水運大大降低了現(xiàn)代工業(yè)運輸?shù)某杀?，碼頭裝卸大大提升了現(xiàn)代工業(yè)的效率，鋼鐵則號稱現(xiàn)代工業(yè)的筋骨。集合了這三大要素，礦石碼頭裝卸的意義不言而喻，如何提升其效率與安全性也顯得至關(guān)重要。然而硬件投入、設備與人員安全等，制約著相關(guān)實驗與教學的開展。

本文介紹的礦石碼頭裝卸工藝優(yōu)化設計虛擬仿真實驗，利用虛擬仿真等先進技術(shù)，嘗試突破大型設備優(yōu)化設計實驗的教學瓶頸，為相關(guān)行業(yè)提供了解決方案范例。

背景與痛點

港口是水陸交通和物流的樞紐，在國民經(jīng)濟中居于重要的特殊地位，處在“走出去”戰(zhàn)略的最前沿地帶。港口是“一帶一路”中海上絲綢之路的起點，海洋經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設施，建設世界一流的現(xiàn)代化海洋港口是建設海洋強國的必然要求。

 全球80%的貨物依靠海運完成，港口作為海運的終端，在資源配置、集疏運方面發(fā)揮著重要的樞紐作用。我國鐵礦石需求量龐大，80%以上依賴進口，澳大利亞和幾內(nèi)亞的鐵礦石均需通過海運至國內(nèi)沿海碼頭，鐵礦石碼頭的建設、生產(chǎn)和運營已成為重中之重。

以“裝卸船機-帶式輸送機-堆取料機”為代表的典型礦石碼頭裝卸工藝應用較廣。其機械技術(shù)參數(shù)設計要求較高，若產(chǎn)生偏差，導致事故，將危及港口的人員與財產(chǎn)安全。這些事故，包括裝卸船機抗傾覆能力不足而傾覆、跳軌或墜海，帶式輸送機皮帶撕裂致托輥變形或損壞等。

 因此，根據(jù)實際工程的自然條件、船型尺度、年貨運量等參數(shù)的變化，合理設計礦石碼頭的裝卸工藝，是提高碼頭裝卸效率、加快庫場周轉(zhuǎn)能力、保障碼頭安全營運的基礎(chǔ)，也是建設現(xiàn)代化海洋港口的基本保障。

 然而，工藝優(yōu)化設計涉及課程知識點較多，對串聯(lián)知識點與理論聯(lián)系實踐的要求較高。實體實驗需要投入大量設備與較大的場地及反復測試，加之操作復雜、設計精度要求高，稍有不慎便可能造成設備損失或人員傷亡。因此，實驗成本高、可重復性差、周期長、安全隱患多。

解決方案：原則與方針

針對上述難點痛點，恒點與河海大學共同設計開發(fā)“礦石碼頭裝卸工藝優(yōu)化設計虛擬仿真實驗”，利用虛擬仿真技術(shù)，將晦澀的專業(yè)知識點以更為生動的方式加以呈現(xiàn)，并以模擬實驗的方式突破實體實驗所帶來的高門檻投入瓶頸。

 實驗堅持以學生為本、自主學習探究的教學理念，設置科學合理、循序漸進的實驗環(huán)節(jié)，實現(xiàn)容錯探究、修正優(yōu)化的實踐操作，將國家戰(zhàn)略與工程實際緊密結(jié)合，培養(yǎng)具有家國情懷的復合型專業(yè)人才。

解決方案：設計亮點

近期，十四屆全國人大二次會議民生主題記者會上，教育部部長懷進鵬表示，實現(xiàn)教育的高質(zhì)量發(fā)展，發(fā)展數(shù)字教育不是選修課，而是必修課，要開辟教育發(fā)展新賽道、塑造教育發(fā)展新優(yōu)勢、提供更加優(yōu)質(zhì)教育的重要平臺，建成不打烊、全天候、“超市式”的公共服務平臺。

本實驗是由恒點MOOL平臺提供虛擬仿真實驗教學共享服務，MOOL（Massive Open Online Labs大規(guī)模在線開放實驗室）是對慕課MOOC的發(fā)展，本實驗在慕課MOOC開放式網(wǎng)絡課程的基礎(chǔ)上，增加具有互動性、操作性的實驗內(nèi)容，以共享優(yōu)質(zhì)教育資源，對各行業(yè)應用覆蓋起到示范效應，促進教育公平，助力全民終身學習型社會建設。

 實驗依據(jù)《港口規(guī)劃與布置》《港口裝卸工藝》《港口水工建筑物》等課程大綱和關(guān)鍵知識點建立了多層次、多模塊的實驗教學體系，幫助學生高效有序地完成“基礎(chǔ)認知、規(guī)律探究、自主設計”三個層面的實驗學習，循序漸進地開展“基本原理知識學習、設計分析能力訓練、創(chuàng)新工程思維培養(yǎng)”的實踐過程，構(gòu)建礦石裝卸工藝基本認知、裝卸工藝設計原理以及裝卸工藝綜合設計的知識與技能體系。

 借助虛擬實驗技術(shù)，本實驗將晦澀的專業(yè)知識點，通過更易接受的圖片、動畫等形式，生動地加以呈現(xiàn)。如通過虛擬世界對礦石碼頭和裝卸工藝的介紹，增強學生對礦石裝卸工藝的認知，加深學生對課程相關(guān)知識的理解。

 本實驗以學生為中心，以任務驅(qū)動為導向，科學合理地設置各個環(huán)節(jié)。通過還原全方位、立體化的礦石碼頭場景，引導學生開展自主式、沉浸式、交互式的學習、操作和研究。

 實驗從經(jīng)濟、環(huán)保、社會、安全、時效、能耗六個維度對設計方案進行全方面地評價，引導學生在有限的條件下制定出較優(yōu)的設計方案，從而激發(fā)創(chuàng)新思維和全局意識，將理論聯(lián)系實踐，將課堂知識結(jié)合行業(yè)需求。

 實驗結(jié)果錯誤或不理想時，學生可根據(jù)提示和評估結(jié)果進行多次嘗試，實現(xiàn)實驗結(jié)果的修正和優(yōu)化。從而充分感受到探索、解決問題的樂趣，培養(yǎng)學生建立理論設計、仿真驗證、反復優(yōu)化的工程設計思維，以及設計計算、實踐操作和工程應用的能力。

 本實驗在傳授礦石裝卸工藝知識的同時，將課程思政融入實驗課程的各個模塊，幫助學生樹立認真、嚴謹、負責的價值觀，激發(fā)學生的專業(yè)認同感以及投身海洋強國建設的情懷和使命感，培養(yǎng)具有家國情懷的復合型專業(yè)人才。