1、契合国家“海上丝绸之路”对于水路交通建设人才培养的需求

高桩码头是我国港口工程中重要的建筑结构型式。高桩码头为透空结构，波浪放射小，对水流影响小。高桩码头适用于适合沉桩的各种地基，特别适用软土地基，因此在东南沿海及内河潮汐港码头中普遍应用。

高桩梁板式散货码头施工过程虚拟仿真实验是评估码头设计、施工方案优略，开展港口绿色设计的最佳途径。开展高桩梁板式散货码头施工过程虚拟仿真实验的学习，不仅可以使学生掌握相关专业知识，更能有效促进学生多课程知识点的融会贯通和能力的塑造。

2、吻合学校学科、创新和特色发展核心目标

鉴于当前我国和“海上丝绸之路”沿线国家海洋工程建设快速发展，为满足创新型人才培养和涉海工程科学建设的需要，学院设立了港口、航道与海岸工程专业，并开设一批相关核心课程。水利工程专业港口航道与海岸工程方向是学校重点发展的SWH-CDIO-E试点专业。学校秉承“理实融合、实践育人”教学理念，推进特色培育工程、课程改革工程和学生创新创业能力提升的“三大工程”。

港口航道与海岸工程专业培养方案基于“能力-项目-标准”的一体化设计思路，其中核心能力培养需要大量的实践、实验操作，高桩梁板式散货码头施工过程虚拟仿真实验项目将为港航专业学生提供一个重要实践学习环境。

3、符合国家“互联网+教育”对专业课程线上实践环节的要求

高桩梁板式结构是水利工程（港口航道与海岸工程专业方向）《港口规划与布置》、《水运工程施工》、《港口水工建筑物》的主要教学内容之一，也是实践教学中的难点。目前在教学过程中存在如下问题：

1）高桩梁板式码头构造较复杂，学生无法直观认识，仅通过文字描述或图片难以讲清其各组成部分的细部构造；

2）高桩梁板式码头国内数量虽较多，但学生赶赴现场实习组织困难、工地现场参观学生安全风险大；

3）真实的高桩码头模型或教学模拟无法便捷呈现出不同码头结构设计方案比选和优化；

4）高桩码头施工过程不可重复，制作真实的教学模型无法实现施工阶段的模拟。

《港口规划与布置》、《水运工程施工》、《港口水工建筑物》是水利工程港口航道与海岸工程专业方向本科生核心的专业课程，而高桩梁板式码头设计与施工实验是这些专业课程主要的课程实验之一。为了加强该部分实验环节建设、增强港航工程方向学生对高桩码头设计与施工的认知及实践创新能力，在打好学生码头工程、结构力学、材料力学等课程理论知识的基础上，需要结合最新的计算机及网络技术，通过开发线上实验软件，对学生进行高桩码头施工虚拟仿真实验环节的培养和训练，十分必要。

本项目开展高桩梁板式散货码头施工过程虚拟仿真实验，拟达到如下目的：

1、通过虚拟仿真技术真实还原高桩码头，特别是高桩梁板式码头各组成部分及其细部构造，使学生掌握高桩梁板式码头的结构特点、结构体系及组成构造；

2、通过人机交互式操作，实现对高桩码头的不同结构设计方案的验算和比选仿真；

3、通过虚拟仿真技术真实还原高桩梁板式码头施工现场，使学生在虚拟现场中进行漫游、观察，掌握高桩梁板式码头施工的现场整体布置、施工材料及施工机械；

4、通过人机交互式操作，实现对高桩梁板式码头施工过程的三维虚拟仿真，使学生掌握高桩梁板式码头的施工工艺、施工方法及施工控制等内容。

本实验所属的课程《水运工程施工技术》总课时为32学时，高桩梁板式散货码头施工过程虚拟仿真实验项目所占课时4学时。本实验课时分配如下：

模块代码	实验模块名称	建议实验时长（分钟）
201	高桩码头结构学习	10
202	高桩码头结构知识测试	10
301	高桩码头桩基选择	10
302	高桩码头基桩布置	10
303	码头上部结构布置	15
304	承载能力工况验证	13
305	正常使用工况验证	12
306	高桩码头结构选型	5
307	高桩码头梁板配筋	15
308	方案设计知识测试	10
401	高桩码头施工现场认知	10
402	码头施工现场知识测试	10
501	高桩码头施工流程仿真	20
502	码头施工过程知识测试	10
合计	共14个实验模块	160

本实验内容主要包括：1、高桩梁板式码头结构仿真拆解学习，2、高桩码头的结构设计方案比选和结构设计仿真操作，3、高桩梁板式码头施工现场认知操作，4、高桩梁板式码头施工过程虚拟仿真，其中1、3属于认知学习，是基础；2、4属于互动操作，是提高部分。

1、高桩梁板式码头结构仿真拆解学习：高桩码头由上部结构（面层、面板及纵横梁系），下部结构（桩基及桩帽），接岸结构（引桥）和码头设备等部分组成。上部结构构成码头面并与下部桩基连成整体，直接承受作用在码头面的垂向及水平荷载，并将其传递给下部桩基。桩基用来支承上部结构，并将上部结构及码头面的荷载传递到地基深处，同时也有利于稳固岸坡。
图2-1 码头结构仿真图示

2、高桩码头的结构方案比选及结构设计仿真操作：通过选择码头和引桥不同的桩基形式（混凝土方桩、PHC桩、钢管桩和钻孔灌注桩），给出对应桩基的特性或适用条件，其中码头选取两种较合理的桩型，引桥选取一种较合理的桩型。拟通过给定的码头平面尺度以及外荷载、土体力学参数等，确定两种不同的码头结构方案。通过互动进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算工况组合，计算不同工况组合下纵、横向排架内力值，给出不同极限状态下内力包络图，提供桩基承载力，并提出不同码头结构方案的特点，从中选取较优方案，并根据较优方案内力包络图，进行配筋计算，使学生基本掌握高桩码头结构方案比选和结构设计的内容和方法。

3、高桩梁板式码头施工现场认知仿真模拟操作：分别展示水域及陆域施工区域，并互动安排施工顺序，使学生了解高桩码头的主要施工设备及施工流程。

4、高桩梁板式码头施工过程虚拟仿真：高桩梁板式码头施工涉及打桩船、灌注桩钻机、混凝土搅拌船、浮吊、运输船、汽车吊、混凝土搅拌车、混凝土泵车、运输船、抓斗式挖泥船等，通过虚拟仿真技术真实还原高桩梁板式码头施工现场及施工机械，讲解高桩码头施工现场的布置原则及施工过程。

本实验主要考核知识点，共10个：

1. 高桩码头基本类型及优缺点

2. 高桩码头基本布置原则

3. 高桩梁板式码头梁板配筋原则

4. 不同类型桩基施工对于地基承载力的要求

5. 码头施工的常用机械

6. 下部结构的施工知识要点

7. 纵梁、横梁预制知识要点

8. 纵梁施工知识要点

9. 横梁施工知识要点

10. 面板及其他附属设施施工知识要点

1、 虚拟仿真实验教学项目网站平台 图2-2 虚拟仿真实验教学项目网站平台界面

2、 高桩梁板式码头施工过程虚拟仿真实验平台 图2-3高桩梁板式码头施工过程虚拟仿真实验平台软件界面

本实验项目主要包含高桩码头结构学习、高桩码头结构知识测试、高桩码头桩基选择、高桩码头基桩布置、码头上部结构布置、承载能力工况验证、正常使用工况验证、高桩码头结构选型、高桩码头梁板配筋、方案设计知识测试、高桩码头施工现场认知、码头施工现场知识测试、高桩梁板式码头施工流程仿真、码头施工过程知识测试等模块。部分功能模块如下图： 图2-4 结构学习模块

本实验项目以实际工程为案例，码头工程为某建材企业自用码头，位于上海市黄浦江某处，工程拟新建1000吨级散货码头一座，设1个1000吨级（兼顾2000吨级）泊位，用于商品混凝土生产所需的砂石料卸船，泊位年吞吐量为90万吨，设计通过能力97.48万吨。该码头泊位长度75m，码头面标高5.10m（吴淞高程，下同），码头前沿高程-2.40m。

实验者以实际工程项目为案例，在高桩梁板式散货码头施工过程虚拟仿真实验教学平台软件中，登录后完成实验项目，同时全程无纸化记录实验过程的全部实验数据及实验测试考核情况。

本实验项目采用“虚实结合”的手段，通过讲解提问+小组讨论+学生的互动操作+在线测试+实验报告五位一体的实验教学方法。该方法的使用，充分调动了学生的积极性、主动性，有差别式教学，方便因材施教。

实施过程中主要有以下教学方法：

1、采取多样化形式组织教学，使学生由浅入深，由简单到综合，逐步认识、理解和掌握高桩梁板式散货码头的基本组成、构造及施工过程。实验前统一讲授实验基本知识、虚拟仿真实验的操作步骤等，实验过程中随时解决学生遇到的问题，实验过程中组织学生讨论实验所学内容。

2、给学生开放空间，例如：鼓励学生根据自己的想法选择高桩码头不同的结构设计方案，验证不同方案的合理性和经济性。

3、集中教学与个别指导相结合，把讨论式方式贯穿实验教学全过程，如实验原理、方案设计、实验操作、结果分析等。

本实验项目教学方法的实施效果：

（1）知识目标

1)通过虚拟仿真技术真实还原高桩码头，特别是高桩梁板式码头各组成部分及其细部构造，使学生掌握高桩梁板式码头的结构特点、结构体系及组成构造；

2)通过人机交互式操作，实现对高桩码头的不同结构设计方案的验算和比选仿真；

3)通过虚拟仿真技术真实还原高桩梁板式码头施工现场，使学生在虚拟现场中进行漫游、观察，掌握高桩梁板式码头施工的现场整体布置、施工材料及施工机械；

4)通过人机交互式操作，实现对高桩梁板式码头施工过程的三维虚拟仿真，使学生掌握高桩梁板式码头的施工工艺、施工方法及施工控制等内容。

（2）能力水平

1)学生通过人机交互式操作，能实现对高桩码头的纵横梁配筋计算，得出正确结论，具备选用数学模型进行分析判断的能力；

2)学生通过人机交互式操作，对排架间距施工方案进行比选，获得复杂条件下解决工程问题的训练，具备对工程方案进行分析的能力；

3)在仿真实验中，结合环境、社会可持续发展方面的知识，理解它们对重力式高桩码头工程的约束，能够基于科学原理并采用科学方法设计或优化施工工艺流程；

4)将工程管理学与经济学知识，应用于对高桩码头工程相关实践活动中，具备港口航道与海岸工程项目实施及工程管理能力。

学生在开始实验前，需要先行按老师现场讲解或自行登录高桩梁板式码头施工过程虚拟仿真实验平台网站http://3dslb.openweb.navigacloud.net/，进行实验项目的预习和学习，特别要重点观看项目介绍视频及实验操作视频，了解必要的实验项目信息，熟悉实验项目的基本内容，掌握实验项目的基本操作方法，熟知实验项目的考核项目和实操要求标准，准备充分后，进行实验操作。

本实验平台需要通过使用火狐浏览器、Chrome（谷歌）浏览器、Microsoft Edge浏览器（Windows10自带默认浏览器）打开并能直接访问使用，不需要安装任何插件。
图1 高桩梁板式码头施工过程虚拟仿真实验网站
图2 高桩梁板式码头施工过程虚拟仿真实验平台软件界面

1、 注册登录：

为了能记录学生的实验过程和数据，本实验项目需要通过本平台上的登录或注册链接，先进行注册后登录使用。

http://www.ilab-x.com/内的登录用户可通过ilab-x.com网站内的实验项目链接，直接跳转登录本实验平台进行实验，同时实验过程、实验数据和实验报告可同步传回http://www.ilab-x.com/。

2、 系统功能使用帮助

系统会自动记录实验者在各实验模块的学习时长，并实时记录实验者的成绩，在实验中可随时查看实验明细和实验报告。实验结束时提交实验，老师就可以看到实验者的实验报告。

某些模块没有达到实验学习要求时，系统会自动提醒实验者转入到未完成模块进行学习。在测试模块，系统允许实验者可以多次测试，系统会自动记录实验者最好的成绩

系统可用性强、界面友好，实验者可根据屏幕提醒，可自行开展自主实验、学习。

3、 实验内容操作指导

1) 高桩码头结构学习

点击拆解时，系统会自动模拟展开高桩码头结构。

点选某个构件，系统会进行动态解说。该模块系统规定有最低学习时长，未达到规定学习时长，系统会自动调转到本模块，提醒实验者学习。

系统配置有标准普通话解说，实验者需要打开音箱或配戴上耳机，将更加能身临其境体验感觉到高桩码头的宏大场面。

下方的问好图标是帮助按钮。

下方的喇叭图标是背景音乐的按钮。

当结构学习完成后，可以点选 开始测试 按钮进入到测试环节。

2) 高桩码头结构知识测试

知识测试模块，系统将随机给出5道相关题目，实验者主题作答并提交，系统会进行自动评分与记录。

系统也支持二次测试，系统自动保留最高成绩。

3) 高桩码头桩基选择

根据项目给定的码头基本信息，在图中选出该码头方案的桩基类型，系统将自动给出成绩，并提醒各种方案的优劣。

系统也将自动记录实验者的成绩。

4) 高桩码头基桩布置

实验者进行间距和基桩设计，系统会自动给定成绩。

5) 码头上部结构布置

根据系统的提示，拖动相应的设计图标，系统将自动评判设计优劣方案。

6) 承载能力工况验证

选择某种工况下需要验证的全部可能荷载，提交就知道是否选择正确。

7) 正常使用工况验证

选择某种工况下需要验证的全部可能荷载，提交就知道是否选择正确。

8) 高桩码头结构选型

根据计算结果，系统进行方案的优化

9) 高桩码头梁板配筋

在三维场景中，选择你认为对的设计，提交后，系统会自动进行成绩评定。

10) 方案设计知识测试

与其它模块的测试题目一样，进行实时测试。

11) 高桩码头施工现场认知

对于施工现场的布置，可以点选相关设备进行学习。

12) 码头施工现场知识测试

13) 高桩码头施工流程仿真

拖动相关的模块，系统自动识别是否是正确的施工顺序，系统也将自动将施工的顺序进行排列。

并展示各施工环节的施工动画。

14) 码头施工过程知识测试

1、是否记录每步实验结果：是

2、实验结果与结论要求：实验报告（附下）

3、其他描述：

1）实验报告由学生基本信息、实验知识学习测试成绩明细、实验实操部分测试成绩明细和每个模块的实验评价组成。

2）知识学习部分，实验结果主要记录实验在线学习时长，并以考核学习时长是否满足该模块的学习时长为标准；实操部分，实验结果主要记录实操的参数输入及方案的合理结果，辅助兼顾记录该模块的在线实操时长。

3）整个实验的14个实验模块，学习实验完成后方能提交最后的实验报告。

实验过程和实验结果双重考核，考核形式有：在线学习时长考核和交互式操作测试。其中在线学习时长考核与交互式实操测试得分占比分别为25%、75%，具体成绩评定标准如下表。

优秀

考核项目		良好	中等	合格	不合格
在线学习时长	在线学习时长超过规定的学时要求	在线学习时长达到规定的学时的90%以上	在线学习时长达到规定的学时80%以上	在线学习时长基本达到规定的学时70%以上	在线学习时长没有规定的学时要求70%以下
交互式操作测试	操作熟练，参数选择合理，用时较短	操作较熟练，参数选择较合理	操作不熟，但参数选择合理	操作熟练，但参数选择不合理	操作不熟练，且参数选择不合理
	90分以上	80分以上	70分以上	60分以上	60分以下
综合评价	90分以上	80分以上	70分以上	60分以上	60分以下
	优秀	良好	中等	合格	不合格

1、专业与年级要求

水利类专业一年级学生;港口航道与海岸工程本科专业三至四年级。

2、基本知识和能力要求

1）需掌握水利工程及港航专业的学科基础及专业知识，并具备将其用于解决复杂专业工程问题的能力。

2）能够基于专业基础知识，并采用科学方法对港口、航道及海岸工程中的典型专业工程项目或施工工艺流程、设计方案等问题进行研究，并得出有效结论。

1、本校上线时间 ：2020年3月1日

2、已服务过的本校学生人数：本校 216人，外校180人

3、附所属课程教学计划或授课提纲并填写：
              纳入教学计划的专业数：2，具体专业：港口航道与海岸工程，
              教学周期：4，学习人数：216

4、是否面向社会提供服务：是 否

5、社会开放时间 ：2020年9月1日

6、已服务过的社会学习者人数：180人