虛擬仿真技術(shù)在航道工程課程教學(xué)中的應(yīng)用

付小莉 黨珍珍 沈超 陳大成

[摘 要] 結(jié)合工程認(rèn)證教學(xué)要求，從航道工程學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，挖掘航道工程學(xué)教學(xué)存在的可優(yōu)化之處。將BIM與VR虛擬仿真技術(shù)與航道工程學(xué)課程設(shè)計(jì)教學(xué)需求相結(jié)合，設(shè)計(jì)了教學(xué)認(rèn)知、船閘設(shè)計(jì)、作業(yè)提交3個系統(tǒng)模塊功能與實(shí)現(xiàn)流程，實(shí)現(xiàn)了基于BIM與VR技術(shù)的船閘課程設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。該虛擬仿真系統(tǒng)具有場景化和沉浸感，可用于指導(dǎo)港航專業(yè)本科生的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)教學(xué)提供了新的教學(xué)改革思路與方法。

[關(guān)鍵詞] 航道工程;虛擬仿真;船閘課程設(shè)計(jì);線上教學(xué)

[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(xué)方面研究。

[中圖分類號] TV691? ? [文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》明確指出，應(yīng)“注重學(xué)思結(jié)合，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)”[1]。為適應(yīng)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(yǎng)模式正由注重基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識傳授向提高工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識轉(zhuǎn)變[2，3]。實(shí)踐教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生知識運(yùn)用能力和動手能力的有效途徑，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[4，5]。BIM&VR作為一種新興的視覺傳達(dá)技術(shù)，具有直觀的三維模型展現(xiàn)效果和場景表達(dá)效果，對于工程設(shè)計(jì)教學(xué)有非常好的輔助理解作用。為了主動適應(yīng)教育和建筑行業(yè)信息化改革發(fā)展的新趨勢，針對航道工程學(xué)[6]專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，以船閘課程設(shè)計(jì)為例，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，提出基于虛擬仿真技術(shù)的工程類專業(yè)課程設(shè)計(jì)教育教學(xué)改革思路，建立起學(xué)生探索式學(xué)習(xí)和教師點(diǎn)撥式引導(dǎo)的新型教學(xué)體系。

二、航道工程課程教學(xué)現(xiàn)狀

航道工程學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程。課程主要任務(wù)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(nèi)容、分類、設(shè)計(jì)原則，水運(yùn)工程和通航建筑物的設(shè)計(jì)等。面向“一帶一路”倡議及“長三角一體化”，在工程教育認(rèn)證要求下，急需對本科生工程實(shí)踐能力教學(xué)提出更高的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前教學(xué)中采用視頻、圖片、口述等教學(xué)方式來激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知能力，再通過線下課程設(shè)計(jì)及專業(yè)實(shí)踐來加強(qiáng)理論課的學(xué)習(xí)。這種相互脫節(jié)的理論學(xué)習(xí)、線下課程設(shè)計(jì)和專業(yè)實(shí)踐的學(xué)習(xí)模式，其效果往往不盡如人意。

1.缺乏實(shí)際工程情景教學(xué)。實(shí)際工程往往以三維立體的形式存在于現(xiàn)實(shí)空間中，而實(shí)際教學(xué)中單純以視頻、圖片、口述等教學(xué)方式很難去解釋一個實(shí)際工程的應(yīng)用情景。學(xué)生想象力不足感覺課程繁重枯燥，跟不上教學(xué)進(jìn)度，實(shí)踐環(huán)節(jié)效果不佳。

2.理論教學(xué)與工程實(shí)踐脫節(jié)。同濟(jì)大學(xué)航道工程學(xué)教學(xué)安排（如表1所示），大部分課程內(nèi)容偏向理論知識講解，課后所留的習(xí)題也以概念性的思考題為主，計(jì)算與實(shí)踐微乎其微[7]，學(xué)生很難在實(shí)際工程設(shè)計(jì)方面得到實(shí)質(zhì)性的訓(xùn)練。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生很難建立起工程設(shè)計(jì)思路，常常感到入手困難，耗費(fèi)大量時間去思考探索。教師感覺教學(xué)任務(wù)緊，僅憑現(xiàn)有媒介難以詳細(xì)說明船閘、丁壩等航道工程的布置特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)、力學(xué)性能計(jì)算及施工工藝等具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

3.師生之間溝通有局限。在實(shí)際教學(xué)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(diǎn)進(jìn)行溝通，溝通時間局限于課堂，溝通地點(diǎn)局限于教室。

二、教學(xué)改革的思路與方法

隨著以大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等為特征的信息化技術(shù)的發(fā)展，作為社會輸送人才的重要基地，高校對新技術(shù)的研究和教學(xué)使用理應(yīng)有足夠的前瞻性[8]。針對以上四點(diǎn)不足，航道工程學(xué)課程教學(xué)改革結(jié)合理論學(xué)習(xí)、線下課程設(shè)計(jì)和專業(yè)實(shí)踐的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)的理論教學(xué)和線下課程設(shè)計(jì)整合成線上課程設(shè)計(jì)。線上課程設(shè)計(jì)可充分挖掘BIM數(shù)據(jù)價值，通過VR技術(shù)強(qiáng)大的效果展現(xiàn)能力，注重實(shí)際工程設(shè)計(jì)教學(xué)的內(nèi)容制作和師生溝通效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的直觀化、系統(tǒng)化，加深學(xué)生對實(shí)際工程各部分結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，輔助學(xué)生進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)型式的比選和設(shè)計(jì)。虛擬仿真教學(xué)建設(shè)繼承了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展規(guī)律，即圍繞師生的用戶體驗(yàn)，以“內(nèi)容制作”為中心，它的成功建立在廣泛使用的成熟技術(shù)之上，更建立在用戶群體的普遍使用習(xí)慣之上[9]。

根據(jù)航道工程學(xué)課程理論教學(xué)與工程實(shí)踐的特點(diǎn)，線上課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)在課程教學(xué)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(shí)景教學(xué)。BIM&VR作為一種新興的多維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，具有超強(qiáng)的視覺表現(xiàn)能力對于空間想象力較弱的同學(xué)有非常好的輔助理解作用，可有效提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)效果，提高教學(xué)水平，彌補(bǔ)現(xiàn)場實(shí)習(xí)不充分、不到位等問題。在實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生可根據(jù)虛擬化場景了解船閘的功能、結(jié)構(gòu)與組成（圖1、圖2）。

2.加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的融合。圍繞具體的工程設(shè)計(jì)如船閘設(shè)計(jì)，整合碎片化的理論教學(xué)知識點(diǎn)和實(shí)際的計(jì)算要素，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化理論知識，將教學(xué)內(nèi)容信息“系列化”和“完整化”。在線教學(xué)中體現(xiàn)為教學(xué)知識點(diǎn)的“微型化”，即每個點(diǎn)可以被學(xué)習(xí)者在短時間內(nèi)完成。以船閘課程設(shè)計(jì)為例，在開始設(shè)計(jì)前，學(xué)生必須依據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》[10]《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ307-2001）》[11]等相關(guān)規(guī)范對船閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范要求進(jìn)行研究學(xué)習(xí)才可進(jìn)入設(shè)計(jì)模塊，避免學(xué)生眼高手低，導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計(jì)出現(xiàn)大量問題。同時，線上教學(xué)豐富了航道工程課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可反復(fù)學(xué)習(xí)，克服了短時間內(nèi)難以理解掌握課程設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)的弊端。

3.加強(qiáng)師生之間的溝通。網(wǎng)絡(luò)化課程設(shè)計(jì)，增加師生溝通渠道，加強(qiáng)師生之間的互動，提高溝通效率，便于學(xué)生及時解決設(shè)計(jì)過程中遇到的問題。師生之間的溝通地點(diǎn)不再受教學(xué)地點(diǎn)的限制，時間也不再受教學(xué)時間的限制。

三、以船閘設(shè)計(jì)為例的虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)方案

構(gòu)建科學(xué)完整的線上課程設(shè)計(jì)體系，既是航道工程專業(yè)理論教學(xué)的延伸，也是實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)和專業(yè)實(shí)踐目的的關(guān)鍵。對于沒有直接工程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生而言，線上課程設(shè)計(jì)可以幫助驗(yàn)證、鞏固和提升專業(yè)理論知識、也可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)理論、知識和技術(shù)的具體應(yīng)用，即從懂到用。船閘課程設(shè)計(jì)是港航專業(yè)核心課程航道工程學(xué)教學(xué)中非常重要的環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)高校尚未有針對航道工程學(xué)[6]課程進(jìn)行虛擬仿真開發(fā)的應(yīng)用，以船閘課程設(shè)計(jì)為例，對線上教學(xué)設(shè)計(jì)模式的探索具有重要的現(xiàn)實(shí)價值和引領(lǐng)意義。

船閘仿真教學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范[10]和船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范[11]，將航道工程學(xué)中的船閘設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)模塊由傳統(tǒng)線下授課模式擴(kuò)展為線上教學(xué)模式，打破教學(xué)時間和教學(xué)地點(diǎn)的限制，加強(qiáng)師生之間的溝通。該仿真教學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用3DSMAX軟件設(shè)計(jì)逼真的三峽船閘三維模型，用VR全景制作軟件和網(wǎng)頁鏈接技術(shù)制作真實(shí)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(tǒng)中加入船閘過閘原理動畫、答題考試、流程式設(shè)計(jì)操作等功能，搭建成一個虛擬現(xiàn)實(shí)可交互的師生溝通平臺。

船閘仿真教學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過三個分系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)學(xué)生用戶和教師用戶的登錄使用。三個分系統(tǒng)為教學(xué)認(rèn)知分系統(tǒng)、船閘設(shè)計(jì)分系統(tǒng)、作業(yè)分系統(tǒng)。顯示界面包括教學(xué)認(rèn)知平臺、設(shè)計(jì)操作平臺、設(shè)計(jì)過程反饋平臺、留言互動平臺、作業(yè)提交平臺、作業(yè)查閱平臺六個平臺。它們之間的邏輯關(guān)系見圖3所示。

船閘仿真教學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（圖4）主要是開發(fā)面向?qū)W生的船閘設(shè)計(jì)教學(xué)管理平臺，工作原理圖見圖5所示。

教學(xué)認(rèn)知平臺由專業(yè)團(tuán)隊(duì)策劃兼顧知識性和可視化的船閘體驗(yàn)場景，構(gòu)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(shù)據(jù)，設(shè)置漫游觀察視角，從而復(fù)現(xiàn)出高真實(shí)度的現(xiàn)場體驗(yàn)。同時將船閘設(shè)計(jì)內(nèi)容運(yùn)用碎片化分解的思想[8]對設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行提煉分解，形成知識評價模塊，供學(xué)生自我檢測和自我約束。

經(jīng)過教學(xué)認(rèn)知平臺的真實(shí)體驗(yàn)，學(xué)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(shè)計(jì)形式、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。進(jìn)入設(shè)計(jì)平臺，根據(jù)設(shè)計(jì)基本資料，按照設(shè)計(jì)平臺的工廠化設(shè)計(jì)流程，從船閘的總體設(shè)計(jì)到各個組成部分的結(jié)構(gòu)形式選擇，然后到輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后到閘首結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算，便可完成完整的船閘設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中遇到的難點(diǎn)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(xué)生通過整理計(jì)算方法和設(shè)計(jì)平臺的結(jié)果，完成一份完整的計(jì)算報告書;通過Revit等BIM建模軟件建立所設(shè)計(jì)船閘的三維模型，最終形成一份完整的計(jì)算報告書文檔和船閘三維模型圖，通過作業(yè)提交平臺上傳到系統(tǒng)當(dāng)中。

教師通過教師登錄進(jìn)入該系統(tǒng)，通過作業(yè)查閱平臺對學(xué)生提交的作業(yè)可進(jìn)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(xué)生在設(shè)計(jì)過程中遇到難以解決的問題和疑問。通過設(shè)計(jì)過程反饋平臺查閱學(xué)生在設(shè)計(jì)平臺上的完成進(jìn)度和每一設(shè)計(jì)步的正誤情況。

四、項(xiàng)目研究的實(shí)踐意義與推廣價值

基于虛擬仿真技術(shù)的在線課程設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)，以當(dāng)下發(fā)展速度快、應(yīng)用面廣的BIM建模技術(shù)和VR展現(xiàn)技術(shù)為改革手段，以培養(yǎng)港口航道與工程專業(yè)高素質(zhì)、高技能人才為目標(biāo)，以服務(wù)于中國一帶一路戰(zhàn)略和長三角一體化戰(zhàn)略為落腳點(diǎn)，結(jié)合具體的工程項(xiàng)目（船閘設(shè)計(jì)）對課程內(nèi)容的重難點(diǎn)整合重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與工程實(shí)踐的對接。通過線上課程設(shè)計(jì)教學(xué)平臺，學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間，通過系統(tǒng)形成了成熟的在線用戶社區(qū)。這意味著每個人都能夠在使用系統(tǒng)的過程中，持續(xù)地滿足自己的需要（包括學(xué)生獲取知識提升自我認(rèn)同感、教師受到學(xué)生發(fā)自肺腑的感謝等），用戶對系統(tǒng)具有較高的“黏度”，而此時系統(tǒng)中傳播的內(nèi)容就更容易被用戶接受[12]。

學(xué)生一方面不再拘泥于課本上對船閘等航道工程設(shè)計(jì)的概念學(xué)習(xí)和感性學(xué)習(xí)，另一方面可以全面直觀地對船閘設(shè)計(jì)的全過程有個清晰的設(shè)計(jì)理念，提高創(chuàng)新與實(shí)踐能力，適應(yīng)我國發(fā)展對高質(zhì)量創(chuàng)新型人才的需求。這種教學(xué)改革與實(shí)踐的成果，豐富了全過程課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方式，增加了教學(xué)內(nèi)容的趣味性，顯著提高了航道工程學(xué)課程的教學(xué)效果?？蔀楹降拦こ虒W(xué)課程中丁壩等課程設(shè)計(jì)、港口航道與工程專業(yè)類教學(xué)設(shè)計(jì)改革提供借鑒，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

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