基于實踐虛擬仿真的施工課程案例教學實踐探究

李慶 黃楊 林振良

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

【關鍵詞】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的核心課程，涉及面廣、內容繁雜，與工程生產施工緊密關聯。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，而且明確了學生應具備運用所學知識解決實際工程中復雜技術問題的能力。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，同時水運工程結構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人才培養質量、適應行業建設發展需求，專業教師必須充分利用現代化教學技術，采用工程案例虛擬仿真教學手段，增設互動體驗環節，從而降低課程學習難度，提升學生的專業技能和實踐能力。

一、傳統教學模式存在的不足

受限于晦澀的概念和刻板的三視圖，大多數學生難以充分把握建設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的精髓，以至于無法充分掌握工藝技術，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。

現階段，傳統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象。水運工程施工課程從內容上可以分為施工技術和組織管理兩大部分。依據大綱，教師授課時往往把工程整體拆分、獨立成章，導致施工過程內容與組織管理的內容的關聯性弱、邏輯關系跳躍性大、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，學生通過誦記相關概念，常常就可以得到及格分數，難以如實反映學生對知識理解和掌握的情況，也無法體現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狀。在傳統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構整體認知，更難以把握細節。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、大型預制構件吊裝等施工需要使用專用的船機設備，是區別于其他陸地工程施工的重要標志，加之水運工程建設參建單位多、現場人員與設備密集、多屬臨水作業，危險因素多。在課堂教學結束之后，學生仍然缺乏施工經驗或現實體驗，仍然不明白水運工程結構類型特點、不熟悉水上施工環境、不了解所用船機設備性能、不清楚施工工序流程，導致教學效果難以有效提升，甚至埋下安全生產事故隱患。

因此施工企業一般都為新進員工設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。而在現階段的教學模式下，學生難以得到持續的見習機會或頂崗工作機會。盡管已經開展了一定程度的產教融合教學試點，但是施工企業基于安全生產考慮，學生到崗后較少在施工作業現場開展具體工作，更多的是在室內從事文案方面的工作，基本游離于工程現場作業環境之外，很少通過實踐基地教學提升專業技能，導致學生參與實際工程生產深度不足、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也收效甚微，難以達到人才培養質量要求。

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調能力的同時，培養學生遵守行業規范、行業標準的意識，培養學生的全局意識、團隊意識和責任心，從而提高學生的綜合素養。

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束后理論知識考核相結合的考核模式，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容，考核建模技能水平和課程知識的理解、掌握和綜合應用的能力。期末課程結束后，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。以平時成績為主，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）設計教學案例

案例教學模式有利于調動學生學習興趣、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性和持續性。故教學中引入恰當的工程案例，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構類型、施工內容、施工環境及建設規模等因素的基礎上，選擇廣西某執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執法船作為設計船型，工程施工內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備，工程內容豐富，技術多樣，能滿足教學要求。

授課主線設定為工程的實際建造過程，關鍵環節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系紐帶，將課程內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，讓學生學會區分陸域工程和水工工程、判斷工程所屬結構類型，熟悉工程尺度、水文地質條件等。其次，按《水運工程質量檢驗標準》（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，以各分項工程構成分部工程，由分部工程構成單位工程，直至完整的工程項目。工程主要施工內容及工序流程如圖1所示。

（二）融入虛擬仿真技術

虛擬仿真技術在實踐教學、工程施工等領域應用廣泛，實際工程中多借助虛擬仿真技術并利用計算機技術、多媒體技術、傳感器技術等技術利用現有數據信息共同構建一個高度仿真的、具有多種感知的虛擬環境，用戶可在其構建的系統中以多維度、多視角地開展模擬、調整與分析活動。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等三維圖形軟件構建虛擬仿真環境下的工程施工環境、施工內容、施工設備等模型，演示施工工藝及施工過程等內容。充分利用虛擬仿真技術沉浸性、交互性和逼真性的優勢，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備的展布。地質條件中土質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。

為全面展現施工現場原始水深條件，使學生對現場施工環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據文件導入并寫塊。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，根據地質勘探資料數據生成覆蓋層和風化巖的虛擬模型，對比設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），為后續疏浚工程船機設備和施工工藝的選擇提供依據。

2.疏浚工程模擬

查閱《疏浚與吹填工程設計施工規范》（JTS181-5-2012），根據不同級別的土質，選擇規范推薦的疏浚設備，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。在施工區水深地質條件模型中，教師引導學生根據典型船機設備的性能參數構建所選擇船機設備模型，通過縮放、旋轉等功能，全方位展示疏浚設備開挖施工原理、水上錨纜定位方式、船舶施工所占區域、移船移錨等內容，說明分條、分段計算依據與方法，解釋為確保施工質量所采取搭接工藝等內容，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（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，根據疏浚定額確定單船產能，按工程量及工期要求計算投入設備數量，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航路。

3.預制構件吊裝模擬

本工程需要吊裝的大型構件主要有沉箱和卸荷板，兩者吊裝設備、工藝基本相同，主要施工工藝為起重船預制場起吊構件，在測量人員的指導下，通過收放錨纜，將掛載狀態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，全景展示構件的起吊、運輸及安裝工作，向學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”相結合的教學模式

教師課前將上述工程的設計圖紙文件分發給各小組查閱學習，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、水工結構、后方回填），明確施工內容及工程量；然后將各個部分模塊整合項目，明確該工程的施工邏輯關系及工藝流程；最后結合環境條件和空間位置關系，完成施工平面布置。

課中采用三維模型、施工動畫和現場施工圖片相結合的教學手段。教師在分析學生前期建模過程中問題的基礎上，按實際生產主線邏輯實施教學，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、機等生產要素的管理，還要通過加強課堂小組討論和材料匯報等環節，加深學生對施工技術知識的理解。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，訓練學生查閱規范、行業標準、選用船機設備、計算產能的技能。

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計，需綜合考慮各影響因素并給出解決措施，以安全經濟合理為原則，統籌安排各種資源，以便各施工環節能夠環環相扣。施工方案編制結果，能有效體現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，同時發放問卷，找準改革的發力點。

課程學習中期，教師即向2019級港口航道與海岸工程專業的40名學生發放調查問卷，開展關于案例虛擬仿真教學手段是否有助于提升工程直觀認識、結構原理理解等9項內容的調查，回收有效問卷40份。問卷調查結果統計如表1所示，從統計表中可知，大部分學生認為虛擬仿真案例教學使課程內容直觀明了，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進行連續三年的課堂教學效果監測，發現學生學習興趣提高、精神狀態飽滿，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。根據學生提交成果分析發現，在建模方面，各學習小組建模成果總體完整度均較好，沒有出現重大漏項的現象，主要存在的不足是細部結構的處理，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，各小組方案內容較為完整，基本涵蓋了工程量計量、工藝流程圖、船機設備選擇、生產率計算和進度計劃等主要章節，主要不足是在進度、質量、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合，提高分項工程施工方案編制的水準。

課程結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，同時對工程施工內容、流程的認識更趨于全面。

綜上所述，以實際生產項目為背景的案例教學不僅可以提供理論知識應用的場景、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“施工技術交底”。工程信息化建設是行業發展的趨勢，采用虛擬仿真技術教學，在提升教學質量的同時，也為學生使用虛擬仿真技術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，基于虛擬仿真技術構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律，有助于培養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系實際有很好的促進作用。

參考文獻

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注：本文系北部灣大學高等教育本科教學改革工程項目“基于應用型人才培養的專業核心課程創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“北部灣地區重力式碼頭胸墻混凝土結構耐久性服役壽命預測分析（2019KYQD43）”、廣西教育廳高校科研項目“廣西北部灣地區海工混凝土結合面抗滲性能研究（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。