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课程简介
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。