基于实践虚拟仿真的施工课程案例教学实践探究

李庆 黄杨 林振良

【摘要】本文分析水运工程施工课程传统教学存在的不足，提出通过设计案例教学、融入虚拟仿真技术并采取“课前—课中—课后”相结合的教学模式的策略，以提高课程教学质量，提升课堂效率。

【关键词】水运工程施工 案例教学 虚拟仿真

【中图分类号】G64 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）24-0115-05

水运工程施工课程是港口航道与海岸工程专业的核心课程，涉及面广、内容繁杂，与工程生产施工紧密关联。按照课程大纲要求，该课程不仅要求学生掌握扎实的理论基础，而且明确了学生应具备运用所学知识解决实际工程中复杂技术问题的能力。而学生在本科学习阶段对水运工程实体接触较少，缺乏直观形象的工程印象，同时水运工程结构很大部分隐蔽在水下，难以全面观察，大大增加了学习的难度。为提高港口航道与海岸工程专业人才培养质量、适应行业建设发展需求，专业教师必须充分利用现代化教学技术，采用工程案例虚拟仿真教学手段，增设互动体验环节，从而降低课程学习难度，提升学生的专业技能和实践能力。

一、传统教学模式存在的不足

受限于晦涩的概念和刻板的三视图，大多数学生难以充分把握建设工程项目的全貌及施工全过程，更难以接触水运工程施工技术的精髓，以至于无法充分掌握工艺技术，对水运工程施工课程的学习往往仅能止步于教材理论层面。

现阶段，传统教学模式下水运工程施工课程教学仍存在教学方法及考核模式单一的现象。水运工程施工课程从内容上可以分为施工技术和组织管理两大部分。依据大纲，教师授课时往往把工程整体拆分、独立成章，导致施工过程内容与组织管理的内容的关联性弱、逻辑关系跳跃性大、连贯性差。在这种教学模式下，场景教学易流于概念化，很难提起高职学生的学习兴趣。由于课时的限制和内容的繁杂，在教师主讲、学生主听的课堂上，往往是教师讲得抽象，学生听得迷糊。而考核主要以期末笔试为主，学生通过诵记相关概念，常常就可以得到及格分数，难以如实反映学生对知识理解和掌握的情况，也无法体现学生运用知识解决工程复杂问题的能力。

这就造成了学生对工程施工认知有限的现状。在传统平面化教学的模式下，学生虽已学习前导课程，但依旧缺乏必要的工程结构整体认知，更难以把握细节。水运工程施工与学生常见的房屋建筑、市政工程施工存在着很大的差异，施工过程需要考虑风、波浪、水流、水深及地质等对工程施工的影响，且大部分以水上施工为主。疏浚工程、大型预制构件吊装等施工需要使用专用的船机设备，是区别于其他陆地工程施工的重要标志，加之水运工程建设参建单位多、现场人员与设备密集、多属临水作业，危险因素多。在课堂教学结束之后，学生仍然缺乏施工经验或现实体验，仍然不明白水运工程结构类型特点、不熟悉水上施工环境、不了解所用船机设备性能、不清楚施工工序流程，导致教学效果难以有效提升，甚至埋下安全生产事故隐患。

因此施工企业一般都为新进员工设定为期一年的见习期，以“师带徒”的形式进行见习工作，达到一定的熟练程度后方可安排新进员工承担某一分项工程的施工管理任务。而在现阶段的教学模式下，学生难以得到持续的见习机会或顶岗工作机会。尽管已经开展了一定程度的产教融合教学试点，但是施工企业基于安全生产考虑，学生到岗后较少在施工作业现场开展具体工作，更多的是在室内从事文案方面的工作，基本游离于工程现场作业环境之外，很少通过实践基地教学提升专业技能，导致学生参与实际工程生产深度不足、理论知识无法运用到实处，导致实习效果不佳、能力无法得到有效的锻炼，团队意识和责任心培养也收效甚微，难以达到人才培养质量要求。

二、基于虚拟仿真的案例教学实践

基于当下教学背景，北部湾大学建筑工程学院（以下简称“学院”）着手基于案例虚拟仿真的教学改革工作，以改变目前传统的以教师为中心的教学模式，通过开展小组教学活动，以工程实际施工过程为主线，以虚拟仿真技术为抓手，增加工程施工的被感知、认识和想象程度，引导学生动手参与课程教学，以降低课程学习难度，提高学生学习积极性。通过设置典型工程项目的三维建模、施工过程虚拟仿真和施工方案编写的训练，在提高学生识图绘图能力和组织协调能力的同时，培养学生遵守行业规范、行业标准的意识，培养学生的全局意识、团队意识和责任心，从而提高学生的综合素养。

同时，教学团队不断完善课程考核方式，形成一套行之有效的课程考核措施。主要采用平时成绩和课程结束后理论知识考核相结合的考核模式，即平时成绩以三维建模和分项施工方案编制为主要考核内容，考核建模技能水平和课程知识的理解、掌握和综合应用的能力。期末课程结束后，采用理论考试的方式檢查学生对施工概念、施工原理、工艺流程等知识的掌握情况。以平时成绩为主，理论考试为辅，按比例给出课程综合成绩。以下，将以广西某执法综合基地码头作为重力式码头课程教学的主要案例，基于案例虚拟仿真的施工课程阐述教学改革策略。

（一）设计教学案例

案例教学模式有利于调动学生学习兴趣、提高解决工程实际问题的能力，谢艳霞等通过开展全过程案例教学有效提高了学生高层次分析和实践创新能力，证明了案例教学是一种行之有效的教学方法；李娟等指出案例教学在学生的学习过程中可以得到较高的认可度，并对知识的学习具有启发性和持续性。故教学中引入恰当的工程案例，对水运工程施工课程的教学非常重要。

教学团队在充分分析码头结构类型、施工内容、施工环境及建设规模等因素的基础上，选择广西某执法综合基地码头作为重力式码头课程主要案例进行教学。该工程码头岸线长度236 m，以2 000 t执法船作为设计船型，工程施工内容不仅包括一般的土石方工程和钢筋混凝土工程，而且包含了疏浚工程、基床抛石夯实整平、构件预制安装、胸墙浇筑和面层工程等水运工程典型施工项目，还涵盖了抓斗船、炸礁船和起重船等多种水上施工设备，工程内容丰富，技术多样，能满足教学要求。

授课主线设定为工程的实际建造过程，关键环节则安排各分项工程施工过程。其中，教学团队以施工原理和工种工序为联系纽带，将课程内容中的知识点与码头施工过程深入融合，并遵循“整体—局部—整体”的原则。教学首先从引导学生在整体上认识码头的平面布置，让学生学会区分陆域工程和水工工程、判断工程所属结构类型，熟悉工程尺度、水文地质条件等。其次，按《水运工程质量检验标准》（JTS-257-2008）对工程进行分项工程层级划分，并要求学生明白这些分项工程所处的位置、作用、组成材料及施工方法等。最后，由下至上，以各分项工程构成分部工程，由分部工程构成单位工程，直至完整的工程项目。工程主要施工内容及工序流程如图1所示。

（二）融入虚拟仿真技术

虚拟仿真技术在实践教学、工程施工等领域应用广泛，实际工程中多借助虚拟仿真技术并利用计算机技术、多媒体技术、传感器技术等技术利用现有数据信息共同构建一个高度仿真的、具有多种感知的虚拟环境，用户可在其构建的系统中以多维度、多视角地开展模拟、调整与分析活动。而水运工程水上施工可视性差、施工工艺复杂、施工原理晦涩难懂，在水运工程施工课程学时紧缺、学生识图能力不高和缺乏工程实践经验的情况下，教师在教学过程中利用Rhino3D、Revit等三维图形软件构建虚拟仿真环境下的工程施工环境、施工内容、施工设备等模型，演示施工工艺及施工过程等内容。充分利用虚拟仿真技术沉浸性、交互性和逼真性的优势，使课程涉及的水工建筑物实体可视、空间位置明确、施工逻辑关系清晰，对降低学习准入门槛和提升成绩具有积极的作用。

1.施工场景建模

水深及地质条件对水运工程水上施工影响最为严重。受潮汐作用影响，海平面高度随着时间变化也不同，施工区域水深也处在不断的变化中，不同的水深条件制约着船型大小的选择、施工进点位置的选定和船机设备的展布。地质条件中土质级别也对疏浚开挖工艺的选择、起始挖泥船种类的确定具有较大影响。

为全面展现施工现场原始水深条件，使学生对现场施工环境有一个直观的认识，教学团队首先利用CAD软件展高程点工具，将施工前测得水深数据文件导入并写块。然后将其与施工平面布置图一并写入Rhino3D软件中，并利用Rhino3D软件嵌面及成面工具，绘制出原泥面和不同特征潮位面（如图2所示）。最后通过选择、缩放及视图选择功能展示，引导学生观察并分析不同潮位各区的水深条件，判断水深是否满足船舶施工最小吃水要求，评估施工现场周边是否存在不利于施工的因素。利用Rhino3D软件中的实体挤出工具，根据地质勘探资料数据生成覆盖层和风化岩的虚拟模型，对比设计疏浚标高确定覆蓋层和风化岩开挖范围和厚度（如图3所示），为后续疏浚工程船机设备和施工工艺的选择提供依据。

2.疏浚工程模拟

查阅《疏浚与吹填工程设计施工规范》（JTS181-5-2012），根据不同级别的土质，选择规范推荐的疏浚设备，无吹填工艺条件下的覆盖层开挖一般采用抓斗船施工，先由炸礁船钻爆风化岩，施工后再由抓斗船清礁施工。在施工区水深地质条件模型中，教师引导学生根据典型船机设备的性能参数构建所选择船机设备模型，通过缩放、旋转等功能，全方位展示疏浚设备开挖施工原理、水上锚缆定位方式、船舶施工所占区域、移船移锚等内容，说明分条、分段计算依据与方法，解释为确保施工质量所采取搭接工艺等内容，最终令学生明白确定疏浚开挖分条宽度、分段长度及分层厚度的理论依据（如图4所示）。学生在教师引导下利用工作视窗完成配置的学习，根据疏浚定额确定单船产能，按工程量及工期要求计算投入设备数量，分析可能存在的施工干扰，通过比选最终明确合适的船舶施工布置方式和进出施工区航路。

3.预制构件吊装模拟

本工程需要吊装的大型构件主要有沉箱和卸荷板，两者吊装设备、工艺基本相同，主要施工工艺为起重船预制场起吊构件，在测量人员的指导下，通过收放锚缆，将挂载状态下的起重船移动至指定位置，如图5所示，然后进行安装、检验，不合格则重新起吊再进行定位安装，直至合格。教学过程中，教师利用三维图形软件构建已完成基槽开挖、基床抛石的工况及起重船模型，通过改变锚缆位置、采用物件平移功能演示船舶吊运过程，全景展示构件的起吊、运输及安装工作，向学生阐明吊装工程施工原理、解释施工注意要点，分析比较其与抓斗船开挖施工定位方式的异同，加深学生对水上施工定位的理解。

（三）采取“课前-课中-课后”相结合的教学模式

教师课前将上述工程的设计图纸文件分发给各小组查阅学习，并安排学生开展小组学习。学习小组成员自行安排分工内容，按照授课计划的安排拆分工程项目，在此过程中教师引导学生利用Rhino3D、Revit等软件按设计图纸建模。总体而言分为以下三步，学生首先通过对工程各部分建模（疏浚工程、水工结构、后方回填），明确施工内容及工程量；然后将各个部分模块整合项目，明确该工程的施工逻辑关系及工艺流程；最后结合环境条件和空间位置关系，完成施工平面布置。

课中采用三维模型、施工动画和现场施工图片相结合的教学手段。教师在分析学生前期建模过程中问题的基础上，按实际生产主线逻辑实施教学，教学突出各分项工程涉及的施工原理、工艺工序及各阶段所需的人、料、机等生产要素的管理，还要通过加强课堂小组讨论和材料汇报等环节，加深学生对施工技术知识的理解。施工过程采用图形软件显示/隐藏功能模拟，以疏浚工程为工作初始阶段，由低到高依次向上显示展开，直至面层的铺装工程，以此提高学生对施工工序的认识，达成具备独立完成工程施工流程图绘制能力的教学目标。教学过程中教师适当加入水深、水流、波浪、土质及水域范围大小等工况条件，分析各因素对施工的影响，训练学生查阅规范、行业标准、选用船机设备、计算产能的技能。

课后分项工程施工方案的编制是课程教学的重要内容。工程实际施工均在一定的约束条件下开展，施工方案是对施工过程进行设计，需综合考虑各影响因素并给出解决措施，以安全经济合理为原则，统筹安排各种资源，以便各施工环节能够环环相扣。施工方案编制结果，能有效体现学生在学习过程中运用知识解决工程复杂问题的能力，教师可根据存在的不足进行重点教学，做到有的放矢。

三、课程教学效果分析

开展实践课程教学改革后，教学团队主要从课堂效果、平时成绩方面分析改革成效，同时发放问卷，找准改革的发力点。

课程学习中期，教师即向2019级港口航道与海岸工程专业的40名学生发放调查问卷，开展关于案例虚拟仿真教学手段是否有助于提升工程直观认识、结构原理理解等9项内容的调查，回收有效问卷40份。问卷调查结果统计如表1所示，从统计表中可知，大部分学生认为虚拟仿真案例教学使课程内容直观明了，有利于知识的掌握和运用，对课程学习有很大的帮助。

在课堂效果方面，教学团队通过对港口航道与海岸工程专业进行连续三年的课堂教学效果监测，发现学生学习兴趣提高、精神状态饱满，课堂教学互动效果好，对教师提出的实际施工问题能给出解决的思路和方案，课程教学速度更快、效率更高。

在考核方面，学生的平时成绩主要来自学生的建模技能和分项施工方案编制的能力评价。根据学生提交成果分析发現，在建模方面，各学习小组建模成果总体完整度均较好，没有出现重大漏项的现象，主要存在的不足是细部结构的处理，如端部挡墙、胸墙部位的登船梯及排水涵等有所缺漏；在分项施工方案编制方面，各小组方案内容较为完整，基本涵盖了工程量计量、工艺流程图、船机设备选择、生产率计算和进度计划等主要章节，主要不足是在进度、质量、HSE管控等保证措施等方面有所欠缺，后期可通过查阅学习文献资料和典型工程项目施工方案等方式加强理论与实际的结合，提高分项工程施工方案编制的水准。

课程结束后的考核采用闭卷考试的方式。教学团队通过对考试成绩进行分项统计分析，采用案例虚拟仿真教学模式的2019级学生成绩较2017级、2018级学生各类型题目的平均得分率都有不同程度的提高，如表2所示（见下页），其中提高最为明显的是识图工艺流程题，反映出经过前期的学习训练，学生识图能力有很大的提升，同时对工程施工内容、流程的认识更趋于全面。

综上所述，以实际生产项目为背景的案例教学不仅可以提供理论知识应用的场景、提高学生学习的兴趣和解决实际问题的能力，而且可以给即将踏入职场的学生提供一份“施工技术交底”。工程信息化建设是行业发展的趋势，采用虚拟仿真技术教学，在提升教学质量的同时，也为学生使用虚拟仿真技术解决实际工程问题提供了训练平台。教学实践证明，以实际建造的码头工程为背景，基于虚拟仿真技术构的建施工课程教学模式，符合课程的教学要求和学生的认知规律，有助于培养学生解决水运工程施工问题的能力，对学生巩固理论知识和加强理论联系实际有很好的促进作用。

参考文献

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注：本文系北部湾大学高等教育本科教学改革工程项目“基于应用型人才培养的专业核心课程创新教学改革研究与探索——以《水运工程施工》为例（21JGA008）”、钦州学院高层次人才科研启动项目“北部湾地区重力式码头胸墙混凝土结构耐久性服役寿命预测分析（2019KYQD43）”、广西教育厅高校科研项目“广西北部湾地区海工混凝土结合面抗渗性能研究（2022KY0414）”的研究成果之一。

作者简介：李庆（1982— ），广西大化人，硕士，高级工程师，主要研究方向为港口航道工程施工技术。