任佳佳，齊云英 REN Jiajia,QI Yunying

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 物流與電商學(xué)院，河南 鄭州 450044）

1 項(xiàng)目建設(shè)背景

近20年來，我國(guó)集裝箱運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅猛，其吞吐量已經(jīng)超越美國(guó)位居世界首位，因此，對(duì)集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)管理方面人才的培養(yǎng)愈加受到重視。集裝箱運(yùn)輸管理是物流管理、交通運(yùn)輸、國(guó)際商務(wù)等專業(yè)的核心課程，其實(shí)踐教學(xué)對(duì)于幫助學(xué)生熟悉集裝箱碼頭操作規(guī)程與業(yè)務(wù)管理、提升專業(yè)運(yùn)營(yíng)管理能力具有重要意義。

在傳統(tǒng)的集裝箱碼頭課程教學(xué)中，因存在集裝箱碼頭作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變、危險(xiǎn)系數(shù)高、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)難以開展，且外出實(shí)習(xí)成本高、組織協(xié)調(diào)困難等多方面因素，大多數(shù)內(nèi)地高校普遍采用講解、圖片展示和觀看教學(xué)視頻相結(jié)合的方式進(jìn)行講授，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺失。目前，只有少數(shù)地處水域資源豐富的高校能夠以實(shí)地參觀的方式開展集裝箱碼頭的實(shí)踐教學(xué)，但是由于參觀時(shí)間有限，實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)難以開展，無法達(dá)到對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。三維建模技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用為解決實(shí)踐教學(xué)提供了技術(shù)保障，虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)可以有效解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本過高、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜危險(xiǎn)、內(nèi)地高校集裝箱碼頭參觀實(shí)習(xí)困難等問題。通過虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，不僅可以服務(wù)于教學(xué)，同時(shí)也能服務(wù)于社會(huì)，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)研一體化。

該項(xiàng)目依托河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院獲中央財(cái)政支持的現(xiàn)代物流綜合實(shí)驗(yàn)中心，以集裝箱碼頭典型場(chǎng)景——集裝箱碼頭裝備操作、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理為對(duì)象，建立了虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。學(xué)生可以通過該項(xiàng)目了解并掌握裝箱碼頭裝備操作、業(yè)務(wù)管理、流程優(yōu)化的理論知識(shí)和操作技能，是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)的有效補(bǔ)充和拓展，從而達(dá)到提升學(xué)生集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)管理綜合能力的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路。該項(xiàng)目針對(duì)物流管理、交通運(yùn)輸?shù)葘I(yè)“實(shí)踐性和應(yīng)用性強(qiáng)”的特點(diǎn)，運(yùn)用圖形仿真、虛擬交互以及三維數(shù)字化技術(shù)將理論知識(shí)、企業(yè)應(yīng)用與仿真運(yùn)行等方面有機(jī)融合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，通過對(duì)集裝箱碼頭裝卸工藝、閘口業(yè)務(wù)、堆場(chǎng)作業(yè)、裝卸船操作、貨運(yùn)站業(yè)務(wù)、中控室操作和商務(wù)管理等業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，使學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)全面掌握集裝箱船務(wù)公司、貨運(yùn)站、堆場(chǎng)、閘口等集裝箱碼頭各類崗位的操作程序和工作要求，做到實(shí)習(xí)和就業(yè)的“無縫銜接”。

2.2 項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容建設(shè)。該項(xiàng)目以集裝箱碼頭工作任務(wù)為依托構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，下設(shè)八大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，包括集裝箱碼頭進(jìn)出口業(yè)務(wù)仿真教學(xué)模塊、集裝箱碼頭裝卸工藝仿真教學(xué)模塊、集裝箱碼頭閘口業(yè)務(wù)仿真教學(xué)模塊、集裝箱碼頭堆場(chǎng)業(yè)務(wù)仿真教學(xué)模塊、集裝箱碼頭裝卸船業(yè)務(wù)仿真教學(xué)模塊、集裝箱碼頭貨運(yùn)站業(yè)務(wù)仿真教學(xué)模塊、集裝箱碼頭中控室操作仿真教學(xué)模塊、集裝箱碼頭商務(wù)管理仿真教學(xué)模塊（如圖1所示）。

圖1 虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目體系結(jié)構(gòu)圖

項(xiàng)目采用3D建模技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)對(duì)集裝箱碼頭實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行了還原（如圖2所示），通過以虛擬任務(wù)為導(dǎo)向的仿真教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施，可以有效提升學(xué)生的綜合職業(yè)能力，能夠輔助學(xué)生了解并掌握集裝箱碼頭各工作崗位的典型操作。此外，虛實(shí)互動(dòng)的仿真教學(xué)能夠讓學(xué)生在安全的環(huán)境下學(xué)到相關(guān)管理能力和操作技能，不僅節(jié)約了實(shí)習(xí)參觀成本，同時(shí)降低了實(shí)踐教學(xué)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)界面

2.3 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)。虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠?qū)σ惑w化教學(xué)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的管理控制，每個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子模塊都按照“任務(wù)導(dǎo)入、自主學(xué)習(xí)、仿真實(shí)驗(yàn)、考核評(píng)價(jià)”四個(gè)步驟組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)（如圖3所示）。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師可以通過教師端設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)、編寫實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目腳本、考核評(píng)價(jià)等工作；學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)、仿真任務(wù)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫等工作。

圖3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)流程圖

在任務(wù)導(dǎo)入環(huán)節(jié)，學(xué)生通過閱讀基礎(chǔ)資料了解各仿真模塊所要完成的仿真任務(wù)背景、目標(biāo)、說明和具體要求。

在自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過視頻資料、多媒體教學(xué)材料、3D模擬展示等方式了解集裝箱碼頭各仿真模塊所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)和操作流程。

在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過參與集裝箱碼頭堆場(chǎng)業(yè)務(wù)、裝卸工藝、閘口業(yè)務(wù)等仿真教學(xué)模塊掌握集裝箱碼頭典型工作任務(wù)所涉及的理論知識(shí)和操作技能，最后完成對(duì)仿真任務(wù)的實(shí)施和優(yōu)化。

考核評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)將融合過程性評(píng)價(jià)、形成性評(píng)價(jià)、發(fā)展性評(píng)價(jià)，分為在線測(cè)試、任務(wù)實(shí)施結(jié)果評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫、小組互評(píng)和教師評(píng)價(jià)五個(gè)組成部分，最終形成學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的綜合評(píng)價(jià)。

2.4 集裝箱碼頭虛擬仿真的VV&A模型。集裝箱碼頭所涉及的進(jìn)出口、閘口、裝卸等環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)是實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目仿真的對(duì)象，其動(dòng)態(tài)變化過程需要建立模型進(jìn)行校核（Verification）、驗(yàn)證（Validation）和確認(rèn)（Accreditation）。虛擬3D集裝箱碼頭仿真中的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)需要貫穿集裝箱碼頭建模與仿真全生命周期，實(shí)踐證明，大型物流系統(tǒng)仿真建模與仿真實(shí)驗(yàn)工作只有在同潛在使用方的深入密切配合才能確保仿真高可信度，才能取得良好的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.4.1 集裝箱碼頭虛擬仿真中的校核。集裝箱碼頭建模與仿真的校核內(nèi)容主要包括目的目標(biāo)、邊界及精度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、管理方法與邏輯控制、仿真模型基礎(chǔ)參數(shù)輸入五個(gè)方面的16項(xiàng)內(nèi)容（如表1所示）。這些校核內(nèi)容需要在仿真建模前、建模過程中和實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行，或者在這三個(gè)階段中反復(fù)進(jìn)行確認(rèn)。

表1 集裝箱碼頭虛擬仿真校核內(nèi)容

2.4.2 集裝箱碼頭虛擬仿真中的驗(yàn)證。集裝箱碼頭虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證旨在確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。該仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的驗(yàn)證主要包括設(shè)備操作驗(yàn)證、整體操作驗(yàn)證和集裝箱碼頭宏觀仿真驗(yàn)證。

（1）設(shè)備操作驗(yàn)證Err，通過比較每一項(xiàng)集裝箱碼頭設(shè)備實(shí)際操作和虛擬仿真操作在時(shí)間、流程和結(jié)果差別上來衡量該模擬操作的精確性。

（2）整體操作驗(yàn)證Err，通過為每一項(xiàng)活動(dòng)的設(shè)備操作設(shè)計(jì)權(quán)重，并將仿真教學(xué)項(xiàng)目所有設(shè)備操作累計(jì)計(jì)算得到整體設(shè)備操作環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。

（3）集裝箱碼頭宏觀仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Err，主要驗(yàn)證多個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的整體作業(yè)情況，因此，在集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)各模塊的操作準(zhǔn)確性、作業(yè)時(shí)間以及靜止實(shí)踐都需要考慮。

以上驗(yàn)證指標(biāo)中，o代表作業(yè)索引；a代表基礎(chǔ)活動(dòng)索引；δ為0/1變量，若活動(dòng)a屬于作業(yè)則為1，否則為0；i表示集裝箱類型索引；j表示集裝箱索引；d表示指派給o操作的第i類集裝箱的集；g屬于i類集裝箱j的仿真操作；t屬于i類集裝箱j的實(shí)際操作。

2.4.3 集裝箱碼頭虛擬仿真中的確認(rèn)。對(duì)于虛擬3D集裝箱碼頭仿真教學(xué)項(xiàng)目的確認(rèn)需要召集集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)管理專家、虛擬仿真設(shè)計(jì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)、指導(dǎo)教師和使用者共同研討對(duì)實(shí)現(xiàn)確定的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)逐一進(jìn)行確認(rèn)。經(jīng)過嚴(yán)格的、全生命周期的仿真教學(xué)校核、驗(yàn)證和確認(rèn)后的項(xiàng)目才能夠確保其可靠性，教學(xué)項(xiàng)目中包含對(duì)集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)優(yōu)化仿真的子任務(wù)才能有效地支持實(shí)際決策。

2.5 虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。虛擬3D集裝箱碼頭仿真教學(xué)項(xiàng)目的運(yùn)行依托于學(xué)校開放式、通用型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的支撐。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心基于IBM platform LSF，開發(fā)并部署了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)由20個(gè)工控服務(wù)器節(jié)點(diǎn)組成，在每個(gè)工控機(jī)節(jié)點(diǎn)上，運(yùn)行32個(gè)虛擬機(jī)，為“虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”等虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)。通用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，采用VIVE WAVE、Unity3d、Virtools、Visual Studio等開發(fā)工具，構(gòu)建了交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該項(xiàng)目采用NET開發(fā)語(yǔ)言、Visual Studio開發(fā)工具以及SQL Server2018數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建集成化管理模式，學(xué)生可以通過多種終端連接通用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，選擇虛擬機(jī)上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作。

3 項(xiàng)目實(shí)施效果及完善推廣措施

3.1 項(xiàng)目實(shí)施效果。虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要面向河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院物流管理、物流工程、交通與運(yùn)輸管理等專業(yè)三、四年級(jí)本科生開設(shè)，目前已經(jīng)將其向其他高校的同類專業(yè)進(jìn)行開放。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目2017～2018年共計(jì)服務(wù)師生1 813人，其中有64.2%的學(xué)生綜合評(píng)定成績(jī)?cè)凇皟?yōu)”、“良”等級(jí)。項(xiàng)目在實(shí)施過程中的主要效果如下：

（1）滿足了綜合性實(shí)踐教學(xué)的需求。虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以同時(shí)容納50名學(xué)生完成相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，項(xiàng)目以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式將集裝箱碼頭各典型工作任務(wù)進(jìn)行了整合和序化，能夠切實(shí)提高學(xué)生從集裝箱碼頭相關(guān)重點(diǎn)業(yè)務(wù)管理能力實(shí)現(xiàn)到整體業(yè)務(wù)流程優(yōu)化與管理能力的提升。

（2）滿足了學(xué)生深度學(xué)習(xí)的要求。該項(xiàng)目可以幫助學(xué)生了解集裝箱碼頭設(shè)施設(shè)備與布局、港口作業(yè)管理、港口綜合運(yùn)營(yíng)等理論知識(shí)，掌握集裝箱碼頭堆場(chǎng)、設(shè)備、船舶、碼頭客戶等業(yè)務(wù)管理與流程優(yōu)化的能力。同時(shí)軟件的仿真運(yùn)行效果的展示、在線測(cè)試、學(xué)習(xí)進(jìn)度反饋與查詢、師生互動(dòng)等可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣，并能更好地提升學(xué)習(xí)效果。

（3）貼近集裝箱碼頭實(shí)際運(yùn)營(yíng)，符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。項(xiàng)目的場(chǎng)景依據(jù)實(shí)際的集裝箱碼頭運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)置，有利于任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)的實(shí)施，通過仿真實(shí)驗(yàn)可以較好提升學(xué)生的專業(yè)能力和職業(yè)意識(shí)。此外，虛實(shí)互動(dòng)的仿真教學(xué)，可以讓學(xué)生在安全的環(huán)境中學(xué)習(xí)和掌握到相關(guān)管理能力和操作技能。

3.2 項(xiàng)目完善及推廣措施

（1）項(xiàng)目的持續(xù)建設(shè)與更新。項(xiàng)目組將持續(xù)開展虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)和研究，實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)與VR可穿戴頭盔設(shè)備的對(duì)接，進(jìn)一步優(yōu)化仿真效果。同時(shí)將進(jìn)一步完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)、規(guī)范基本教學(xué)要件材料（實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方式等）、豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源（包括若干微視頻、交互指導(dǎo)問答、案例、數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)考核題等）。項(xiàng)目組教師將每學(xué)期總結(jié)該虛擬仿真教學(xué)資源的使用情況，撰寫教育資源應(yīng)用與教學(xué)的隨想、體會(huì)的文章，撰寫教學(xué)論文或教學(xué)案例。

（2）面向高校的教學(xué)推廣應(yīng)用計(jì)劃。今后5年，項(xiàng)目將面向高校和企業(yè)陸續(xù)開放教學(xué)資源，具體開放內(nèi)容如下：仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目輔助教學(xué)軟件平臺(tái)、仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教材輔助教學(xué)資源庫(kù)、實(shí)踐教學(xué)PPT、在線題庫(kù)、集裝箱碼頭仿真案例視頻等。

4 項(xiàng)目特色與創(chuàng)新

4.1 采用理實(shí)一體化教學(xué)方法。教學(xué)項(xiàng)目主要分為理論認(rèn)知和仿真訓(xùn)練兩大類，并分別設(shè)置在線測(cè)試和實(shí)驗(yàn)考核。理論認(rèn)知模塊可供學(xué)生了解集裝箱碼頭的整體布局，并了解各裝卸工藝和典型工作任務(wù)的基本操作，通過考核學(xué)生設(shè)備功用及操作，強(qiáng)化學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握；仿真訓(xùn)練可供學(xué)生自主學(xué)習(xí)集裝箱碼頭閘口業(yè)務(wù)、堆場(chǎng)業(yè)務(wù)、裝卸船操作、貨運(yùn)站業(yè)務(wù)、中控室操作和商務(wù)管理等環(huán)節(jié)的具體操作，從對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)上升到對(duì)學(xué)生綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，能力訓(xùn)練本著由易到難、由單項(xiàng)到綜合、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的順序遞進(jìn)，遵循從“新手”到“行家”的職業(yè)發(fā)展路徑。

4.2 構(gòu)建全方位的考核評(píng)價(jià)體系。本項(xiàng)目從針對(duì)理論認(rèn)知的在線測(cè)試，針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)過程評(píng)價(jià)，并結(jié)合小組互評(píng)和教師綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)綜合成績(jī)的評(píng)定。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)步驟和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，實(shí)時(shí)提示用戶錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)操作或者結(jié)果判斷，幫助教師和學(xué)生能夠明確相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)和操作流程的掌握情況。此外，系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)生的在線實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，完整地評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成效率和實(shí)際完成效果。

4.3 產(chǎn)教融合、校企融合、科教融合的建設(shè)模式。項(xiàng)目的建設(shè)將結(jié)合內(nèi)陸省份內(nèi)河水運(yùn)優(yōu)勢(shì)和鄭州市“四港四樞多站”建設(shè)規(guī)劃，將教師的橫/縱向科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，通過與鄭州航空港、周口中心港、鄭州國(guó)際陸港以及淮安港深度合作，共同開發(fā)虛擬3D集裝箱碼頭仿真和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，以產(chǎn)教融合、校企融合和科教融合的建設(shè)模式豐富的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬仿真理念，面向集裝箱碼頭進(jìn)出口、閘口、堆場(chǎng)、裝卸等八大典型工作任務(wù)建立了虛擬3D集裝箱碼頭仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，解決了內(nèi)地高校物流管理、交通運(yùn)輸類專業(yè)集裝箱碼頭實(shí)踐教學(xué)參觀實(shí)習(xí)難、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高等問題。在此基礎(chǔ)上探索了校企合作共建的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)新模式，進(jìn)而輔助教師安全、經(jīng)濟(jì)地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以學(xué)生自主、創(chuàng)新地參與仿真實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到教學(xué)互動(dòng)、創(chuàng)新智能、資源共享、理實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。