虛擬仿真技術在航道工程課程教學中的應用

付小莉 黨珍珍 沈超 陳大成

[摘 要] 結合工程認證教學要求，從航道工程學教學現狀出發，挖掘航道工程學教學存在的可優化之處。將BIM與VR虛擬仿真技術與航道工程學課程設計教學需求相結合，設計了教學認知、船閘設計、作業提交3個系統模塊功能與實現流程，實現了基于BIM與VR技術的船閘課程設計虛擬仿真教學系統。該虛擬仿真系統具有場景化和沉浸感，可用于指導港航專業本科生的工程設計實踐教學，為實際工程設計教學提供了新的教學改革思路與方法。

[關鍵詞] 航道工程;虛擬仿真;船閘課程設計;線上教學

[作者簡介] 付小莉（1979—），女，江西贛州人，博士，副教授，主要從事水力學方面研究。

[中圖分類號] TV691? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0191-04? ? [收稿日期] 2020-02-06

一、引言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》明確指出，應“注重學思結合，倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學，幫助學生學會學習”[1]。為適應新形勢下社會對水利人才的需求，水利工程院校的人才培養模式正由注重基礎理論和專業知識傳授向提高工程實踐能力和創新意識轉變[2，3]。實踐教學是理論聯系實際，提高學生知識運用能力和動手能力的有效途徑，是培養學生工程實踐能力和創新意識的重要教學環節[4，5]。BIM&VR作為一種新興的視覺傳達技術，具有直觀的三維模型展現效果和場景表達效果，對于工程設計教學有非常好的輔助理解作用。為了主動適應教育和建筑行業信息化改革發展的新趨勢，針對航道工程學[6]專業性和實踐性較強的特點，以船閘課程設計為例，結合虛擬仿真技術，提出基于虛擬仿真技術的工程類專業課程設計教育教學改革思路，建立起學生探索式學習和教師點撥式引導的新型教學體系。

二、航道工程課程教學現狀

航道工程學是一門實踐性很強的專業核心課程。課程主要任務包括介紹河流及航道的特性，航道整治工程、航道疏浚工程和航道渠化工程的內容、分類、設計原則，水運工程和通航建筑物的設計等。面向“一帶一路”倡議及“長三角一體化”，在工程教育認證要求下，急需對本科生工程實踐能力教學提出更高的標準。當前教學中采用視頻、圖片、口述等教學方式來激發學生的認知能力，再通過線下課程設計及專業實踐來加強理論課的學習。這種相互脫節的理論學習、線下課程設計和專業實踐的學習模式，其效果往往不盡如人意。

1.缺乏實際工程情景教學。實際工程往往以三維立體的形式存在于現實空間中，而實際教學中單純以視頻、圖片、口述等教學方式很難去解釋一個實際工程的應用情景。學生想象力不足感覺課程繁重枯燥，跟不上教學進度，實踐環節效果不佳。

2.理論教學與工程實踐脫節。同濟大學航道工程學教學安排（如表1所示），大部分課程內容偏向理論知識講解，課后所留的習題也以概念性的思考題為主，計算與實踐微乎其微[7]，學生很難在實際工程設計方面得到實質性的訓練。在課程設計環節，學生很難建立起工程設計思路，常常感到入手困難，耗費大量時間去思考探索。教師感覺教學任務緊，僅憑現有媒介難以詳細說明船閘、丁壩等航道工程的布置特點、結構構造特點、力學性能計算及施工工藝等具體的設計細節。

3.師生之間溝通有局限。在實際教學過程中，師生之間主要通過課堂互動或者課下解答的方式對課程中的難點進行溝通，溝通時間局限于課堂，溝通地點局限于教室。

二、教學改革的思路與方法

隨著以大數據、互聯網、云計算等為特征的信息化技術的發展，作為社會輸送人才的重要基地，高校對新技術的研究和教學使用理應有足夠的前瞻性[8]。針對以上四點不足，航道工程學課程教學改革結合理論學習、線下課程設計和專業實踐的特點，將傳統的理論教學和線下課程設計整合成線上課程設計。線上課程設計可充分挖掘BIM數據價值，通過VR技術強大的效果展現能力，注重實際工程設計教學的內容制作和師生溝通效率，實現實際工程設計教學內容的直觀化、系統化，加深學生對實際工程各部分結構的認知，輔助學生進行工程結構型式的比選和設計。虛擬仿真教學建設繼承了互聯網應用的發展規律，即圍繞師生的用戶體驗，以“內容制作”為中心，它的成功建立在廣泛使用的成熟技術之上，更建立在用戶群體的普遍使用習慣之上[9]。

根據航道工程學課程理論教學與工程實踐的特點，線上課程設計系統的開發在課程教學中顯得十分必要，其改革的思路與方法可以歸納如下。

1.情景信息化實景教學。BIM&VR作為一種新興的多維虛擬現實技術，具有超強的視覺表現能力對于空間想象力較弱的同學有非常好的輔助理解作用，可有效提高學生的理論學習和實踐學習效果，提高教學水平，彌補現場實習不充分、不到位等問題。在實際教學過程中，學生可根據虛擬化場景了解船閘的功能、結構與組成（圖1、圖2）。

2.加強理論教學與實踐教學的融合。圍繞具體的工程設計如船閘設計，整合碎片化的理論教學知識點和實際的計算要素，優化課程結構，強化理論知識，將教學內容信息“系列化”和“完整化”。在線教學中體現為教學知識點的“微型化”，即每個點可以被學習者在短時間內完成。以船閘課程設計為例，在開始設計前，學生必須依據《船閘總體設計規范（JTJ305-2001）》[10]《船閘水工建筑物設計規范（JTJ307-2001）》[11]等相關規范對船閘結構設計的規范要求進行研究學習才可進入設計模塊，避免學生眼高手低，導致后續設計出現大量問題。同時，線上教學豐富了航道工程課程設計的教學方式和教學內容，學生可反復學習，克服了短時間內難以理解掌握課程設計中的重難點的弊端。

3.加強師生之間的溝通。網絡化課程設計，增加師生溝通渠道，加強師生之間的互動，提高溝通效率，便于學生及時解決設計過程中遇到的問題。師生之間的溝通地點不再受教學地點的限制，時間也不再受教學時間的限制。

三、以船閘設計為例的虛擬仿真技術設計方案

構建科學完整的線上課程設計體系，既是航道工程專業理論教學的延伸，也是實現課程設計和專業實踐目的的關鍵。對于沒有直接工程經驗的學生而言，線上課程設計可以幫助驗證、鞏固和提升專業理論知識、也可以實現專業理論、知識和技術的具體應用，即從懂到用。船閘課程設計是港航專業核心課程航道工程學教學中非常重要的環節。目前國內高校尚未有針對航道工程學[6]課程進行虛擬仿真開發的應用，以船閘課程設計為例，對線上教學設計模式的探索具有重要的現實價值和引領意義。

船閘仿真教學設計系統根據船閘總體設計規范[10]和船閘水工建筑物設計規范[11]，將航道工程學中的船閘設計課程設計模塊由傳統線下授課模式擴展為線上教學模式，打破教學時間和教學地點的限制，加強師生之間的溝通。該仿真教學設計系統應用3DSMAX軟件設計逼真的三峽船閘三維模型，用VR全景制作軟件和網頁鏈接技術制作真實的漫游場景，在場景加入船閘的虛擬分解介紹等，同時在該系統中加入船閘過閘原理動畫、答題考試、流程式設計操作等功能，搭建成一個虛擬現實可交互的師生溝通平臺。

船閘仿真教學設計系統通過三個分系統去實現學生用戶和教師用戶的登錄使用。三個分系統為教學認知分系統、船閘設計分系統、作業分系統。顯示界面包括教學認知平臺、設計操作平臺、設計過程反饋平臺、留言互動平臺、作業提交平臺、作業查閱平臺六個平臺。它們之間的邏輯關系見圖3所示。

船閘仿真教學設計系統（圖4）主要是開發面向學生的船閘設計教學管理平臺，工作原理圖見圖5所示。

教學認知平臺由專業團隊策劃兼顧知識性和可視化的船閘體驗場景，構建出上游引航道、上閘首、閘室、下閘首和下游引航道的漫游和視覺信息數據，設置漫游觀察視角，從而復現出高真實度的現場體驗。同時將船閘設計內容運用碎片化分解的思想[8]對設計要點進行提煉分解，形成知識評價模塊，供學生自我檢測和自我約束。

經過教學認知平臺的真實體驗，學生了解了上游引航道、上閘首、閘室、下閘首和下游引航道的設計形式、設計要點以及相關設計規范的要求。進入設計平臺，根據設計基本資料，按照設計平臺的工廠化設計流程，從船閘的總體設計到各個組成部分的結構形式選擇，然后到輸水系統設計，最后到閘首結構穩定計算，便可完成完整的船閘設計。設計過程中遇到的難點均可通過該平臺中的留言互動窗口反饋給教師，以便得到教師及時的回答。

學生通過整理計算方法和設計平臺的結果，完成一份完整的計算報告書;通過Revit等BIM建模軟件建立所設計船閘的三維模型，最終形成一份完整的計算報告書文檔和船閘三維模型圖，通過作業提交平臺上傳到系統當中。

教師通過教師登錄進入該系統，通過作業查閱平臺對學生提交的作業可進行查閱和下載，便于存檔管理。通過留言互動平臺可以及時查看學生在設計過程中遇到難以解決的問題和疑問。通過設計過程反饋平臺查閱學生在設計平臺上的完成進度和每一設計步的正誤情況。

四、項目研究的實踐意義與推廣價值

基于虛擬仿真技術的在線課程設計教學系統，以當下發展速度快、應用面廣的BIM建模技術和VR展現技術為改革手段，以培養港口航道與工程專業高素質、高技能人才為目標，以服務于中國一帶一路戰略和長三角一體化戰略為落腳點，結合具體的工程項目（船閘設計）對課程內容的重難點整合重構，實現了理論教學與工程實踐的對接。通過線上課程設計教學平臺，學生之間、學生與教師之間，通過系統形成了成熟的在線用戶社區。這意味著每個人都能夠在使用系統的過程中，持續地滿足自己的需要（包括學生獲取知識提升自我認同感、教師受到學生發自肺腑的感謝等），用戶對系統具有較高的“黏度”，而此時系統中傳播的內容就更容易被用戶接受[12]。

學生一方面不再拘泥于課本上對船閘等航道工程設計的概念學習和感性學習，另一方面可以全面直觀地對船閘設計的全過程有個清晰的設計理念，提高創新與實踐能力，適應我國發展對高質量創新型人才的需求。這種教學改革與實踐的成果，豐富了全過程課程設計的教學方式，增加了教學內容的趣味性，顯著提高了航道工程學課程的教學效果。可為航道工程學課程中丁壩等課程設計、港口航道與工程專業類教學設計改革提供借鑒，具有很好的推廣應用價值。

參考文獻

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[11]JTJ307-2001.船閘水工建筑物設計規范[S].北京：中華人民共和國交通部，2001.

[12]楊洪軍，孫德忠，徐娟娟.網絡環境下碎片化知識學習策略[J].教育評論，2019，236（02）：139-142.