養(yǎng)高素質(zhì)綜合型人才。這對傳統(tǒng)水利專業(yè)和水利畢業(yè)生形成很大的沖擊，水利專業(yè)畢業(yè)生以從事工程技術(shù)工作為主，因此課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)至關(guān)重要，如何提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，且能夠適應(yīng)新時代的發(fā)展，在就業(yè)時具有競爭力，這就迫切要求傳統(tǒng)水利專業(yè)的課程進(jìn)行改革，水電站作為核心課程，專業(yè)性、實(shí)踐性強(qiáng)，知識點(diǎn)雖多但具有系統(tǒng)性，且實(shí)驗(yàn)部分依托于理論知識點(diǎn)，既包括操作演示類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，又有設(shè)計類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容豐富，與多學(xué)科存在交叉融合點(diǎn)，需要在實(shí)驗(yàn)設(shè)計時進(jìn)行挖掘與融入。

1?課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題

水電站課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)可按型式分為三類：認(rèn)知演示類（水輪機(jī)的構(gòu)造、不同類型水電站、場景認(rèn)知、發(fā)電演示、廠房組成及布置）、設(shè)計計算類（水輪機(jī)選型設(shè)計、壓力管道壁厚設(shè)計、水錘壓力計算、調(diào)壓室斷面設(shè)計）、研究探索類（調(diào)壓室水位波動特性、水錘波動特性）。在這3類教學(xué)中，存在如下問題：

1.1?認(rèn)知演示類

認(rèn)知演示類實(shí)驗(yàn)在試驗(yàn)大廳或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)完成。實(shí)驗(yàn)儀器有限，即使是模型展示操作，也無法保證人人參與。學(xué)生不能多視角動態(tài)觀看電站、大壩、廠房等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無法觀看參與電站建設(shè)過程、運(yùn)行、安裝和檢修等，將來畢業(yè)作為工程設(shè)計人員，對建設(shè)程序及內(nèi)部構(gòu)造沒有概念，將影響職業(yè)發(fā)展。此外，在水輪機(jī)構(gòu)造實(shí)驗(yàn)與機(jī)械、電氣脫節(jié)。水輪發(fā)電機(jī)組部件組裝、目前僅有凸顯水輪機(jī)部分的裝卸，但機(jī)電部分如何支持并聯(lián)系，并未體現(xiàn)。

1.2?設(shè)計計算類

水輪機(jī)選型設(shè)計、壓力管道壁厚設(shè)計、水錘壓力計算、調(diào)壓室斷面設(shè)計，都是統(tǒng)一的工程案例，相同的背景資料，無法一人一題，實(shí)現(xiàn)人人真正參與設(shè)計。

1.3?研究探索類

個別實(shí)驗(yàn)參與運(yùn)行和操作存在風(fēng)險性，且在實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定時均采取定值或?qū)嶒?yàn)中按照固定模式進(jìn)行，最后所有同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，并不能體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)層次、深度、自主性和創(chuàng)新性。

此外，實(shí)驗(yàn)僅局限于知識的理解應(yīng)用和專業(yè)能力的培養(yǎng)，缺乏職業(yè)素質(zhì)的訓(xùn)練和提升。

2?仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計

2.1?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

水電站是水、機(jī)、電的綜合體，但并不局限于此。在開展水電站課程實(shí)驗(yàn)時，真實(shí)實(shí)驗(yàn)有局限性、實(shí)驗(yàn)成本高、部分實(shí)驗(yàn)不可實(shí)現(xiàn)，難以真實(shí)開展，達(dá)不到既定教學(xué)效果。而利用虛擬仿真資源可以打破時間、空間限制，可以展現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)過程，如電站及各組成內(nèi)部考察與展示。虛實(shí)結(jié)合完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容，保證演示類實(shí)驗(yàn)，滿足人人參與，而非局限于觀摩；設(shè)計類實(shí)驗(yàn)，一人一數(shù)，提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情和效果；探索類實(shí)驗(yàn)開放性設(shè)置參數(shù)，多元表達(dá)實(shí)驗(yàn)成果，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維，激勵開展探索研究。最終在降低實(shí)驗(yàn)成本的同時，切實(shí)達(dá)到教學(xué)效果。

2.1.1?實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選定與分解

將水電站中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目拆解，對實(shí)驗(yàn)中涉及到的水利及其他學(xué)科的知識點(diǎn)列出。如對水電站廠房內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行仿真模擬時，學(xué)生可在觀察學(xué)習(xí)廠房的整體布局和系統(tǒng)中了解水電站廠房中上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)組成及作用，包括屋頂、吊車梁、發(fā)電機(jī)層和安裝間樓板、發(fā)電機(jī)機(jī)墩、蝸殼和水輪機(jī)座環(huán)（固定導(dǎo)葉）、尾水管等，對廠房內(nèi)的水流系統(tǒng)（壓力管道、水輪機(jī)等）、電流系統(tǒng)（主變壓器和高壓配電裝置等）、電氣控制設(shè)備系統(tǒng)（中央控制室）、機(jī)械控制設(shè)備系統(tǒng)（調(diào)速器、閥門、閘門等）、輔助設(shè)備系統(tǒng)（起重設(shè)備等）有一個全面、整體的認(rèn)識，使學(xué)生能夠基于水利、機(jī)電、生態(tài)環(huán)境、管理等多學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)背景知識進(jìn)行合理分析并融合，評價水電站布置設(shè)計方案，能夠評估其對社會、環(huán)境、安全、文化等的影響。

2.1.2?實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)

在仿真平臺上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一共設(shè)置預(yù)習(xí)、演示、學(xué)習(xí)、考核和報告5個系統(tǒng)。各系統(tǒng)的功能如下：

（1）預(yù)習(xí)系統(tǒng)：該系統(tǒng)類似于實(shí)驗(yàn)教材，有實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、操作步驟、注意事項(xiàng)等。實(shí)驗(yàn)前先預(yù)習(xí)，學(xué)生考核合格后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；預(yù)習(xí)中除了知識點(diǎn)外，學(xué)生還需牢記掌握廠房布置分期施工、構(gòu)件吊裝步驟、機(jī)電設(shè)備安裝及建設(shè)過程中的安全注意事項(xiàng)、職業(yè)規(guī)范以及責(zé)任終身制。

（2）演示系統(tǒng)：提供規(guī)范操作的錄像（錄像中的數(shù)據(jù)及布置方案模擬實(shí)體項(xiàng)目案例，僅供參考，并非學(xué)生最終設(shè)定的方案），便于學(xué)生快速地從整體上了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（3）學(xué)習(xí)系統(tǒng)：文字、聲音和高亮等提示幫助下，人機(jī)交互，一步一步指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)完成整個實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生計算或選擇參數(shù)：在進(jìn)行廠房設(shè)計時，當(dāng)學(xué)生已經(jīng)對廠房各尺寸設(shè)計計算完畢后，每人將自己所設(shè)計的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，觀察從基礎(chǔ)開挖高程到廠房頂高程各階段的施工建設(shè)情況，觀察是否有設(shè)計漏洞，驗(yàn)證設(shè)計尺寸的合理性與可行性；當(dāng)進(jìn)行機(jī)組選型時，學(xué)生可將水輪機(jī)、調(diào)速器、發(fā)電機(jī)等的型號輸入，界面中將提示是否能匹配等。

（4）考核系統(tǒng)：操作考試中無知識點(diǎn)提示，考核結(jié)束后系統(tǒng)自動給出分?jǐn)?shù)，該分?jǐn)?shù)占最終成績的權(quán)重。

（5）報告系統(tǒng)：考核完成后，需撰寫實(shí)驗(yàn)報告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果、實(shí)驗(yàn)中遇到的難題及解決方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)論以及對該實(shí)驗(yàn)設(shè)計的評價和建議，提交給老師評閱。

2.1.3?與實(shí)體設(shè)備整合

學(xué)院試驗(yàn)大廳現(xiàn)有部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備及模型，在教學(xué)中可“實(shí)、虛”結(jié)合的教學(xué)方式：在理論基礎(chǔ)上，對實(shí)體設(shè)備進(jìn)行觀察，分析其布置、構(gòu)造及水流運(yùn)動狀態(tài)，在對實(shí)驗(yàn)有個整體認(rèn)知后利用仿真系統(tǒng)完成機(jī)組選型、水力計算初擬尺寸、開挖高程確定、場區(qū)布置等內(nèi)容，校驗(yàn)各設(shè)計結(jié)果及方案是否合理，通過“虛”仿真系統(tǒng)完成整個實(shí)驗(yàn)過程。把實(shí)體模型設(shè)備和虛擬仿真有機(jī)地融為一體，通過虛擬的方式創(chuàng)造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中無法提供的真實(shí)生產(chǎn)建設(shè)環(huán)境，使學(xué)生更加立體地感知實(shí)驗(yàn)，既可較好解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)由于條件限制而導(dǎo)致學(xué)生“理解難，復(fù)習(xí)難、考核難，示教效果差”等問題，還可以激發(fā)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，根據(jù)個人的布置及設(shè)計，在系統(tǒng)中建設(shè)屬于自己的廠房，進(jìn)而帶動實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式的創(chuàng)新。

2.2?學(xué)科交叉融入設(shè)計

多學(xué)科融入，旨在使學(xué)生在校即可體驗(yàn)水利工程設(shè)計師的工作內(nèi)容，體會到水電站建設(shè)的艱辛與工程師的認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，在多學(xué)科交叉融入中學(xué)會從不同視角看待問題，產(chǎn)生全局意識，符合新工科對人才培養(yǎng)的要求。同時也需要具有一定的人文社會科學(xué)素養(yǎng)和社會責(zé)任感，能夠在水利領(lǐng)域?qū)W習(xí)實(shí)踐中理解責(zé)任終身制，并遵守工程職業(yè)道德規(guī)范、履行責(zé)任，喚醒工程實(shí)踐中的倫理責(zé)任意識，促進(jìn)自身與自然、社會的協(xié)同發(fā)展。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)中，涉及到的學(xué)科交叉部分如下。

2.2.1?思想政治教育類

實(shí)驗(yàn)資源中體現(xiàn)通識教育，責(zé)任意識、工程安全及行業(yè)榮譽(yù)。在認(rèn)知演示類實(shí)驗(yàn)中，可引入新時代水利精神、國家重大水利工程公益?zhèn)鞑?、人水和諧理念、水電站失事、防災(zāi)減災(zāi)日、水文化傳播、國之重器、南水北調(diào)重要工程案例、水利名人等。如在不同類型水電站認(rèn)知中，可引入壩后式電站—大國重器三峽，河床式電站—萬里長江第一壩葛洲壩等，依托此類電站的工程特點(diǎn)、建設(shè)背景及重大意義，能夠很好地反映出我國水力發(fā)電事業(yè)的增長規(guī)模和技術(shù)水平，深化學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和從事水利水電事業(yè)的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。在水輪機(jī)的選型設(shè)計中選取大藤峽水利樞紐工程，可融入新冠肺炎疫情期間大藤峽水利人的戰(zhàn)疫不停工以及其技術(shù)先行、匠心獨(dú)運(yùn)鑄“國之重器”的風(fēng)范，這樣學(xué)生不僅習(xí)得了知識，培養(yǎng)了能力，同時增強(qiáng)了責(zé)任感和使命感，凸顯課程思政，秉承立德樹人。

2.2.2?美學(xué)類

將美學(xué)巧妙的應(yīng)用于水電站建筑物設(shè)計中，不僅可創(chuàng)造效益，還可推動文化建設(shè)的發(fā)展，使工程與美學(xué)的價值都得以展現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，應(yīng)開拓創(chuàng)新，對布置、外觀、結(jié)構(gòu)、色彩中有鮮明個性和特色的水電站建筑物予以展示。例如都江堰，我國著名的水利工程，集歷史人文和自然風(fēng)光于一體，形成了雄偉壯麗的文化景觀，體現(xiàn)了與自然環(huán)境、科學(xué)原則和美學(xué)原則的和諧互融。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，水電站轉(zhuǎn)輪葉片的扭曲翼型型式、尾水管肘管的流暢曲面、固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉的錯落有致，調(diào)壓室的斷面優(yōu)化，整體布置的協(xié)調(diào)，無疑不在外觀上實(shí)現(xiàn)既變化又統(tǒng)一的協(xié)調(diào)美，給人以井然有序、自由靈動的感覺。

利用水電站大力推進(jìn)旅游業(yè)，吸引游客，除卻水電站本身設(shè)計體現(xiàn)的美感外，更要注重傳達(dá)與自然風(fēng)景和諧之美及水文化。在水利工程中融入美學(xué)，也為向?qū)W生傳達(dá)一種思想，即傳承創(chuàng)新：創(chuàng)造經(jīng)得起歷史考驗(yàn)，承載起民族文化、審美和情感的新時代水利工程。

2.2.3?機(jī)電類

目前在機(jī)組選型設(shè)計、水輪機(jī)調(diào)節(jié)等實(shí)驗(yàn)中，僅側(cè)重于“水”的部分，學(xué)生對機(jī)、電的部分一知半解，模糊抽象。水輪機(jī)的調(diào)速設(shè)備、閥門、閘門、減壓閥和攔污柵等的控制設(shè)備均為機(jī)械控制類，發(fā)電機(jī)、變壓器及開關(guān)站等為電力系統(tǒng)，均為水力發(fā)電中必不可少的設(shè)備和環(huán)節(jié)。因此在水輪機(jī)調(diào)節(jié)中，應(yīng)有導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的操作，水力發(fā)電過程中應(yīng)有機(jī)械控制系統(tǒng)、電流及電氣控制系統(tǒng)的操作和運(yùn)行展示，機(jī)組選型中應(yīng)加入發(fā)電機(jī)部分的設(shè)計。

2.2.4?環(huán)境類

水電站涉及廣泛，具有發(fā)電、防洪、灌溉、供水、旅游等綜合效益，但其對生態(tài)環(huán)境的影響和破壞也是不容忽視的，因此需要考慮生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展要求。水電站的修建，對社會、生物多樣性、自然環(huán)境都有不小的沖擊，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計時需借用知名電站引起的環(huán)境問題給予學(xué)生警示教育，喚起學(xué)生的環(huán)保意識，不能一味追求效益與榮譽(yù)，在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)各建筑物布置與周邊環(huán)境和諧，能夠?qū)嶒?yàn)完成后實(shí)現(xiàn)回水循環(huán)，節(jié)水本身就是對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，為學(xué)生樹立節(jié)約環(huán)保和實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的理念。

2.2.5?管理類

在水電站實(shí)驗(yàn)中，不管是水輪機(jī)調(diào)節(jié)、有壓引水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)還是優(yōu)化調(diào)度，均需要多方兼顧，如何在多目標(biāo)、多限制的水電站運(yùn)行動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)中，構(gòu)建最佳管理調(diào)度模式以獲得最大效益，這一直是個難題。例如在電站突然丟棄負(fù)荷時，如何合理平衡解決導(dǎo)葉關(guān)閉時間、水錘壓力和轉(zhuǎn)速上升率之間的矛盾，使動態(tài)調(diào)節(jié)都在合理范圍內(nèi)，這便是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會協(xié)調(diào)管理，懂得制衡和取舍，學(xué)會從大局考慮分析問題。

虛擬仿真中情景設(shè)定可為學(xué)生創(chuàng)建一個經(jīng)濟(jì)便捷、安全可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生親身嘗試，在實(shí)驗(yàn)中開放性設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而高效深入地學(xué)習(xí)，同時，將學(xué)科交叉點(diǎn)無縫融入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源中，達(dá)到潤物細(xì)無聲的效果。有助于提升人才培養(yǎng)質(zhì)量與學(xué)科建設(shè)水平。

3?總結(jié)

本文以核心課程水電站為例，基于多學(xué)科交叉融合，引入虛擬仿真技術(shù)，探索一種合理的有效的教學(xué)模式?；趯W(xué)科交叉融合的水利類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，對于課程、專業(yè)、人才等方面意義深遠(yuǎn)。

（1）打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限與弊端。學(xué)生能夠在開放、交互的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中開展安全高效的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和預(yù)期教學(xué)效果。尤其對于水電站課程，實(shí)驗(yàn)對象為高壓水流，用到的是大型設(shè)備，實(shí)驗(yàn)耗時耗力，且需要時刻關(guān)注學(xué)生的動態(tài)及安全問題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢。

（2）對提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合技能和創(chuàng)新能力具有巨大的促進(jìn)作用。

（3）拓寬學(xué)生的知識面，提升其多學(xué)科視角分析并解決綜合性科技問題和工程的能力。學(xué)生不僅僅從水利視角分析問題，還需兼顧機(jī)電、環(huán)境、管理等多方面。

（4）從核心課程入手作為試點(diǎn)，為日后其他課程的建設(shè)和拓展提供參考。

（5）從知識、素質(zhì)和能力三方面提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中思政元素的柔性融入，有助于培養(yǎng)學(xué)生成為有家國情懷和責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)乃恕?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]劉喜峰.基于“互聯(lián)網(wǎng)+”理念的水電站課程教學(xué)改革[J].科技風(fēng)，2019（2）：8081.

[2]周建旭.水電站調(diào)壓室水力設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)省級一流課程（ilab-x.com）[EB/OL].國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺，2021年.

[3]李進(jìn)平.水電站水錘與調(diào)壓室水位波動虛擬仿真實(shí)驗(yàn)省級一流課程（ilab-x.com）[EB/OL].國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺，2021年.

[4]劉喜峰.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下水電站實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革[J].科技風(fēng)，2019（29）：74.

[5]南海鵬.水電站全場景認(rèn)知及同期并網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（ilab-x.com）[EB/OL].國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺，2018年.

[6]石祥鐘.水電站運(yùn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（ilab-x.com）[EB/OL].國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺，2018年.