李慶 黃楊 林振良

【摘要】本文分析水運(yùn)工程施工課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的不足，提出通過設(shè)計案例教學(xué)、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(xué)模式的策略，以提高課程教學(xué)質(zhì)量，提升課堂效率。

【關(guān)鍵詞】水運(yùn)工程施工 案例教學(xué) 虛擬仿真

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）24-0115-05

水運(yùn)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(xué)生掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且明確了學(xué)生應(yīng)具備運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際工程中復(fù)雜技術(shù)問題的能力。而學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段對水運(yùn)工程實(shí)體接觸較少，缺乏直觀形象的工程印象，同時水運(yùn)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(xué)習(xí)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(xué)技術(shù)，采用工程案例虛擬仿真教學(xué)手段，增設(shè)互動體驗(yàn)環(huán)節(jié)，從而降低課程學(xué)習(xí)難度，提升學(xué)生的專業(yè)技能和實(shí)踐能力。

一、傳統(tǒng)教學(xué)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(xué)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(yùn)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(yùn)工程施工課程的學(xué)習(xí)往往僅能止步于教材理論層面。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)教學(xué)模式下水運(yùn)工程施工課程教學(xué)仍存在教學(xué)方法及考核模式單一的現(xiàn)象。水運(yùn)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(dú)立成章，導(dǎo)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(xué)模式下，場景教學(xué)易流于概念化，很難提起高職學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于課時的限制和內(nèi)容的繁雜，在教師主講、學(xué)生主聽的課堂上，往往是教師講得抽象，學(xué)生聽得迷糊。而考核主要以期末筆試為主，學(xué)生通過誦記相關(guān)概念，常常就可以得到及格分?jǐn)?shù)，難以如實(shí)反映學(xué)生對知識理解和掌握的情況，也無法體現(xiàn)學(xué)生運(yùn)用知識解決工程復(fù)雜問題的能力。

這就造成了學(xué)生對工程施工認(rèn)知有限的現(xiàn)狀。在傳統(tǒng)平面化教學(xué)的模式下，學(xué)生雖已學(xué)習(xí)前導(dǎo)課程，但依舊缺乏必要的工程結(jié)構(gòu)整體認(rèn)知，更難以把握細(xì)節(jié)。水運(yùn)工程施工與學(xué)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(fēng)、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(yù)制構(gòu)件吊裝等施工需要使用專用的船機(jī)設(shè)備，是區(qū)別于其他陸地工程施工的重要標(biāo)志，加之水運(yùn)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(xué)結(jié)束之后，學(xué)生仍然缺乏施工經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，仍然不明白水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)類型特點(diǎn)、不熟悉水上施工環(huán)境、不了解所用船機(jī)設(shè)備性能、不清楚施工工序流程，導(dǎo)致教學(xué)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(jìn)員工設(shè)定為期一年的見習(xí)期，以“師帶徒”的形式進(jìn)行見習(xí)工作，達(dá)到一定的熟練程度后方可安排新進(jìn)員工承擔(dān)某一分項工程的施工管理任務(wù)。而在現(xiàn)階段的教學(xué)模式下，學(xué)生難以得到持續(xù)的見習(xí)機(jī)會或頂崗工作機(jī)會。盡管已經(jīng)開展了一定程度的產(chǎn)教融合教學(xué)試點(diǎn)，但是施工企業(yè)基于安全生產(chǎn)考慮，學(xué)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(shí)踐基地教學(xué)提升專業(yè)技能，導(dǎo)致學(xué)生參與實(shí)際工程生產(chǎn)深度不足、理論知識無法運(yùn)用到實(shí)處，導(dǎo)致實(shí)習(xí)效果不佳、能力無法得到有效的鍛煉，團(tuán)隊意識和責(zé)任心培養(yǎng)也收效甚微，難以達(dá)到人才培養(yǎng)質(zhì)量要求。

二、基于虛擬仿真的案例教學(xué)實(shí)踐

基于當(dāng)下教學(xué)背景，北部灣大學(xué)建筑工程學(xué)院（以下簡稱“學(xué)院”）著手基于案例虛擬仿真的教學(xué)改革工作，以改變目前傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式，通過開展小組教學(xué)活動，以工程實(shí)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(rèn)識和想象程度，引導(dǎo)學(xué)生動手參與課程教學(xué)，以降低課程學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)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(xùn)練，在提高學(xué)生識圖繪圖能力和組織協(xié)調(diào)能力的同時，培養(yǎng)學(xué)生遵守行業(yè)規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的意識，培養(yǎng)學(xué)生的全局意識、團(tuán)隊意識和責(zé)任心，從而提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

同時，教學(xué)團(tuán)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(xué)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?，理論考試為輔，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(xué)的主要案例，基于案例虛擬仿真的施工課程闡述教學(xué)改革策略。

（一）設(shè)計教學(xué)案例

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

教學(xué)團(tuán)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(jìn)行教學(xué)。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(shí)整平、構(gòu)件預(yù)制安裝、胸墻澆筑和面層工程等水運(yùn)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(xué)要求。

授課主線設(shè)定為工程的實(shí)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(xué)團(tuán)隊以施工原理和工種工序?yàn)槁?lián)系紐帶，將課程內(nèi)容中的知識點(diǎn)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(xué)首先從引導(dǎo)學(xué)生在整體上認(rèn)識碼頭的平面布置，讓學(xué)生學(xué)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(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS-257-2008）對工程進(jìn)行分項工程層級劃分，并要求學(xué)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(shí)踐教學(xué)、工程施工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，實(shí)際工程中多借助虛擬仿真技術(shù)并利用計算機(jī)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(yùn)工程水上施工可視性差、施工工藝復(fù)雜、施工原理晦澀難懂，在水運(yùn)工程施工課程學(xué)時緊缺、學(xué)生識圖能力不高和缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下，教師在教學(xué)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(shí)體可視、空間位置明確、施工邏輯關(guān)系清晰，對降低學(xué)習(xí)準(zhǔn)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(yùn)工程水上施工影響最為嚴(yán)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(jìn)點(diǎn)位置的選定和船機(jī)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(xué)生對現(xiàn)場施工環(huán)境有一個直觀的認(rèn)識，教學(xué)團(tuán)隊首先利用CAD軟件展高程點(diǎn)工具，將施工前測得水深數(shù)據(jù)文件導(dǎo)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(dǎo)學(xué)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(shí)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(fēng)化巖的虛擬模型，對比設(shè)計疏浚標(biāo)高確定覆蓋層和風(fēng)化巖開挖范圍和厚度（如圖3所示），為后續(xù)疏浚工程船機(jī)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(fēng)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(dǎo)學(xué)生根據(jù)典型船機(jī)設(shè)備的性能參數(shù)構(gòu)建所選擇船機(jī)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(xué)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(xué)生在教師引導(dǎo)下利用工作視窗完成配置的學(xué)習(xí)，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(jìn)出施工區(qū)航路。

3.預(yù)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(yù)制場起吊構(gòu)件，在測量人員的指導(dǎo)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(jìn)行安裝、檢驗(yàn)，不合格則重新起吊再進(jìn)行定位安裝，直至合格。教學(xué)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(yùn)過程，全景展示構(gòu)件的起吊、運(yùn)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(diǎn)，分析比較其與抓斗船開挖施工定位方式的異同，加深學(xué)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(xué)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(xué)習(xí)，并安排學(xué)生開展小組學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)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(dǎo)學(xué)生利用Rhino3D、Revit等軟件按設(shè)計圖紙建模?？傮w而言分為以下三步，學(xué)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(xué)手段。教師在分析學(xué)生前期建模過程中問題的基礎(chǔ)上，按實(shí)際生產(chǎn)主線邏輯實(shí)施教學(xué)，教學(xué)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(jī)等生產(chǎn)要素的管理，還要通過加強(qiáng)課堂小組討論和材料匯報等環(huán)節(jié)，加深學(xué)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(xué)生對施工工序的認(rèn)識，達(dá)成具備獨(dú)立完成工程施工流程圖繪制能力的教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)過程中教師適當(dāng)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(xùn)練學(xué)生查閱規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、選用船機(jī)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(xué)的重要內(nèi)容。工程實(shí)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(jìn)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(jì)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(xué)生在學(xué)習(xí)過程中運(yùn)用知識解決工程復(fù)雜問題的能力，教師可根據(jù)存在的不足進(jìn)行重點(diǎn)教學(xué)，做到有的放矢。

三、課程教學(xué)效果分析

開展實(shí)踐課程教學(xué)改革后，教學(xué)團(tuán)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(zhǔn)改革的發(fā)力點(diǎn)。

課程學(xué)習(xí)中期，教師即向2019級港口航道與海岸工程專業(yè)的40名學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷，開展關(guān)于案例虛擬仿真教學(xué)手段是否有助于提升工程直觀認(rèn)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(xué)生認(rèn)為虛擬仿真案例教學(xué)使課程內(nèi)容直觀明了，有利于知識的掌握和運(yùn)用，對課程學(xué)習(xí)有很大的幫助。

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

在考核方面，學(xué)生的平時成績主要來自學(xué)生的建模技能和分項施工方案編制的能力評價。根據(jù)學(xué)生提交成果分析發(fā)現(xiàn)，在建模方面，各學(xué)習(xí)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(xì)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(jī)設(shè)備選擇、生產(chǎn)率計算和進(jìn)度計劃等主要章節(jié)，主要不足是在進(jìn)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(xué)習(xí)文獻(xiàn)資料和典型工程項目施工方案等方式加強(qiáng)理論與實(shí)際的結(jié)合，提高分項工程施工方案編制的水準(zhǔn)。

課程結(jié)束后的考核采用閉卷考試的方式。教學(xué)團(tuán)隊通過對考試成績進(jìn)行分項統(tǒng)計分析，采用案例虛擬仿真教學(xué)模式的2019級學(xué)生成績較2017級、2018級學(xué)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(xué)習(xí)訓(xùn)練，學(xué)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(rèn)識更趨于全面。

綜上所述，以實(shí)際生產(chǎn)項目為背景的案例教學(xué)不僅可以提供理論知識應(yīng)用的場景、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和解決實(shí)際問題的能力，而且可以給即將踏入職場的學(xué)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(xué)，在提升教學(xué)質(zhì)量的同時，也為學(xué)生使用虛擬仿真技術(shù)解決實(shí)際工程問題提供了訓(xùn)練平臺。教學(xué)實(shí)踐證明，以實(shí)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(xué)模式，符合課程的教學(xué)要求和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決水運(yùn)工程施工問題的能力，對學(xué)生鞏固理論知識和加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際有很好的促進(jìn)作用。

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注：本文系北部灣大學(xué)高等教育本科教學(xué)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(xué)改革研究與探索——以《水運(yùn)工程施工》為例（21JGA008）”、欽州學(xué)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(yù)測分析（2019KYQD43）”、廣西教育廳高?？蒲许椖俊皬V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?yàn)楦劭诤降拦こ淌┕ぜ夹g(shù)。