虚拟仿真技术在航道工程课程教学中的应用

付小莉 党珍珍 沈超 陈大成

[摘 要] 结合工程认证教学要求，从航道工程学教学现状出发，挖掘航道工程学教学存在的可优化之处。将BIM与VR虚拟仿真技术与航道工程学课程设计教学需求相结合，设计了教学认知、船闸设计、作业提交3个系统模块功能与实现流程，实现了基于BIM与VR技术的船闸课程设计虚拟仿真教学系统。该虚拟仿真系统具有场景化和沉浸感，可用于指导港航专业本科生的工程设计实践教学，为实际工程设计教学提供了新的教学改革思路与方法。

[关键词] 航道工程;虚拟仿真;船闸课程设计;线上教学

[作者简介] 付小莉（1979—），女，江西赣州人，博士，副教授，主要从事水力学方面研究。

[中图分类号] TV691    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）31-0191-04    [收稿日期] 2020-02-06

一、引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》明确指出，应“注重学思结合，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，帮助学生学会学习”[1]。为适应新形势下社会对水利人才的需求，水利工程院校的人才培养模式正由注重基础理论和专业知识传授向提高工程实践能力和创新意识转变[2，3]。实践教学是理论联系实际，提高学生知识运用能力和动手能力的有效途径，是培养学生工程实践能力和创新意识的重要教学环节[4，5]。BIM&VR作为一种新兴的视觉传达技术，具有直观的三维模型展现效果和场景表达效果，对于工程设计教学有非常好的辅助理解作用。为了主动适应教育和建筑行业信息化改革发展的新趋势，针对航道工程学[6]专业性和实践性较强的特点，以船闸课程设计为例，结合虚拟仿真技术，提出基于虚拟仿真技术的工程类专业课程设计教育教学改革思路，建立起学生探索式学习和教师点拨式引导的新型教学体系。

二、航道工程课程教学现状

航道工程学是一门实践性很强的专业核心课程。课程主要任务包括介绍河流及航道的特性，航道整治工程、航道疏浚工程和航道渠化工程的内容、分类、设计原则，水运工程和通航建筑物的设计等。面向“一带一路”倡议及“长三角一体化”，在工程教育认证要求下，急需对本科生工程实践能力教学提出更高的标准。当前教学中采用视频、图片、口述等教学方式来激发学生的认知能力，再通过线下课程设计及专业实践来加强理论课的学习。这种相互脱节的理论学习、线下课程设计和专业实践的学习模式，其效果往往不尽如人意。

1.缺乏实际工程情景教学。实际工程往往以三维立体的形式存在于现实空间中，而实际教学中单纯以视频、图片、口述等教学方式很难去解释一个实际工程的应用情景。学生想象力不足感觉课程繁重枯燥，跟不上教学进度，实践环节效果不佳。

2.理论教学与工程实践脱节。同济大学航道工程学教学安排（如表1所示），大部分课程内容偏向理论知识讲解，课后所留的习题也以概念性的思考题为主，计算与实践微乎其微[7]，学生很难在实际工程设计方面得到实质性的训练。在课程设计环节，学生很难建立起工程设计思路，常常感到入手困难，耗费大量时间去思考探索。教师感觉教学任务紧，仅凭现有媒介难以详细说明船闸、丁坝等航道工程的布置特点、结构构造特点、力学性能计算及施工工艺等具体的设计细节。

3.师生之间沟通有局限。在实际教学过程中，师生之间主要通过课堂互动或者课下解答的方式对课程中的难点进行沟通，沟通时间局限于课堂，沟通地点局限于教室。

二、教学改革的思路与方法

随着以大数据、互联网、云计算等为特征的信息化技术的发展，作为社会输送人才的重要基地，高校对新技术的研究和教学使用理应有足够的前瞻性[8]。针对以上四点不足，航道工程学课程教学改革结合理论学习、线下课程设计和专业实践的特点，将传统的理论教学和线下课程设计整合成线上课程设计。线上课程设计可充分挖掘BIM数据价值，通过VR技术强大的效果展现能力，注重实际工程设计教学的内容制作和师生沟通效率，实现实际工程设计教学内容的直观化、系统化，加深学生对实际工程各部分结构的认知，辅助学生进行工程结构型式的比选和设计。虚拟仿真教学建设继承了互联网应用的发展规律，即围绕师生的用户体验，以“内容制作”为中心，它的成功建立在广泛使用的成熟技术之上，更建立在用户群体的普遍使用习惯之上[9]。

根据航道工程学课程理论教学与工程实践的特点，线上课程设计系统的开发在课程教学中显得十分必要，其改革的思路与方法可以归纳如下。

1.情景信息化实景教学。BIM&VR作为一种新兴的多维虚拟现实技术，具有超强的视觉表现能力对于空间想象力较弱的同学有非常好的辅助理解作用，可有效提高学生的理论学习和实践学习效果，提高教学水平，弥补现场实习不充分、不到位等问题。在实际教学过程中，学生可根据虚拟化场景了解船闸的功能、结构与组成（图1、图2）。

2.加强理论教学与实践教学的融合。围绕具体的工程设计如船闸设计，整合碎片化的理论教学知识点和实际的计算要素，优化课程结构，强化理论知识，将教学内容信息“系列化”和“完整化”。在线教学中体现为教学知识点的“微型化”，即每个点可以被学习者在短时间内完成。以船閘课程设计为例，在开始设计前，学生必须依据《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》[10]《船闸水工建筑物设计规范（JTJ307-2001）》[11]等相关规范对船闸结构设计的规范要求进行研究学习才可进入设计模块，避免学生眼高手低，导致后续设计出现大量问题。同时，线上教学丰富了航道工程课程设计的教学方式和教学内容，学生可反复学习，克服了短时间内难以理解掌握课程设计中的重难点的弊端。

3.加强师生之间的沟通。网络化课程设计，增加师生沟通渠道，加强师生之间的互动，提高沟通效率，便于学生及时解决设计过程中遇到的问题。师生之间的沟通地点不再受教学地点的限制，时间也不再受教学时间的限制。

三、以船闸设计为例的虚拟仿真技术设计方案

构建科学完整的线上课程设计体系，既是航道工程专业理论教学的延伸，也是实现课程设计和专业实践目的的关键。对于没有直接工程经验的学生而言，线上课程设计可以帮助验证、巩固和提升专业理论知识、也可以实现专业理论、知识和技术的具体应用，即从懂到用。船闸课程设计是港航专业核心课程航道工程学教学中非常重要的环节。目前国内高校尚未有针对航道工程学[6]课程进行虚拟仿真开发的应用，以船闸课程设计为例，对线上教学设计模式的探索具有重要的现实价值和引领意义。

船闸仿真教学设计系统根据船闸总体设计规范[10]和船闸水工建筑物设计规范[11]，将航道工程学中的船闸设计课程设计模块由传统线下授课模式扩展为线上教学模式，打破教学时间和教学地点的限制，加强师生之间的沟通。该仿真教学设计系统应用3DSMAX软件设计逼真的三峡船闸三维模型，用VR全景制作软件和网页链接技术制作真实的漫游场景，在场景加入船闸的虚拟分解介绍等，同时在该系统中加入船闸过闸原理动画、答题考试、流程式设计操作等功能，搭建成一个虚拟现实可交互的师生沟通平台。

船闸仿真教学设计系统通过三个分系统去实现学生用户和教师用户的登录使用。三个分系统为教学认知分系统、船闸设计分系统、作业分系统。显示界面包括教学认知平台、设计操作平台、设计过程反馈平台、留言互动平台、作业提交平台、作业查阅平台六个平台。它们之间的逻辑关系见图3所示。

船闸仿真教学设计系统（图4）主要是开发面向学生的船闸设计教学管理平台，工作原理图见图5所示。

教学认知平台由专业团队策划兼顾知识性和可视化的船闸体验场景，构建出上游引航道、上闸首、闸室、下闸首和下游引航道的漫游和视觉信息数据，设置漫游观察视角，从而复现出高真实度的现场体验。同时将船闸设计内容运用碎片化分解的思想[8]对设计要点进行提炼分解，形成知识评价模块，供学生自我检测和自我约束。

经过教学认知平台的真实体验，学生了解了上游引航道、上闸首、闸室、下闸首和下游引航道的设计形式、设计要点以及相关设计规范的要求。进入设计平台，根据设计基本资料，按照设计平台的工厂化设计流程，从船闸的总体设计到各个组成部分的结构形式选择，然后到输水系统设计，最后到闸首结构稳定计算，便可完成完整的船闸设计。设计过程中遇到的难点均可通过该平台中的留言互动窗口反馈给教师，以便得到教师及时的回答。

学生通过整理计算方法和设计平台的结果，完成一份完整的计算报告书;通过Revit等BIM建模软件建立所设计船闸的三维模型，最终形成一份完整的计算报告书文档和船闸三维模型图，通过作业提交平台上传到系统当中。

教师通过教师登录进入该系统，通过作业查阅平台对学生提交的作业可进行查阅和下载，便于存档管理。通过留言互动平台可以及时查看学生在设计过程中遇到难以解决的问题和疑问。通过设计过程反馈平台查阅学生在设计平台上的完成进度和每一设计步的正误情况。

四、项目研究的实践意义与推广价值

基于虚拟仿真技术的在线课程设计教学系统，以当下发展速度快、应用面广的BIM建模技术和VR展现技术为改革手段，以培养港口航道与工程专业高素质、高技能人才为目标，以服务于中国一带一路战略和长三角一体化战略为落脚点，结合具体的工程项目（船闸设计）对课程内容的重难点整合重构，实现了理论教学与工程实践的对接。通过线上课程设计教学平台，学生之间、学生与教师之间，通过系统形成了成熟的在线用户社区。这意味着每个人都能够在使用系统的过程中，持续地满足自己的需要（包括学生获取知识提升自我认同感、教师受到学生发自肺腑的感谢等），用户对系统具有较高的“黏度”，而此时系统中传播的内容就更容易被用户接受[12]。

学生一方面不再拘泥于课本上对船闸等航道工程设计的概念学习和感性学习，另一方面可以全面直观地对船闸设计的全过程有个清晰的设计理念，提高创新与实践能力，适应我国发展对高质量创新型人才的需求。这种教学改革与实践的成果，丰富了全过程课程设计的教学方式，增加了教学内容的趣味性，显著提高了航道工程学课程的教学效果。可为航道工程学课程中丁坝等课程设计、港口航道与工程专业类教学设计改革提供借鉴，具有很好的推广应用价值。

参考文献

[1]中华人民共和国中央人民政府.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）[EB/OL].[2010-07-29].http：//www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm

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[9]孙澄宇，黄一如.同济大学虚拟仿真实验教学2.0建设[J].城市建筑，2015（28）：43-46.

[10]JTJ305-2001.船闸总体设计规范[S].北京：中华人民共和国交通部，2001.

[11]JTJ307-2001.船闸水工建筑物设计规范[S].北京：中华人民共和国交通部，2001.

[12]杨洪军，孙德忠，徐娟娟.网络环境下碎片化知识学习策略[J].教育评论，2019，236（02）：139-142.