1、实验方案设计思路
拱坝模型实验在水利水电工程专业的实验教学中的地位虽然重要，拱坝 结构最为典型的坝型之一，其结构认知、受力实验，是水利水电工程专业本科 教学的核心支撑实验。但是许多高校，由于拱坝结构模型实验准备耗时长，受 限于实验场地、台套数及实验材料的不可重复性问题，实验多为演示实验，教 学过程中互动较少、学生很难直观了解拱坝工作特点。虚拟仿真实验补充了这 个缺憾，对本科阶段学生的专业素质培养、动手实践能力提高、面向行业需求 等均具有重要意义。考虑到该类实验在本科教学中不可或缺，因此，目前有条 件的高校是采用集中观摩的方式开展实验教学。
拱坝结构模型虚拟仿真实验可以贯穿水利水电工程学生本科学习生涯全 过程。本实验项目不仅能服务于水工建筑物这一门课程的教学，也是工程材料、 水工混凝土结构设计、水利工程施工等多门专业课程知识结构的综合体现。水 利水电工程专业的学生在本科四年的学习过程中均能从中找到自己的兴趣点， 在预习新知识时可以通过直观感受模糊认知相应的知识点，在理论学习的同时 加深对知识点的理解，在科技创新过程中用来拓展学生的识面。
在虚拟实验过程中，当学生操作或者选择参数错误时，系统会自动报错， 并提示知识点及正确的操作方法，学生能够及时得到反馈，从而巩固知识的学 习。比如实验材料选择不对时，就有相应的提示，并引导学生想顺利进行下一 步，同时记录学生的操作结果，纳入实验考核分数。
可多次实验，多次尝试，侧重于补充实体实验的不足，完善实验教学体 系。正常情况下，实体实验只做一次，而虚拟仿真可以通过改变参数重复多次； 对于坝体制作、设备安装以及实验加载等过程，因为学生没有实际操作的经历， 所以在项目中着重增加了多步交互操作，作为实体实验的补充。
本实验项目应用三维虚拟仿真技术达到高度仿真、沉浸式教学的目的， 包含了拱坝相似比尺选择、加载方式选择、工况设计、加载、受力分析等全部 实验过程的交互式操作。该项目与华北水利水电大学自身的学科优势相结合， 依据已有的科研项目，仿真实验的全部环节依据真实实验、仿真实验的全部数 据来源于真实实验结果。本仿真项目在弥补实体实验难以开展的同时，还具有 学生参与设计、受力特征可见、破坏过程可逆等实体实验无法具有的优势。
2、教学方法创新
① 任务驱动式下独立自主学习
负责实验的老师在实验初期给与学生教学任务及目标，先让学生学习“实 验目的”、“实验原理”、“实验设备”、“实验过程”，并以实验观察角度 了解实验对象，充分认识拱坝的结构形式及运行工况，知识点学习过程中会随 机弹出相关问题，解答后给与相应的平时成绩。既是对《水工建筑物》课程中 拱坝知识点的巩固学习，又是对实验过程的认真梳理。
② 集中指导与独立完成相结合，以学生独立操作为主。
集中指导首先是在水工结构实验室，带领学生集中参观已经做好了拱坝模 型实验，老师讲解，学生提问，给学生以直观的印象，同时老师也把知识点在 这个过程中进行了讲授。集中指导第二场所是在在虚拟仿真实验室、机房或其 他场所，由教师集中指导学生进行相应的实验操作，并讲授相关的专业知识； 如果学生认为自己初次成绩不理想，或者对某些专业知识有温故知新的需求， 可以借助网络利用 PC、手机、平板等终端设备，学生能随时随地完成拱坝结 构模型实验进行仿真实验学习。
③ 互动教学及时反馈
在拱坝结构模型虚拟仿真实验中，在每个实验步骤，都实现了人机互动， 学生每做一次选择系统就能给予互动，如果选择错误，系统及时提示，并指出 问题所在，引导正确选择。在实验中学生可以自主选择一种拱坝运行工况作为 实验工况，系统根据所选工况匹配相应的实验场景。
3、评价体系创新
评价体系包括操作全覆盖考核、线上操作、实验报告三部分的加权组合：
① 根据教学大纲要求，把实验前准备、实验步骤、实验报告三个方向进行 考核。基于所有操作步骤的全覆盖考核，对部分步骤操作的正确性，尝试次数 进行评价和记录，结果对学生本人和负责教师可见。
② 在实验准备和实验结束后，设置线上操作，其正确性、打错次数作为评 价标准，部分重要问题还会作为下一步仿真实验的进门要求。
③ 考虑到本项目提供的比尺选择和加载设计模块，线上实验报告也作为评 价方法之一，需要负责教师对学生设计思路和实验效果给出评价，并可与学生 进行线上交流。
4、对传统教学的延伸与拓展
本虚拟仿真实验可以作为理论教学的重要辅助手段。课堂教学，教师主要 借助于 PPT、板书等手段讲解相应的专业知识，学生有时很难按照老师的讲述 想象出相应的结构或实验过程，借助于本实验项目的虚拟呈现，学生可以直观 地看到什么是拱坝结构、拱坝结构工作工况和受力特征等。
缩短实验时长，开设实验教学的第二课堂。本项目与传统教学课程的契合 度较高，能够很好地与传统教学进行对接和延伸拓展，通过 4 个学时的时长， 可以直接与原有实验观摩课程相结合，完成相关教学大纲的要求；在课堂以外， 拓展了更为灵活、生动，以学生为中心的课堂外学时模式，高效的完成原有课 程的教学内容。
4、培养学生科学探索和科技创新的能力
由于该类实验在水利类专业本 科教学中的重要性，对于非水利类专业或水利类专业低年级学生，由于本项目， 也同样适用。学生可以利用本项目，将自己的想法与设计思路在本系统中不断 的重复实验，仔细观察与分析改变参数的变化，寻找创新点，并进一步加以研 究，同时为鼓励学生自主探索，实施个性化教学、课题翻转、MOOC 等新思路 和拓展提供了可行方法。