“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”要求学生掌握“水力学”或“工程流体力学”、“水力机械”、“水电站”等课程的基本理论与知识，特别是“水锤”和“调压室”的相关知识点，并且具备基本的计算机操作能力，按照设计的实验步骤完成调压室水力特性的基本实验、调压室设计不当的事故工况、调压室非常工况的实验和调压室水力优化设计等，记录和分析实验成果，撰写实验报告，具体要求包括：        1. 理论学习        通过“水电站”课程相关章节的学习，特别是引水式水电站非恒定流（水锤、调压室）的基本知识的巩固，回答系统当中设置的相关问题，掌握引水式水电站非恒定流的基本理论。在系统中“理论测试”界面，选择“预习”，对设置的水电站非恒定流理论题库进行学习，然后选择“测试”界面，对题库中随机产生的测试题进行回答，系统自动进行评判，给出理论测试得分。        2. 实验认知        了解引水式水电站进水口、引水隧洞、水轮发电机组、调压室和水电站厂房等的布置，以及各部分的特征，并了解他们的构造及主要设备。从主界面进入“虚拟仿真”，选择“引水式水电站虚拟仿真漫游”，并“开始”，根据屏幕提供的菜单分别放大和全景观察进水口、引水隧洞、各种类型的调压室、水轮发电机组、水电站厂房各部分的构造及原理展示，也可点击相关部件展示内部的构造。在观察过程中回答系统给出的考核题，系统自动判分。        3. 基本实验        针对影响调压室涌波的诸多因素，分别独立研究某个参数对调压室涌波的影响，通过完成设计的实验内容，找出规律性关系，掌握调压室的基本水力特性。实验内容分为七个子模块，分别研究机组甩荷/增荷、水库水位、引水隧洞糙率、压力管道糙率、阻抗孔面积、调压室类型以及导叶初始开度与调压室涌波的关系，找出规律性结论。针对每一子模块，在界面上的选值范围内任意设定一个值，其余参数为默认值，按下“开始实验”键，通过屏幕上的虚拟压力仪表观察输水系统各部位的压力变化情况，以及虚拟的水位计观察和记录调压室水位的变化情况，重复进行2组或3组实验，找出相应参数与调压室最高涌波的关系，实验完成后，弹出该子模块考核题，根据答题情况，获得该子模块相应的实验分数。        4.研究探索实验        调压室设计的基本尺寸是由调压室的水力计算确定的，影响水力计算的因素有很多，综合考虑多个参数对调压室涌波的影响进行实验。通过实验，对影响调压室水力现象的各种因素进行优化参数组合，寻找能够满足调压室设计规范的设计参数，培养学生的基本科研素质。进入“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”，选择“研究探索实验”开始实验，分别通过设定不同的实验条件，通过屏幕上的虚拟压力仪表观察输水系统各部位的压力变化情况，以及虚拟的水位计观察和记录调压室水位的变化情况，完成五个子模块的实验，实现调压室水位的超上限工况、超下限工况、先增后甩组合工况、先甩后增组合工况，并最终完成调压室优化设计。依据实验的实现过程和结论获得相应的实验分数。        5. 实验报告        通过对实验数据进行分析，得出实验结论，培养实验报告的写作能力，以及分析问题和解决问题的能力。        在主界面上 “实验结果”中选择“模板下载”，下载实验报告的格式模板，在“实验结果”中在线查看和导出实验数据，并对导出实验数据和参数变化过程曲线进行分析，在线下由学生独立完成实验报告的撰写，然后在主界面选择“实验结果”中 “实验报告”栏“上传”键进行上传，将实验报告提交给教师评阅。

教学研究课题：

[1]留学生英文授课精品课程(水力发电工程/Hydroelectric Engineering)，河海大学，2019年~2020年。

[2]“互联网+”视域下的“水电站”数字教材建设研究，江苏省，2018年~2019年。

[3]高等学校水利学科专业规范核心课程教材及数字教材《水电站》，教育部，2018年~2020年。

[4]学术学位研究生核心课程《水电站与泵站水力学》，国务院学位委员会，2018年~2020年。

[5]水利工程专业基地导师指导实践的关键问题研究，全国工程专业学位研究生教育指导委员会，2014年~2015年。

教学研究论文：

[1]“新工科”理念下生产实习读图模式的创新与实践—以水利水电工程专业为例，工业和信息化教育，2021年。

[2]Experimental and simulation-based investigations on throttle’s head loss coefficients of a surge tank. Energy Science and Engineering, 2020.

[3]关于保证专业课程教学质量的几点思考，高教论坛，2008年。

[4]剖析抽水蓄能电站课程的教学思路,河海大学学报(哲学社会科学版),2004年。

[5]基于整体工程观的水利类专业本科毕业设计团队构建和实践,大学教育(已录用)。 

获得教学奖励的情况：

[1]江苏省高等学校教学管理研究会实践教学年会优秀论文，2020年。

[2]“水电站”课程获评国家精品课程，排名第3，2010年。

[3]“水电站”课程获评国家精品资源共享课程，排名第3，2013年。

[4]“水电站”课程获评江苏省在线开放课程，排名第3，2016年。

[5]河海大学优秀主讲教师，2013年。

[6]“水电站”多媒体课件获江苏省优秀多媒体课件一等奖，2008年。

[7]河海大学毕业设计优秀指导教师，2018年和2020年等。

在设置调压室的引水式水电站中，基于全面的水力设计，确定经济合理的调压室布置方式和结构型式，在有效控制和降低输水系统沿线水锤现象的同时，确保调压室的水力安全和结构安全，是水电站安全稳定运行的重要保障，而真实水电站运行后一般又不允许任意进行事故甩荷等非常工况的试验，以及调压室运行事故的不可重复性。因此，融合“水电站”课程中相关知识点的教学实践和与调压室优化设计密切相关的科学研究，设计“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”。该虚拟仿真实验依托电站为锦屏二级水电站，位于四川雅砻江锦屏大河湾上，装机规模480万千瓦，是我国西电东送战略性关键工程，对推进国家西部大开发、优化电源结构发挥了重要作用。电站利用4条世界埋深最大、规模最大的引水隧洞群，截弯取直、穿越了雅砻江锦屏大河湾2000多米埋深的地质条件异常复杂区域，存在超埋深超高地应力、超高压大流量岩溶地下水、超深埋隧洞成洞、复杂水力瞬变流等世界性技术难题；电站上游调压室是世界上规模最大的差动式调压室,其隧洞长度长,引用流量大,调压室内的升管隔板与大井底板将承受60～70 m的巨大差动压差,对其结构设计技术难度处于世界前列。结合锦屏二级水电站的工程特点和引水发电系统的布置设计,“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”能够在实现引水式水电站(地下式建筑物)实验认知和调压室水力特性虚拟仿真实验的同时，直观而准确地反映出我国水力发电工程建设的增长规模、关键技术和创新水平。

        “水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”通过模拟地下引水式水电站，从地形、地貌以及地质条件，到水电站主要建筑物，包括挡水建筑物、进水建筑物、引水隧洞、水电站厂房各层的主要设备、中央控制室等真实场景，利用虚拟现实技术，将数值计算结果和3D模型有机结合，使学生有身临其境的感觉，将现实中无法让学生亲历的场景搬进课堂，直观有效地让同学们了解水电站的内部构造、主要设备以及运行条件，同时在中央控制室可以设置不同的水电站运行工况，以及事故情况下机组负荷的变化，并且让学生通过设置不同的调压室水力设计参数，观察和记录在输水系统发生的调压室涌波现象、主要部位水锤压力的变化过程，根据设计规范，判断调压室设计的合理性。        学生在学习“水电站”课程时，通过“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”，能够任意模拟水电站的运行参数和运行工况，实验分析调压室的水力特性及其影响参数，联系课程学习中水锤和调压室的有关理论，整理分析实验结果，总结得出实验结论，加深对理论学习的认识，提高实践能力。       “水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”共涵盖12个知识点：        1.水锤现象；        2.水锤压力沿管道长度的分布；        3.上下游水位对水锤压力、机组转速的影响；        4.机组负荷变化对水锤压力、机组转速的影响；        5.调压室功用；        6.调压室的工作原理；        7.上室式调压室水位波动的特点；        8.差动式调压室水位波动的特点；        9.上下游水位对调压室涌波的影响；        10.引水隧洞糙率对调压室涌波的影响；        11.阻抗孔面积对调压室涌波的影响；        12.机组负荷变化对调压室涌波的影响。        基于此，“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”设计15个交互性实验步骤：        1.理论学习，包括1个交互性实验步骤。实现上述12个知识点的预习和掌握；        2.实验认知，包括1个交互性实验步骤。设计的不同场景包括进水口、输水隧洞、调压室和水轮发电机组及其厂房的仿真模型，能够真实体现相应建筑物或装置的客观结构、主要功能，以及水流在其中的运动规律和相应的水力特性，对应上述知识点5-8；        3.基本实验，包括7个交互性实验步骤。通过不同的参数设置，研究机组甩荷/增荷、水库水位、引水隧洞糙率、压力管道糙率、阻抗孔面积、调压室类型以及导叶初始开度与调压室涌波的规律性关系，对应上述12个知识点；        4.研究探索实验，包括5个交互性实验步骤。设计针对性的参数设置，实现调压室非常工况和可能的事故工况的实验，进一步结合调压室的水力特性及其影响因素，进行优化参数组合，寻找能够满足调压室设计规范的设计参数，对应上述12个知识点；        5.实验报告，包括1个交互性实验步骤。结合在线实验数据，完成实验成果的整理和分析，并撰写实验报告，在线提交评阅。实现上述12个知识点的理解和巩固。

        水电站是将水能转换为电能的综合工程设施，涉及水、机、电等各方面知识，运行工况复杂，涉及的知识面广。水电站物理实验成本大，风险较高，重复性较差，有些实验内容无法实现，通过虚拟仿真实验项目能够弥补这些不足，培养学生的专业实践能力。在设置调压室的引水式水电站中，基于全面的水力设计，确定经济合理的调压室布置方式和结构型式，在有效控制和降低输水系统沿线水锤现象的同时，确保调压室的水力安全和结构安全，是水电站安全稳定运行的重要保障。因此，“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”的课程目标包括：        1.重演调压室事故，以事故防控为目标，立足调压室水力优化设计        通过该虚拟仿真实验重演可能出现的调压室事故，并通过调压室水力优化设计，实现有效的事故防控。调压室的水力设计涉及引水发电系统的诸多参数，包括运行水位组合、引水道糙率和水轮机组带荷水平等，依托“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”，能够任意设定和模拟水电站输水系统的相关参数，以及机组运行工况，涵盖可能发生的非常工况，观察和记录机组负荷发生变化时，输水系统中调压室的水力现象，主要包括调压室水位波动过程的衰减速度、最高水位和最低水位，以及特征断面的压力变化和压力极值，以评估所设计调压室类型和体型参数的合理性，为进一步的水力优化设计提供可靠的技术支撑。        2.创新教育方式与手段，培养卓越科技人才        “水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”系统本着“能实不虚”的原则，利用虚拟现实技术，基于数值计算结果和3D模型的有机结合，让学生身临其境，在认识引水式水电站组成建筑物和构造的同时，将真实水电站工程中难以观测到的引水系统调压室水力现象以及非常工况，通过不同的实验步骤重现和展示，进一步结合参数设置，开展水电站调压室水力设计虚拟仿真实验，实验过程中可通过可视化实景展现调压室的水力现象，亦可通过曲线和数值形式展现参数的变化。学生可以结合理论学习，对虚拟实验数据加以分析，得出结论。通过该虚拟仿真实验，学生对引水式水电站输水系统调压室的水力现象会有一个直观充分地认识，同时也深化对水电站课程专业知识的理解和掌握。        3.秉承立德树人，凸显课程思政元素，增强学生的责任担当        目前我国水力发电装机规模和年发电量均居世界第一；水力发电行业由弱到强，从规划设计、施工组织、建设管理、技术装备的多方位落后，发展到如今的全产业链全球领先，取得了“世界水力发电看中国”的巨大成就。雅砻江锦屏二级水电站是我国西电东送战略性关键工程，对推进国家西部大开发、优化电源结构发挥了重要作用。“水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”依托锦屏二级水电站的工程特点和引水发电系统的布置设计,能够很好地反映出我国水力发电事业的增长规模和技术水平，增强学生的民族自豪感和从事水利水电事业的责任担当。        4.夯实专业基础，激励创新思维和探索研究        通过本虚拟仿真实验，融合系列专业综合知识，依托新工科对数学建模和工程实践能力的培养，巩固和深化学生对水利水电工程专业的认知和理解；通过对基本理论、系统参数和物理现象关联性的实验探究，提高对引水式水电站工程特别是调压室的优化设计和运行安全问题的分析能力，训练学生对重大工程问题甚至是事故现象合理有效处置的能力。通过本虚拟仿真实验，强化学生学习的主动性、独立性和合作性训练，巩固提升学生的创新思维。

        “水电站调压室水力设计虚拟仿真实验”中，结合答题或实验过程，记录每一步骤的测试分数或实验结果，完成虚拟仿真实验后，下载分析实验数据和撰写上传实验报告，作为评估实验成果与结论的重要内容。该虚拟仿真实验成绩评定满分为100分，按实验步骤以及结合实验要求的完成情况，分为客户端版后台计分与教师评价两部分组成，形成全面的考核评价体系。具体包括：        1. 理论学习（10分）        完成预习并在线测试，实验设计了10道理论测试题，每题1分，答对1题得1分，答错不得分。        2. 实验认知（10分）        完成引水式水电站各组成建筑物的虚拟参观并在线测试，实验设计了10道测试题，每题1分，答对1题得1分，答错不得分。        3. 基本实验（40分）        实验内容分为七个子模块，分别研究机组甩荷/增荷、水库水位、引水隧洞糙率、压力管道糙率、阻抗孔面积、调压室类型以及导叶初始开度与调压室涌波的关系。每一子模块完成后，弹出考核题，根据答题情况，获得该子模块相应的实验分数。“机组甩荷和增荷工况下的调压室涌浪特性”子模块完成2组实验，找出规律性关系，并在线答题，设4道考核题，答对1题得1分，答错不得分，合计4分；其余6个实验子模块中，每个子模块均完成3组实验，找出规律性关系，并在线答题，设4道考核题，答对1题得1.5分，答错不得分，每个子模块合计6分，共6×6=36分。基本实验部分合计4+36=40分。        4.研究探索实验（10分）        实验内容分为五个子模块，分别实现调压室水位的超上限工况、超下限工况、先增后甩组合工况、先甩后增组合工况，以及调压室优化设计。依据实验成果分别进行评分，若完成每一子模块相应的实验目标，得2分，否则不得分，合计5×2=10分。        5.实验报告（30分）        依据实验报告结构的完整性(权重1/6)、文字和图表的规范性(权重1/3)、结论的准确性(权重1/2)进行评分，合计为30分。