平原地区水闸施工全过程虚拟仿真实验的建设探讨

唐双成 袁承斌

摘  要：工程高素质应用型人才，对工科专业课程教学提出了更高的要求。本文引入虚拟仿真实验技术提高水利工程施工课程实践部分的教学效果，分析虚拟仿真实验技术在水利工程施工课程引入的必要性以及满足的基本条件;探索虚拟仿真实验技术应用在平原地区水闸施工全过程中的基本框架。以期采用虚拟仿真技术提高学生掌握水利工程综合知识的能力。

关键词：水利工程  施工  虚拟仿真  水闸

中图分类号：G642                              文献标识码：A                   文章編号：1674-098X（2020）09（c）-0033-03

Abstract： Engineering high quality applied talents have put forward higher requirements for the teaching of engineering courses. In this paper， virtual simulation experiment technology is introduced to improve the teaching effect of the practical part of hydraulic engineering construction course.The necessity of introducing virtual simulation experiment technology into the course of hydraulic engineering construction and its basic conditions are analyzed. The basic frame of the application of virtual simulation experiment technology in the whole construction process of sluice in plain area is explored. In order to improve students' ability to master comprehensive knowledge of hydraulic engineering by using virtual simulation technology.

Key Words： Hydraulic engineering; Construction; Virtual simulation; Sluice

虚拟仿真技术又称虚拟实现，是采用计算机构建系统实现真实系统再现[1]。其具有沉浸性、交互性和构想性，使人们能自然的沉浸其中，并拥有交互效能多维化的信息环境[1-2]。虚拟仿真技术已率先在游戏娱乐、房地产开发以及三维地理信息系统方面应用;近年来，虚拟仿真在石油化工、固体力学等方面也进行了积极开拓性的实验探索。水利工程施工是水利类高等本科院校的核心专业课程，一般在大学第三年下学期或第四年上学期开设，且课程一般需要安排10～20d不等的工程现场参观学习时间，课程学习过程中对以前学习的水工建筑物、水力学以及钢筋混凝土等专业前导基础课程进行系统的综合，这些课程与水利工程施工课程交叉性较强[3-4]。水利工程施工要求学生掌握和运用各分部分项的施工技术、具体的施工程序以及施工组织等基本原理。水利工程施工综合性强、资源消耗大、设备体积大、成本高、周期长，但学生现场实训时间有限，学生很难在实际项目的全部岗位和所有工程实施环节中受到完整地实践能力训练，难以满足水利工程高素质应用型人才工程实践能力培养的需求。针对平原地区水工建筑物施工的特点，选择典型水工建筑物——水闸进行虚拟仿真实验的探索，以虚拟仿真作为辅助提高教学质量。

1  虚拟仿真实验项目选题建设的必要性

水利工程施工是水利水电工程与农业水利工程两个专业的必修课程，也是水利工程实体建设的关键和核心，具有实践性与综合性强的特点。针对平原地区水工建筑物进行施工教学是其专业主要特色，在全国水利类高校中，特色鲜明。通过前期的调查研究发现，与水闸施工全过程相关的虚拟仿真实验项目仍然空缺;同时，水闸实体施工周期长，实验构建体积大、成本高、难度大，学生去施工现场旁站观看，只能观看局部环节施工过程，无法做到对水闸所有施工环节进行学习，也不能从整体上认知学习水闸施工的全过程;与此同时，近年来大型水工建筑物规划建设越来越少，选择建设中且典型的工地让学生现场观摩学习也越来越难。与此同时，相当一部分学生毕业后会直接从事工程施工工作，另外从事设计与管理的同学也非常需要熟悉施工方面的内容，而施工过程虚拟仿真实验正好有助于本门课程的掌握，可解决学生的迫切需求问题。

为此，本项目选择平原地区典型水工建筑物——水闸进行虚拟仿真实验，让学生对水闸施工的全过程有一个很直观的认识和思考过程，同时学生借助虚拟设计技术能够进行多样化设计，实现复杂环境下的水闸施工过程的合理配置，达到学生与工程的多层次互动和深层次交流，实现理论与实践的紧密结合，解决过去施工实习只能熟悉部分施工过程、动手能力差的弊端，以实现预期的教学目标，提高教学质量。

2  虚拟仿真实验建设的基本条件

强大的教学团队要求老师们具有丰富的施工、监理与咨询工程经验，需要老师们依据虚拟仿真实验目标，提供实验建设的基本思路，配套提供大量的工程实例以及对应的案例素材;与此同时，团队的老师们要熟悉国家以及地方水利工程质量检验评定规范、监理检测规范、强制性条文等。

尋找专业的虚拟仿真网络服务公司提供技术支撑，该公司应拥有计算机仿真技术、虚拟现实技术、网络技术开发与推广的能力，且最好具有高等院校、职业院校或者科学研究院虚拟仿真实验室的建设经验，能够综合考虑教学服务性以及人才的培养目标。

网络、计算机条件要求：（1）计算机PC端和设备建议使用Microsoft Windows 7/8/10操作系统;（2）PC端：Intel Core i3/i5双核四线程桌面或移动低电压处理器（或同级双核x86构架AMD处理器），主频2.0GHz，4GB内存，硬盘≥2GB，1GB独立显卡;（3）移动客户端要求双核处理器，主频1.6GHz，至少保留2GB的ROM存储空间;（4）网络带宽≥10M;（5）能够提供的并发响应数量并发用户数量1000，提供在线排队提示服务。

完善的虚拟仿真实验室有利于实现老师主导，学生主体的教学方式，有助于学生对知识的快速掌握和理解;但完善的虚拟仿真实验室需要消耗一定的财力、人力和物力，因此，需要各级领导的重视和支持。

3  水闸虚拟仿真实验教学项目的建设思路

针对平原地区水闸进行施工全过程虚拟仿真实验，能够反映水闸的整个施工过程，做到每一步都有不同施工条件与施工方案相结合。具体的实现对水闸的导截流工程、基坑排水、基坑开挖、基础处理、钢筋混凝土工程、砌石工程、回填土工程、闸门与启闭机安装、电气设备安装、围堰拆除等施工过程进行虚拟仿真，具体见图1，每一施工步骤提供可能的数种方案选择，借助虚拟设计技术，使学生能够进行多样化设计，实现复杂环境下的水闸施工过程的合理配置，达到学生与工程的多层次互动和深层次交流。最终，学生可针对不同环境条件选择不同的施工方案，实现学生主体、老师主导的教学目标。

针对每一施工步骤要做到工程实物与可视动画相结合，图片与解说相结合，有虚有实，虚实结合，图2显示了某工程基础处理的施工仿真实景，高效、立体、全局空间分布一目了然，让学生真正的体会到多层次、模块化的思路，学生针对每一施工步骤可以做不同的选择，最终到达终点，对比不同方案的可能性。与此同时，虚拟仿真还可以与课题组老师的科研项目成果相结合，将科研成果适当的加入虚拟仿真技术展示过程中，可以拓宽学生的实验，聚焦理论知识结构。在后期的建设中，在资源和财力允许的情况下，可以把不同施工步骤中对应的概预算也加进虚拟仿真实验中，使得整个工程从开始的围堰导截流、基坑排水，到最后的混凝土工程和围堰拆除，最后落脚在工程造价，整个系统组成一个闭环。虚拟仿真实验技术应用在实践教学中，真正的实现以学生为主体，进行多层次多模块自主选择，虚拟与工程实例相结合的教学模式，进而实现虚实互补的目标，培养学生的创新综合能力。

4  结语

水利工程施工是水利工程实体建设的关键和核心，具有很强的实践性和综合性。以平原地区水闸为典型水工建筑物，进行施工全过程虚拟仿真实验，进行多层次多模块自主选择，虚拟与工程实例相结合的教学模式。提高学生掌握综合知识的能力，通过虚拟仿真实验技术为水利工程施工课程教学带来一些新的思路。

参考文献

[1] 蒋建清，曹国辉，陈东海，等.应用型地方高校土木工程虚拟仿真实验教学中心建设探索[J].实验室研究与探索，2018，37（2）：144-149.

[2] 梁莉莉，潘欢迎，马腾.虚拟仿真实验室在“地下水与环境”教学中的优势与应用[J].实验科学与技术， 2020，18（1）：141-144.

[3] 王福来，彭玉林，孙海燕，等.“卓越计划”下水利类施工课程教学改革探索[J].教育教学论坛，2017（49）：117-118.

[4] 刘派，杨秀英，赵明雨，等.基于工作过程系统化的《水利工程施工》课程改革[J].信息记录材料. 2018，19（12）：119-121.

[5] 韩博.基于工作过程系统化的水利工程概预算课程教学改革[J].教育教学论坛，2019（13）：107-108.

[6] 徐明，熊宏齐，吴刚，等.土木工程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验室研究与探索，2016，35（2）：139-142，216.