“雙高計劃”背景下高職“港口工程”智能建造虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)

［摘要］高職“港口工程”智能建造虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)，是在“雙高計劃”大背景下，專業(yè)群建設(shè)項目的推動下，信息化教學(xué)手段初步探索的產(chǎn)物。將BIM技術(shù)與港口工程專業(yè)課程教學(xué)需求相結(jié)合，建設(shè)一套完整的港口工程智能建造虛擬仿真教學(xué)平臺。該平臺包含重力式碼頭施工、高樁梁板碼頭施工、板樁碼頭施工、防波堤施工、航道整治施工5大系統(tǒng)，每個系統(tǒng)包含實驗介紹、互動學(xué)習(xí)、課程考核、實驗報告、個人中心、安全管理6個模塊。該虛擬仿真教學(xué)平臺具有場景化和沉浸感，有利于改革傳統(tǒng)教學(xué)方法，活躍師生課堂互動，增設(shè)虛擬仿真實訓(xùn)練習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)新時代應(yīng)用型人才。［關(guān)鍵詞］港口工程；虛擬仿真；專業(yè)群一、引言2019年，我?！八娊ㄖこ獭睂I(yè)群入選教育部“雙高計劃”中國特色高水平專業(yè)群建設(shè)項目。[1]其中“治河與航道工程技術(shù)”作為我校水利部優(yōu)質(zhì)水利建設(shè)專業(yè)，也是本次“水利水電建筑工程”專業(yè)群的專業(yè)之一。利用智慧化、信息化手段開展虛擬仿真教學(xué)是專業(yè)群建設(shè)的重要任務(wù)，開發(fā)建設(shè)專業(yè)虛擬仿真教學(xué)資源以及平臺勢在必行。[2]二、“港口工程”智能建造虛擬仿真教學(xué)資源現(xiàn)狀分析2023年，教育部辦公廳發(fā)布《關(guān)于加快推進現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)改革重點任務(wù)的通知》指出：“職業(yè)教育虛擬仿真實訓(xùn)基地要有效運用虛擬現(xiàn)實、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，開發(fā)資源、升級設(shè)備、構(gòu)建課程、組建團隊，革新傳統(tǒng)實訓(xùn)模式，有效服務(wù)專業(yè)實訓(xùn)和社會培訓(xùn)等。[3]”治河與航道工程技術(shù)專業(yè)作為“雙高計劃——水利水電建筑工程”專業(yè)群的專業(yè)之一，建設(shè)適合本專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標(biāo)的虛擬仿真資源是建設(shè)任務(wù)的重要部分。（一）現(xiàn)有教材存在的問題“港口工程智能建造”課程是本?！爸魏优c航道工程技術(shù)”專業(yè)的核心課程，教學(xué)計劃安排64課時，4學(xué)分。課程的培養(yǎng)目標(biāo)是通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟悉行業(yè)施工規(guī)范，能識讀施工圖，計算相關(guān)工程量，并熟悉專業(yè)各分項工程的施工工藝和流程，能合理安排人、材、機等的使用，能粗略編制相關(guān)施工過程，熟悉施工技術(shù)規(guī)范、驗收規(guī)范，并運用到指導(dǎo)施工、質(zhì)量控制和驗收上，具備現(xiàn)場施工組織、協(xié)調(diào)能力，并能進行施工組織設(shè)計編制等。[4]目前現(xiàn)有的教材存在以下幾個問題：1.內(nèi)容陳舊，更新速度慢港口工程是一個不斷發(fā)展和變化的領(lǐng)域，新的技術(shù)和理論不斷涌現(xiàn)。然而，現(xiàn)有教材更新速度較慢，無法體現(xiàn)“四新”（新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備）等最新的研究成果和行業(yè)發(fā)展動態(tài)。[5]2.理論與實踐脫節(jié)大部分現(xiàn)有教材偏重于理論教學(xué)，忽視了實踐應(yīng)用。港口工程是一個實踐性較強的學(xué)科，應(yīng)該重視培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，尤其著重培養(yǎng)專業(yè)知識+軟件應(yīng)用型人才。[6]3.缺乏綜合性教材現(xiàn)有教材多是針對港口工程的某個具體專題或技術(shù)領(lǐng)域，缺乏全面系統(tǒng)的綜合性教材。學(xué)生需要整體了解和掌握港口工程的各個方面，而現(xiàn)有教材無法提供全面的知識體系。4.缺乏案例和實例港口工程是一個實踐性較強的學(xué)科，經(jīng)典案例和實例的學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和解決問題能力的重要途徑。然而，現(xiàn)有教材缺乏真實案例和實例的引入，給學(xué)生的學(xué)習(xí)和應(yīng)用能力培養(yǎng)帶來一定困難。（二）實踐教學(xué)的特點和問題“港口工程智能建造”課程，授課方式采用理論+實踐的混合教學(xué)方式。當(dāng)前教學(xué)中采用視頻、圖片、口述等教學(xué)方式激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知能力，再通過線下課程設(shè)計及專業(yè)實踐來加強理論課的學(xué)習(xí)。這種相互脫節(jié)的理論學(xué)習(xí)、線下課程設(shè)計和專業(yè)實踐的學(xué)習(xí)模式，其效果往往不盡如人意。[7]1.港口工程實踐教學(xué)的特點實踐性強：港口工程實踐教學(xué)注重學(xué)生的動手能力和實際操作能力的培養(yǎng)，通過實際操作鍛煉學(xué)生的技能和解決問題的能力。綜合性強：港口工程實踐涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，需要學(xué)生綜合運用各種學(xué)科知識和技能，如土木工程、水文學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。現(xiàn)實性強：港口工程實踐教學(xué)重視將學(xué)生的學(xué)習(xí)與實際工程項目結(jié)合起來，使學(xué)生能夠在真實的工程環(huán)境中進行實踐操作和解決實際問題。2.港口工程實踐教學(xué)的問題資金和設(shè)備限制：港口工程實踐教學(xué)通常需要大量的設(shè)備和場地，以及一定的經(jīng)費投入。但是一些學(xué)校沒有足夠的資金和設(shè)備來支持港口工程實踐教學(xué)的開展。實踐項目的選擇和安排：港口工程實踐教學(xué)需要選擇合適的實踐項目，實地觀摩實踐工程項目具有條件限制、經(jīng)費約束、安全風(fēng)險等特點，且往年參觀學(xué)習(xí)的施工項目過后便不再適合再次觀摩學(xué)習(xí)，并且學(xué)校缺乏相關(guān)的資源和經(jīng)驗。[8]安全問題：港口工程實踐教學(xué)涉及一些危險性較高的操作和操作環(huán)境，如破壞試驗、現(xiàn)場勘測等。因此，學(xué)校需要重視學(xué)生的安全教育和操作規(guī)范，確保學(xué)生在實踐過程中的安全。[8]教師隊伍建設(shè)：港口工程實踐教學(xué)需要具有一定實踐經(jīng)驗和專業(yè)知識的教師來指導(dǎo)學(xué)生。但是一些學(xué)校沒有足夠的教師隊伍來支持港口工程實踐教學(xué)，需要加強相關(guān)教師的培養(yǎng)和引進工作。教學(xué)評價和反饋：港口工程實踐教學(xué)的評價和反饋比較困難，因為實踐項目存在多變和復(fù)雜的情況。如何對學(xué)生的實踐過程和成果進行科學(xué)的評價和反饋是一個需要解決的問題。三、“港口工程”智能建造虛擬仿真教學(xué)資源的優(yōu)勢實踐性強：虛擬仿真教學(xué)資源可以提供學(xué)生與真實工程操作相似的體驗，讓學(xué)生能夠?qū)嶋H操作和模擬解決工程問題，增強實踐能力與技能水平。安全性高：港口工程通常存在復(fù)雜的環(huán)境和高風(fēng)險的操作，虛擬仿真可以有效降低學(xué)生實際操作中的安全風(fēng)險，避免事故的發(fā)生，提供一個安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。交互性與個性化：虛擬仿真教學(xué)資源可以根據(jù)不同學(xué)生的需求和進度進行個性化的設(shè)置與調(diào)整，提供互動性的學(xué)習(xí)體驗，使學(xué)生能夠更好地參與和理解。[9]可視化效果好：通過虛擬仿真技術(shù)，港口工程中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、設(shè)備和工藝可以以圖像、模型等形式進行展示，幫助學(xué)生更直觀地理解和掌握相關(guān)知識。成本低廉與便捷性：通過虛擬仿真教學(xué)資源可以降低實際操作所需的成本與時間，因此可以在任何時間和地點進行學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的靈活性與便捷性。四、“港口工程”智能建造虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)思路“港口工程—智能建造虛擬仿真教學(xué)平臺”采用BIM建模技術(shù)、多媒體交互使用技術(shù)、虛擬場景技術(shù)、計算機仿真模擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方式，構(gòu)建三維虛擬施工場景。按照“治河與航道工程技術(shù)”專業(yè)的人才培養(yǎng)方向，核心課程“港口工程智能建造”的教學(xué)大綱要求，分模塊建設(shè)5種典型水工建筑物（重力式碼頭、高樁梁板碼頭、板樁碼頭、防波堤以及航道整治建筑物）的施工過程及邏輯順序，以“搭積木的形式”實現(xiàn)施工過程的虛擬仿真模擬。同時，在三維虛擬施工場景中，針對每一個關(guān)鍵施工工序及流程，同步提示行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和施工注意事項，配套相關(guān)施工現(xiàn)場視頻，并針對關(guān)鍵節(jié)點流程設(shè)置交互問答界面，使學(xué)生能夠在虛擬仿真的環(huán)境下，掌握更多的專業(yè)技術(shù)要點，提高學(xué)習(xí)的積極性，增強專業(yè)課程學(xué)習(xí)的趣味性，并通過考核的機制激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力。通過該平臺的建設(shè)，計劃為本專業(yè)不同年級學(xué)生開展“碼頭建筑物辨識實訓(xùn)”“航道整治建筑物辨識實訓(xùn)”“港口工程施工過程實訓(xùn)”等，提升學(xué)生的職業(yè)技能，提高實踐教學(xué)的成效，有效地補充真實實訓(xùn)教學(xué)的局限性；與本專業(yè)口碑極強的企業(yè)開展合作，在專業(yè)和課程建設(shè)、教學(xué)改革與師資隊伍建設(shè)、虛擬仿真教學(xué)基地建設(shè)以及學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與就業(yè)指導(dǎo)等開展多方合作和探討。同時，與合作企業(yè)共建師資培養(yǎng)計劃，從專業(yè)與課程開發(fā)能力、教學(xué)能力、實踐能力等方面系統(tǒng)提升師資綜合能力素質(zhì)；以平臺建設(shè)為依托，探索和學(xué)習(xí)教學(xué)平臺的開發(fā)建設(shè)過程、后期運行及維護等全過程，積累平臺開發(fā)經(jīng)驗；開展相應(yīng)的軟件著作權(quán)申報、新型教材編寫、出版等工作；為合作企業(yè)提供“訂單式”培訓(xùn)，實現(xiàn)學(xué)校人才培養(yǎng)和企業(yè)人才需求的對接；承辦各類短期培訓(xùn)，對地方政府和企事業(yè)提供崗前培訓(xùn)、在職培訓(xùn)等，服務(wù)于地方經(jīng)濟。五、“港口工程”智能建造虛擬仿真教學(xué)平臺體系構(gòu)建在“雙高計劃”背景下，高職“港口工程”智能建造虛擬仿真教學(xué)平臺以融合BIM建模技術(shù)、多媒體交互使用技術(shù)、虛擬場景技術(shù)、計算機仿真模擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基石，構(gòu)建了一個多維度的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過構(gòu)建三維虛擬施工場景，讓學(xué)生在網(wǎng)頁客戶端按照不同類型港口水工建筑物的施工過程邏輯順序，以“搭積木的形式”虛擬仿真的方式實施項目的施工過程，并且能在三維虛擬場景中通過交互界面的問答形式，使學(xué)生掌握施工工序的技術(shù)要點，能夠?qū)W在其中，樂在其中，學(xué)到知識，培養(yǎng)興趣，認(rèn)識專業(yè)，提高自信，體會作為工程師的成就感。（一）系統(tǒng)內(nèi)容平臺根據(jù)港口水工建筑物類型區(qū)分，分為高樁梁板碼頭施工、重力式碼頭施工、板樁碼頭施工、防波堤施工、航道整治施工5大系統(tǒng)，模塊劃分見表1。系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)客戶端為平臺，以學(xué)生為中心，開展虛擬仿真學(xué)習(xí)適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)信息化時代的實驗教學(xué)改革，它能克服傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的弊端。系統(tǒng)模塊采用B/S架構(gòu)，在網(wǎng)頁登錄，主要包括賬號、密碼和驗證碼登錄體系，注冊機制以及專家通道。注冊的用戶需要填寫個人基本信息，由系統(tǒng)管理員通過后才能登錄。項目選擇某典型高樁碼頭項目為案例，融合設(shè)計、施工過程的知識點學(xué)習(xí)，通過BIM建模技術(shù)、多媒體交互使用技術(shù)、虛擬場景技術(shù)、計算機仿真模擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于實際工程案例，讓學(xué)生在網(wǎng)頁端了解港航工程的施工全過程的邏輯順序。具體而言，不同結(jié)構(gòu)類型系統(tǒng)所包含的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容見表2。（二）系統(tǒng)架構(gòu)每個系統(tǒng)均包含5個模塊，分別是實驗介紹、互動學(xué)習(xí)、課程考核、實驗報告、個人中心。“實驗介紹”重點描述應(yīng)用工程的基本情況，如項目概況、項目背景等?！盎訉W(xué)習(xí)”是在三維場景中進行施工過程學(xué)習(xí)，并且配套三維圖形和多媒體資料；點擊每個構(gòu)件，學(xué)習(xí)構(gòu)件的基礎(chǔ)知識、施工工藝流程以及相應(yīng)施工技術(shù)要點等?！罢n程考核”是在互動學(xué)習(xí)之后對課程學(xué)習(xí)內(nèi)容進行考核。系統(tǒng)內(nèi)嵌題庫，隨機生成考核卷，并根據(jù)學(xué)生作答情況給出評分?！皩嶒瀳蟾妗笔菍W(xué)生課程考核后，針對本次考核結(jié)果生成一份總體的實驗報告，包括考核人員姓名、考核耗時、最終成績以及評定優(yōu)良等級，還可以統(tǒng)計學(xué)生多次學(xué)習(xí)的情況以及考核報告打印。“個人中心”是管理學(xué)生賬號、綁定手機、修改密碼。六、總結(jié)與思考綜上所述，本論文以“雙高計劃”為背景，探討了高職“港口工程”領(lǐng)域智能建造虛擬仿真教學(xué)平臺的構(gòu)建與應(yīng)用。該平臺整合了BIM建模技術(shù)、多媒體交互使用技術(shù)、虛擬場景技術(shù)、計算機仿真模擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為學(xué)生提供了一種全新的學(xué)習(xí)方式，以更生動、直觀的方式展現(xiàn)港口工程的復(fù)雜性與多樣性。通過系統(tǒng)模塊的劃分，學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中體驗高樁碼頭、重力式碼頭、板樁碼頭、防波堤和航道整治工程等不同類型項目的施工過程，從而加深對專業(yè)知識和實踐的理解。然而，虛擬仿真教學(xué)平臺僅是高職教育改革中的一小步。在未來，我們應(yīng)進一步探索教育技術(shù)的融合，借助人工智能、大數(shù)據(jù)分析等