李慶 黃楊 林振良

【摘要】本文分析水運工程施工課程傳統(tǒng)教學存在的不足，提出通過設(shè)計案例教學、融入虛擬仿真技術(shù)并采取“課前—課中—課后”相結(jié)合的教學模式的策略，以提高課程教學質(zhì)量，提升課堂效率。

【關(guān)鍵詞】水運工程施工 案例教學 虛擬仿真

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）24-0115-05

水運工程施工課程是港口航道與海岸工程專業(yè)的核心課程，涉及面廣、內(nèi)容繁雜，與工程生產(chǎn)施工緊密關(guān)聯(lián)。按照課程大綱要求，該課程不僅要求學生掌握扎實的理論基礎(chǔ)，而且明確了學生應(yīng)具備運用所學知識解決實際工程中復雜技術(shù)問題的能力。而學生在本科學習階段對水運工程實體接觸較少，缺乏直觀形象的工程印象，同時水運工程結(jié)構(gòu)很大部分隱蔽在水下，難以全面觀察，大大增加了學習的難度。為提高港口航道與海岸工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量、適應(yīng)行業(yè)建設(shè)發(fā)展需求，專業(yè)教師必須充分利用現(xiàn)代化教學技術(shù)，采用工程案例虛擬仿真教學手段，增設(shè)互動體驗環(huán)節(jié)，從而降低課程學習難度，提升學生的專業(yè)技能和實踐能力。

一、傳統(tǒng)教學模式存在的不足

受限于晦澀的概念和刻板的三視圖，大多數(shù)學生難以充分把握建設(shè)工程項目的全貌及施工全過程，更難以接觸水運工程施工技術(shù)的精髓，以至于無法充分掌握工藝技術(shù)，對水運工程施工課程的學習往往僅能止步于教材理論層面。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)教學模式下水運工程施工課程教學仍存在教學方法及考核模式單一的現(xiàn)象。水運工程施工課程從內(nèi)容上可以分為施工技術(shù)和組織管理兩大部分。依據(jù)大綱，教師授課時往往把工程整體拆分、獨立成章，導致施工過程內(nèi)容與組織管理的內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性弱、邏輯關(guān)系跳躍性大、連貫性差。在這種教學模式下，場景教學易流于概念化，很難提起高職學生的學習興趣。由于課時的限制和內(nèi)容的繁雜，在教師主講、學生主聽的課堂上，往往是教師講得抽象，學生聽得迷糊。而考核主要以期末筆試為主，學生通過誦記相關(guān)概念，常常就可以得到及格分數(shù)，難以如實反映學生對知識理解和掌握的情況，也無法體現(xiàn)學生運用知識解決工程復雜問題的能力。

這就造成了學生對工程施工認知有限的現(xiàn)狀。在傳統(tǒng)平面化教學的模式下，學生雖已學習前導課程，但依舊缺乏必要的工程結(jié)構(gòu)整體認知，更難以把握細節(jié)。水運工程施工與學生常見的房屋建筑、市政工程施工存在著很大的差異，施工過程需要考慮風、波浪、水流、水深及地質(zhì)等對工程施工的影響，且大部分以水上施工為主。疏浚工程、大型預制構(gòu)件吊裝等施工需要使用專用的船機設(shè)備，是區(qū)別于其他陸地工程施工的重要標志，加之水運工程建設(shè)參建單位多、現(xiàn)場人員與設(shè)備密集、多屬臨水作業(yè)，危險因素多。在課堂教學結(jié)束之后，學生仍然缺乏施工經(jīng)驗或現(xiàn)實體驗，仍然不明白水運工程結(jié)構(gòu)類型特點、不熟悉水上施工環(huán)境、不了解所用船機設(shè)備性能、不清楚施工工序流程，導致教學效果難以有效提升，甚至埋下安全生產(chǎn)事故隱患。

因此施工企業(yè)一般都為新進員工設(shè)定為期一年的見習期，以“師帶徒”的形式進行見習工作，達到一定的熟練程度后方可安排新進員工承擔某一分項工程的施工管理任務(wù)。而在現(xiàn)階段的教學模式下，學生難以得到持續(xù)的見習機會或頂崗工作機會。盡管已經(jīng)開展了一定程度的產(chǎn)教融合教學試點，但是施工企業(yè)基于安全生產(chǎn)考慮，學生到崗后較少在施工作業(yè)現(xiàn)場開展具體工作，更多的是在室內(nèi)從事文案方面的工作，基本游離于工程現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境之外，很少通過實踐基地教學提升專業(yè)技能，導致學生參與實際工程生產(chǎn)深度不足、理論知識無法運用到實處，導致實習效果不佳、能力無法得到有效的鍛煉，團隊意識和責任心培養(yǎng)也收效甚微，難以達到人才培養(yǎng)質(zhì)量要求。

二、基于虛擬仿真的案例教學實踐

基于當下教學背景，北部灣大學建筑工程學院（以下簡稱“學院”）著手基于案例虛擬仿真的教學改革工作，以改變目前傳統(tǒng)的以教師為中心的教學模式，通過開展小組教學活動，以工程實際施工過程為主線，以虛擬仿真技術(shù)為抓手，增加工程施工的被感知、認識和想象程度，引導學生動手參與課程教學，以降低課程學習難度，提高學生學習積極性。通過設(shè)置典型工程項目的三維建模、施工過程虛擬仿真和施工方案編寫的訓練，在提高學生識圖繪圖能力和組織協(xié)調(diào)能力的同時，培養(yǎng)學生遵守行業(yè)規(guī)范、行業(yè)標準的意識，培養(yǎng)學生的全局意識、團隊意識和責任心，從而提高學生的綜合素養(yǎng)。

同時，教學團隊不斷完善課程考核方式，形成一套行之有效的課程考核措施。主要采用平時成績和課程結(jié)束后理論知識考核相結(jié)合的考核模式，即平時成績以三維建模和分項施工方案編制為主要考核內(nèi)容，考核建模技能水平和課程知識的理解、掌握和綜合應(yīng)用的能力。期末課程結(jié)束后，采用理論考試的方式檢查學生對施工概念、施工原理、工藝流程等知識的掌握情況。以平時成績?yōu)橹鳎碚摽荚嚍檩o，按比例給出課程綜合成績。以下，將以廣西某執(zhí)法綜合基地碼頭作為重力式碼頭課程教學的主要案例，基于案例虛擬仿真的施工課程闡述教學改革策略。

（一）設(shè)計教學案例

案例教學模式有利于調(diào)動學生學習興趣、提高解決工程實際問題的能力，謝艷霞等通過開展全過程案例教學有效提高了學生高層次分析和實踐創(chuàng)新能力，證明了案例教學是一種行之有效的教學方法；李娟等指出案例教學在學生的學習過程中可以得到較高的認可度，并對知識的學習具有啟發(fā)性和持續(xù)性。故教學中引入恰當?shù)墓こ贪咐?，對水運工程施工課程的教學非常重要。

教學團隊在充分分析碼頭結(jié)構(gòu)類型、施工內(nèi)容、施工環(huán)境及建設(shè)規(guī)模等因素的基礎(chǔ)上，選擇廣西某執(zhí)法綜合基地碼頭作為重力式碼頭課程主要案例進行教學。該工程碼頭岸線長度236 m，以2 000 t執(zhí)法船作為設(shè)計船型，工程施工內(nèi)容不僅包括一般的土石方工程和鋼筋混凝土工程，而且包含了疏浚工程、基床拋石夯實整平、構(gòu)件預制安裝、胸墻澆筑和面層工程等水運工程典型施工項目，還涵蓋了抓斗船、炸礁船和起重船等多種水上施工設(shè)備，工程內(nèi)容豐富，技術(shù)多樣，能滿足教學要求。

授課主線設(shè)定為工程的實際建造過程，關(guān)鍵環(huán)節(jié)則安排各分項工程施工過程。其中，教學團隊以施工原理和工種工序為聯(lián)系紐帶，將課程內(nèi)容中的知識點與碼頭施工過程深入融合，并遵循“整體—局部—整體”的原則。教學首先從引導學生在整體上認識碼頭的平面布置，讓學生學會區(qū)分陸域工程和水工工程、判斷工程所屬結(jié)構(gòu)類型，熟悉工程尺度、水文地質(zhì)條件等。其次，按《水運工程質(zhì)量檢驗標準》（JTS-257-2008）對工程進行分項工程層級劃分，并要求學生明白這些分項工程所處的位置、作用、組成材料及施工方法等。最后，由下至上，以各分項工程構(gòu)成分部工程，由分部工程構(gòu)成單位工程，直至完整的工程項目。工程主要施工內(nèi)容及工序流程如圖1所示。

（二）融入虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)在實踐教學、工程施工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，實際工程中多借助虛擬仿真技術(shù)并利用計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等技術(shù)利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息共同構(gòu)建一個高度仿真的、具有多種感知的虛擬環(huán)境，用戶可在其構(gòu)建的系統(tǒng)中以多維度、多視角地開展模擬、調(diào)整與分析活動。而水運工程水上施工可視性差、施工工藝復雜、施工原理晦澀難懂，在水運工程施工課程學時緊缺、學生識圖能力不高和缺乏工程實踐經(jīng)驗的情況下，教師在教學過程中利用Rhino3D、Revit等三維圖形軟件構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境下的工程施工環(huán)境、施工內(nèi)容、施工設(shè)備等模型，演示施工工藝及施工過程等內(nèi)容。充分利用虛擬仿真技術(shù)沉浸性、交互性和逼真性的優(yōu)勢，使課程涉及的水工建筑物實體可視、空間位置明確、施工邏輯關(guān)系清晰，對降低學習準入門檻和提升成績具有積極的作用。

1.施工場景建模

水深及地質(zhì)條件對水運工程水上施工影響最為嚴重。受潮汐作用影響，海平面高度隨著時間變化也不同，施工區(qū)域水深也處在不斷的變化中，不同的水深條件制約著船型大小的選擇、施工進點位置的選定和船機設(shè)備的展布。地質(zhì)條件中土質(zhì)級別也對疏浚開挖工藝的選擇、起始挖泥船種類的確定具有較大影響。

為全面展現(xiàn)施工現(xiàn)場原始水深條件，使學生對現(xiàn)場施工環(huán)境有一個直觀的認識，教學團隊首先利用CAD軟件展高程點工具，將施工前測得水深數(shù)據(jù)文件導入并寫塊。然后將其與施工平面布置圖一并寫入Rhino3D軟件中，并利用Rhino3D軟件嵌面及成面工具，繪制出原泥面和不同特征潮位面（如圖2所示）。最后通過選擇、縮放及視圖選擇功能展示，引導學生觀察并分析不同潮位各區(qū)的水深條件，判斷水深是否滿足船舶施工最小吃水要求，評估施工現(xiàn)場周邊是否存在不利于施工的因素。利用Rhino3D軟件中的實體擠出工具，根據(jù)地質(zhì)勘探資料數(shù)據(jù)生成覆蓋層和風化巖的虛擬模型，對比設(shè)計疏浚標高確定覆蓋層和風化巖開挖范圍和厚度（如圖3所示），為后續(xù)疏浚工程船機設(shè)備和施工工藝的選擇提供依據(jù)。

2.疏浚工程模擬

查閱《疏浚與吹填工程設(shè)計施工規(guī)范》（JTS181-5-2012），根據(jù)不同級別的土質(zhì)，選擇規(guī)范推薦的疏浚設(shè)備，無吹填工藝條件下的覆蓋層開挖一般采用抓斗船施工，先由炸礁船鉆爆風化巖，施工后再由抓斗船清礁施工。在施工區(qū)水深地質(zhì)條件模型中，教師引導學生根據(jù)典型船機設(shè)備的性能參數(shù)構(gòu)建所選擇船機設(shè)備模型，通過縮放、旋轉(zhuǎn)等功能，全方位展示疏浚設(shè)備開挖施工原理、水上錨纜定位方式、船舶施工所占區(qū)域、移船移錨等內(nèi)容，說明分條、分段計算依據(jù)與方法，解釋為確保施工質(zhì)量所采取搭接工藝等內(nèi)容，最終令學生明白確定疏浚開挖分條寬度、分段長度及分層厚度的理論依據(jù)（如圖4所示）。學生在教師引導下利用工作視窗完成配置的學習，根據(jù)疏浚定額確定單船產(chǎn)能，按工程量及工期要求計算投入設(shè)備數(shù)量，分析可能存在的施工干擾，通過比選最終明確合適的船舶施工布置方式和進出施工區(qū)航路。

3.預制構(gòu)件吊裝模擬

本工程需要吊裝的大型構(gòu)件主要有沉箱和卸荷板，兩者吊裝設(shè)備、工藝基本相同，主要施工工藝為起重船預制場起吊構(gòu)件，在測量人員的指導下，通過收放錨纜，將掛載狀態(tài)下的起重船移動至指定位置，如圖5所示，然后進行安裝、檢驗，不合格則重新起吊再進行定位安裝，直至合格。教學過程中，教師利用三維圖形軟件構(gòu)建已完成基槽開挖、基床拋石的工況及起重船模型，通過改變錨纜位置、采用物件平移功能演示船舶吊運過程，全景展示構(gòu)件的起吊、運輸及安裝工作，向?qū)W生闡明吊裝工程施工原理、解釋施工注意要點，分析比較其與抓斗船開挖施工定位方式的異同，加深學生對水上施工定位的理解。

（三）采取“課前-課中-課后”相結(jié)合的教學模式

教師課前將上述工程的設(shè)計圖紙文件分發(fā)給各小組查閱學習，并安排學生開展小組學習。學習小組成員自行安排分工內(nèi)容，按照授課計劃的安排拆分工程項目，在此過程中教師引導學生利用Rhino3D、Revit等軟件按設(shè)計圖紙建模。總體而言分為以下三步，學生首先通過對工程各部分建模（疏浚工程、水工結(jié)構(gòu)、后方回填），明確施工內(nèi)容及工程量；然后將各個部分模塊整合項目，明確該工程的施工邏輯關(guān)系及工藝流程；最后結(jié)合環(huán)境條件和空間位置關(guān)系，完成施工平面布置。

課中采用三維模型、施工動畫和現(xiàn)場施工圖片相結(jié)合的教學手段。教師在分析學生前期建模過程中問題的基礎(chǔ)上，按實際生產(chǎn)主線邏輯實施教學，教學突出各分項工程涉及的施工原理、工藝工序及各階段所需的人、料、機等生產(chǎn)要素的管理，還要通過加強課堂小組討論和材料匯報等環(huán)節(jié)，加深學生對施工技術(shù)知識的理解。施工過程采用圖形軟件顯示/隱藏功能模擬，以疏浚工程為工作初始階段，由低到高依次向上顯示展開，直至面層的鋪裝工程，以此提高學生對施工工序的認識，達成具備獨立完成工程施工流程圖繪制能力的教學目標。教學過程中教師適當加入水深、水流、波浪、土質(zhì)及水域范圍大小等工況條件，分析各因素對施工的影響，訓練學生查閱規(guī)范、行業(yè)標準、選用船機設(shè)備、計算產(chǎn)能的技能。

課后分項工程施工方案的編制是課程教學的重要內(nèi)容。工程實際施工均在一定的約束條件下開展，施工方案是對施工過程進行設(shè)計，需綜合考慮各影響因素并給出解決措施，以安全經(jīng)濟合理為原則，統(tǒng)籌安排各種資源，以便各施工環(huán)節(jié)能夠環(huán)環(huán)相扣。施工方案編制結(jié)果，能有效體現(xiàn)學生在學習過程中運用知識解決工程復雜問題的能力，教師可根據(jù)存在的不足進行重點教學，做到有的放矢。

三、課程教學效果分析

開展實踐課程教學改革后，教學團隊主要從課堂效果、平時成績方面分析改革成效，同時發(fā)放問卷，找準改革的發(fā)力點。

課程學習中期，教師即向2019級港口航道與海岸工程專業(yè)的40名學生發(fā)放調(diào)查問卷，開展關(guān)于案例虛擬仿真教學手段是否有助于提升工程直觀認識、結(jié)構(gòu)原理理解等9項內(nèi)容的調(diào)查，回收有效問卷40份。問卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計如表1所示，從統(tǒng)計表中可知，大部分學生認為虛擬仿真案例教學使課程內(nèi)容直觀明了，有利于知識的掌握和運用，對課程學習有很大的幫助。

在課堂效果方面，教學團隊通過對港口航道與海岸工程專業(yè)進行連續(xù)三年的課堂教學效果監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)學生學習興趣提高、精神狀態(tài)飽滿，課堂教學互動效果好，對教師提出的實際施工問題能給出解決的思路和方案，課程教學速度更快、效率更高。

在考核方面，學生的平時成績主要來自學生的建模技能和分項施工方案編制的能力評價。根據(jù)學生提交成果分析發(fā)現(xiàn)，在建模方面，各學習小組建模成果總體完整度均較好，沒有出現(xiàn)重大漏項的現(xiàn)象，主要存在的不足是細部結(jié)構(gòu)的處理，如端部擋墻、胸墻部位的登船梯及排水涵等有所缺漏；在分項施工方案編制方面，各小組方案內(nèi)容較為完整，基本涵蓋了工程量計量、工藝流程圖、船機設(shè)備選擇、生產(chǎn)率計算和進度計劃等主要章節(jié)，主要不足是在進度、質(zhì)量、HSE管控等保證措施等方面有所欠缺，后期可通過查閱學習文獻資料和典型工程項目施工方案等方式加強理論與實際的結(jié)合，提高分項工程施工方案編制的水準。

課程結(jié)束后的考核采用閉卷考試的方式。教學團隊通過對考試成績進行分項統(tǒng)計分析，采用案例虛擬仿真教學模式的2019級學生成績較2017級、2018級學生各類型題目的平均得分率都有不同程度的提高，如表2所示（見下頁），其中提高最為明顯的是識圖工藝流程題，反映出經(jīng)過前期的學習訓練，學生識圖能力有很大的提升，同時對工程施工內(nèi)容、流程的認識更趨于全面。

綜上所述，以實際生產(chǎn)項目為背景的案例教學不僅可以提供理論知識應(yīng)用的場景、提高學生學習的興趣和解決實際問題的能力，而且可以給即將踏入職場的學生提供一份“施工技術(shù)交底”。工程信息化建設(shè)是行業(yè)發(fā)展的趨勢，采用虛擬仿真技術(shù)教學，在提升教學質(zhì)量的同時，也為學生使用虛擬仿真技術(shù)解決實際工程問題提供了訓練平臺。教學實踐證明，以實際建造的碼頭工程為背景，基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)的建施工課程教學模式，符合課程的教學要求和學生的認知規(guī)律，有助于培養(yǎng)學生解決水運工程施工問題的能力，對學生鞏固理論知識和加強理論聯(lián)系實際有很好的促進作用。

參考文獻

［1］楊少紅，吳蒙蒙，胡年明.案例教學在材料力學教學中的探索與思考［J］.大學教育，2022（7）.

［2］謝艷霞，劉志，鄒梨花，等.基于產(chǎn)教研融合視角的“粘合劑與助劑”課程教學案例的構(gòu)建與應(yīng)用［J］.高分子通報，2023（1）.

［3］李娟，鄭黎明，馬平華.基于工程技術(shù)發(fā)展的案例教學在《油氣增產(chǎn)技術(shù)》課程中的實踐與思考［J］.高教論壇，2021（2）.

［4］劉長欣，郭改文.利用虛擬仿真技術(shù)提升實踐教學的時效性［J］.河南教育學院學報（自然科學版），2019（4）.

［5］張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2013（12）.

［7］王之君，龔成勇，王昱.水利工程施工混合式虛擬仿真實驗教學設(shè)計與實踐［J］.實驗科學與技術(shù)，2022（3）.

［8］王翔，楊學紅，胡宏敏，等.基于大壩施工仿真的混凝土系統(tǒng)布置方案優(yōu)化［J］.人民長江，2022（8）.

注：本文系北部灣大學高等教育本科教學改革工程項目“基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的專業(yè)核心課程創(chuàng)新教學改革研究與探索——以《水運工程施工》為例（21JGA008）”、欽州學院高層次人才科研啟動項目“北部灣地區(qū)重力式碼頭胸墻混凝土結(jié)構(gòu)耐久性服役壽命預測分析（2019KYQD43）”、廣西教育廳高校科研項目“廣西北部灣地區(qū)海工混凝土結(jié)合面抗?jié)B性能研究（2022KY0414）”的研究成果之一。

作者簡介：李慶（1982— ），廣西大化人，碩士，高級工程師，主要研究方向為港口航道工程施工技術(shù)。