课程背景
港口是水陆交通和物流的枢纽，在国民经济中居于重要的特殊地位，历来有国家“门户”、“窗口”和交通“枢纽”之称，处在中国对外开放的最前沿地带。港口是“一带一路”中海上丝绸之路的起点，海洋经济和社会发展的重要基础设施，建设世界一流的现代化海洋港口是海洋强国战略的必然要求。近年来随着中国国际贸易不断发展且高度依赖海上运输，适应国家“走出去”战略的发展；“一带一路”战略的提出等背景因素都促进了中国不断地参与海外港口项目，港口合作正逐渐成为中国与港口所在国家交往的一种重要方式。
全球80%的货物依靠海运完成，港口作为海运的终端，在资源配置、集疏运方面发挥着重要的枢纽作用。《2021中国海洋经济发展指数》报告指出，受新冠肺炎疫情影响，2020年全球海运贸易量整体下滑，我国经济和海运贸易在经历年初下降后迅速反弹，海运进口表现强劲。2022年吞吐量排名前10名的港口中有8个来自中国，主要港口吞吐量已恢复至疫情前水平，我国完成港口货物吞吐量156.8亿吨，同比增长0.9%。
2022年交通运输部发布的《水运“十四五”发展规划》中对水运行业发展提出了更高要求，“十四五”时期，预计水运需求将在高基数上保持中低速增长，2025年水路货运量、港口吞吐量将分别达到85亿吨、164亿吨，年均增长2%-3%；明确提出推进沿海主要货类专业化码头和公共基础设施建设，建设一批港口大型铁矿石接卸码头。
我国铁矿石需求量庞大，80%以上依赖进口，其中澳大利亚为主要进口国。受国际形势影响，为对冲澳大利亚安全风险，实行铁矿石多元化战略的重要布局，中资企业于2020年6月取得几内亚西芒杜铁矿的开采权，铁矿相关港口和铁路的建设已提上日程。澳大利亚和几内亚的铁矿石，均需通过海运至国内沿海码头，铁矿石码头的建设、生产和运营已成为极为重要的环节。
港口既是铁矿石的接卸地，也是堆存地，更是混矿作业的前沿阵地。以“装卸船机-带式输送机-堆取料机”为代表的典型矿石码头装卸工艺在大型专业化码头中应用较广，机械技术参数设计时若产生偏差，一旦发生事故即关系到港口从业人员的生命财产安全，如装卸船机抗倾覆能力不足而直接倾覆、跳轨或坠海，带式输送机皮带撕裂导致托辊变形或损坏等（图1）。因此，根据实际工程的自然条件、船型尺度、年货运量等参数的变化，合理设计矿石码头的装卸工艺，是提高码头装卸效率、加快库场周转能力、保障码头安全营运的基础，也是建设现代化海洋港口的基本保障。
图1 （a）装卸船设备直接倾覆； （b）装卸船设备坠海；
（c）带式输送机皮带被撕裂； （d）带式输送机托辊架严重变形
课程目标
建设矿石码头装卸工艺优化设计虚拟仿真实验课程，将实验课程与工程实际紧密结合，旨在培养具有家国情怀的复合型港航专业人才，促进港口航道相关学科建设。不仅能增进社会各界对港口的认识，更是在高等教育层面对海洋强国战略的重要落实。实验的主要教学目标简述如下：
（1）熟悉矿石码头装卸工艺的全流程，促进学生对港口相关专业知识的融会贯通
利用虚拟现实技术，结合各课程及规范中实际装卸工艺设计参数，依托既有工程实例，将矿石码头装卸工艺设计分为“码头前沿装卸作业、水平输送系统设计、库场通过能力分析和装卸工艺综合设计”四个模块，帮助学生对港口工程课程群中的《港口规划与布置》、《港口装卸工艺》、《港口水工建筑物》等课程相关知识点融会贯通。
（2）掌握矿石码头装卸工艺设计的基本方法，培养学生探索式学习的能力
在装卸工艺综合设计模块中，培养学生根据前三个模块掌握的矿石装卸工艺卸船阶段、水平运输阶段和库场作业阶段的基础认知，通过自主探索不同的设计参数与其对应的港口通过能力，并从经济、环保、社会、安全、时效、能耗六个维度对设计方案进行全方面地评价，引导学生在有限的条件下制定出较优的设计方案，激发学生创新思维和全局意识，不仅可以将理论和实践紧密地关联起来，也能将课堂知识与行业需求紧密结合起来。
（3）增强学生专业技能，激发专业认同感，培养德才兼备的优秀人才
将课程思政融入实验课程的各个模块，例如通过实验的开场视频，让学生认识到矿石码头建设在海洋强国战略中的重要地位，结合连云港港25万吨级矿石码头的实体支撑，将思政教育潜移默化地融入到实验教学过程。在装卸工艺综合设计模块，学生通过设置各个参数模拟货物入港的流程，强调模拟的结果实时反应货物的运输情况，学生亲历货物运输堵塞或不连续的场景，感受实际工程矿石装卸工艺的完整性与重要性，培养其树立认真、严谨、负责的价值观，激发学生的专业认同感以及投身海洋强国建设的情怀和使命感。
课程设计原则
借助虚拟实验技术，将晦涩的专业名词定义以学生更易接受的形式（图片、动画等）生动地展现出来，通过虚拟世界对矿石码头和装卸工艺的介绍，增强学生对矿石装卸工艺的认知，加深学生对课程相关知识的理解，弥补了实体实验无法开展的不足。
（1）坚持以学生为本、自主学习探究的教学理念
坚持以学生为中心，以任务驱动为导向，科学合理地设置实验教学环节。实验基于三维虚拟仿真技术，真实还原了矿石码头全方位、立体化、开放式、交互性的实验场景，并提供了内容详实的知识点和知识角，引导学生围绕任务开展自主式的学习和探究，身临其境地通过“沉浸式”交互式操作，高效有序地开展实验。
（2）设置科学合理、循序渐进的实验环节
实验依据《港口规划与布置》、《港口装卸工艺》、《港口水工建筑物》等课程大纲和关键知识点建立了多层次、多模块的实验教学体系，使学生逐步完成“基础认知、规律探究、自主设计”三个层面的实验，循序渐进地开展“基本原理知识学习、设计分析能力训练、创新工程思维培养”的实践学习过程，充分掌握矿石装卸工艺基本认知、装卸工艺设计原理以及装卸工艺综合设计，初步构建矿石装卸工艺知识体系。
（3）实现容错探究、修正优化的实践操作
实验结果错误或不理想时，学生可根据提示和评估结果进行多次尝试，实现实验结果的修正和优化，使学生充分感受到探索、解决问题的乐趣，提升求知欲和探索能力，培养学生建立理论设计、仿真验证、反复优化的工程设计思维，以及设计计算、实践操作和工程应用的能力。
（4）坚持科教融合、立德树人的教育理念
建设矿石码头装卸工艺优化设计虚拟仿真实验课程，将国家战略与工程实际紧密结合，旨在培养具有家国情怀的复合型水利专业人才，促进港口航道相关学科建设。不仅能增进社会各界对港口的认识，更是在高等教育层面对习近平总书记提出海洋强国战略的重要落实。码头装卸工艺设计的传统实践认知环节具有高成本、难度大、高风险等难题，实体实验由于占地面积大、实验成本高、实验周期长、破坏性实验极具危险等一系列因素影响而无法开展，无法满足新时代水利专业人才的培养需求。本实验在传授矿石装卸工艺知识的同时，帮助学生树立认真、严谨、负责的价值观，激发学生的专业认同感以及投身海洋强国建设的情怀和使命感。
第一章
码头前沿装卸作业
1.1
船舶靠泊认知
1.2
装卸机械认知
1.3
机械设备选型
第二章
水平输送系统设计
2.1
平面尺度探究
2.2
驱动速度探究
2.3
空间槽角探究
2.4
输送带力学性能校核
第三章
库场通过能力分析
3.1
堆取料机选型
3.2
效能指标规律探究
第四章
装卸工艺综合设计
4.1
方案制定与优化
4.2
效果评价
考核考核考核考核考核考核考核考核考核考核考核考核
