船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與實(shí)踐研究

路　勇, 馬修真, 高　峰, 李淑英, 費(fèi)景洲

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶動(dòng)力技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 黑龍江 哈爾濱　150001)

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船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與實(shí)踐研究

路勇, 馬修真, 高峰, 李淑英, 費(fèi)景洲

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶動(dòng)力技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 黑龍江 哈爾濱150001)

哈爾濱工程大學(xué)船舶動(dòng)力技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心依托動(dòng)力與能源工程學(xué)院強(qiáng)大的科研優(yōu)勢(shì)和學(xué)科特色,以資源整合、科研結(jié)合、校企聯(lián)合為建設(shè)思路,構(gòu)建了虛實(shí)互動(dòng)、虛實(shí)互補(bǔ)的船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,搭建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)的運(yùn)行增強(qiáng)了學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)效果,促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量,體現(xiàn)了國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的內(nèi)涵建設(shè)要求。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；教學(xué)資源； 船舶動(dòng)力技術(shù)

哈爾濱工程大學(xué)船舶動(dòng)力技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依據(jù)“實(shí)驗(yàn)室資源有效整合,教學(xué)科研緊密結(jié)合,學(xué)校與科研院所、行業(yè)、企業(yè)密切聯(lián)合”的“三合”理念[1-3],開展國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè),形成了“虛擬仿真與真實(shí)設(shè)備互動(dòng)、科研支撐與校企合作聯(lián)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色。為進(jìn)一步落實(shí)2014年教育部關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的意見,加強(qiáng)船舶動(dòng)力技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心內(nèi)涵建設(shè),船舶動(dòng)力技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心構(gòu)建了虛實(shí)互動(dòng)、虛實(shí)互補(bǔ)的船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,并搭建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),開展相關(guān)教學(xué)研究與實(shí)踐。

1　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的必要性

1.1符合船舶動(dòng)力類專業(yè)特點(diǎn)和行業(yè)特色

船舶動(dòng)力類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備多為高溫、高壓設(shè)備和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有高速旋轉(zhuǎn)部件的大型動(dòng)力機(jī)械,如大功率柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽鍋爐、機(jī)槳傳動(dòng)設(shè)備,學(xué)生實(shí)際操作設(shè)備具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)少、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高等因素的制約,難以將大型設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此,開展船舶動(dòng)力類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2符合現(xiàn)代船舶動(dòng)力技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

基于船舶動(dòng)力類專業(yè)特點(diǎn),除熱工等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備外,其他用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的專業(yè)設(shè)備成本高、更新?lián)Q代難,且多為傳統(tǒng)機(jī)型或分散設(shè)備,不能反映現(xiàn)代船舶動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的最新趨勢(shì)。同時(shí),傳統(tǒng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺少設(shè)計(jì)型、綜合型和研究型實(shí)驗(yàn)。因此,開展船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè),可以進(jìn)行高危、極端工況的設(shè)備性能實(shí)驗(yàn),滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)對(duì)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的需求。

1.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心內(nèi)涵建設(shè)的延續(xù)

在2006年開發(fā)的“船舶內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)全虛擬拆裝”教學(xué)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,船舶動(dòng)力技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托科研資源、發(fā)揮科研優(yōu)勢(shì),陸續(xù)開發(fā)了船舶燃機(jī)性能、船舶燃?xì)廨啓C(jī)、船舶聯(lián)合動(dòng)力裝置、船舶蒸汽動(dòng)力裝置等全虛擬和半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)一步突出了“虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)設(shè)備互動(dòng)、科研支撐與校企合作聯(lián)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色。因此,船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)也是國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心內(nèi)涵建設(shè)的延續(xù)。

1.4提高學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣

將現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),對(duì)提升學(xué)生的能力和水平具有重要作用。教育部在《關(guān)于進(jìn)一步開展“十二五”高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)工作的通知》中,要求創(chuàng)建貼近實(shí)際的模擬、虛擬、仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。因此,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容,是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法和手段的體現(xiàn)。利用虛擬仿真資源,可實(shí)現(xiàn)極端工況不可及或不可逆實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作,有利于提高船舶動(dòng)力類專業(yè)學(xué)生專業(yè)實(shí)驗(yàn)效果和學(xué)習(xí)興趣[4-6]。

1.5有利于強(qiáng)化優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的示范輻射

自主開發(fā)或聯(lián)合開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,有利于大型開放網(wǎng)絡(luò)課程(MOOC)的實(shí)現(xiàn),提高M(jìn)OOC效果,也有利于提高優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的示范和輻射作用,提高國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心地位[7-8]。

2　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成及運(yùn)行模式

2.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)概述

哈爾濱工程大學(xué)船舶動(dòng)力技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)較早。早在1999年,學(xué)院教師就著手開發(fā)內(nèi)燃機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng),并于2005年成功應(yīng)用到本科內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,“內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程于2007年被評(píng)為國(guó)家級(jí)精品課程。經(jīng)過多年的建設(shè),哈爾濱工程大學(xué)船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已自主或聯(lián)合開發(fā)了覆蓋船舶動(dòng)力專業(yè)所有類型(內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽動(dòng)力、輪機(jī)工程)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?，F(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源絕大多數(shù)是本?？蒲谐晒D(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。隨著技術(shù)的發(fā)展,這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不斷進(jìn)行完善和更新,因此,它們反映了我國(guó)船舶動(dòng)力專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和先進(jìn)水平[9]。

2.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成

船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源分為基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括熱工和測(cè)試實(shí)驗(yàn)；專業(yè)實(shí)驗(yàn)包括內(nèi)燃機(jī)方向、燃?xì)廨啓C(jī)方向、熱能方向和輪機(jī)工程方向的實(shí)驗(yàn)(見圖1)。其中,熱工基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)虛實(shí)互動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)性能仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(燃?xì)廨啓C(jī)全虛擬演示系統(tǒng)和船舶聯(lián)合動(dòng)力半物理仿真系統(tǒng)等)、船舶蒸汽動(dòng)力虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等資源為自主開發(fā),并具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[10-12]。

圖1　船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真資源構(gòu)成及運(yùn)行

2.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)運(yùn)行模式

船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)的運(yùn)行模式分為全虛擬運(yùn)行、虛實(shí)結(jié)合(互補(bǔ))運(yùn)行和半物理仿真運(yùn)行。全虛擬運(yùn)行方式為網(wǎng)絡(luò)終端或單機(jī)訪問資源,在課前進(jìn)行網(wǎng)上虛擬預(yù)習(xí),在實(shí)驗(yàn)課上實(shí)物再現(xiàn),為無教師指導(dǎo)的自主實(shí)驗(yàn)方式；虛實(shí)結(jié)合運(yùn)行方式是采用仿真方式完成實(shí)驗(yàn),多用于實(shí)物臺(tái)架可以部分實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的專業(yè)實(shí)驗(yàn),例如高危、高耗、不可逆或不可及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；半物理運(yùn)行方式為實(shí)物在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),需要聯(lián)合運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn),方便工況設(shè)置和故障模擬。

2.3.1基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)對(duì)應(yīng)的課程為工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、動(dòng)力裝置測(cè)試技術(shù)等。學(xué)生可以在課前通過網(wǎng)絡(luò)訪問基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)課前預(yù)習(xí)、自主學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)終端以三維動(dòng)畫演示和精品視頻課程為主,完全模擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際實(shí)驗(yàn)臺(tái)的布局和操作步驟。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)后再到實(shí)驗(yàn)室實(shí)際動(dòng)手操作,而教師的作用由講授變?yōu)橐龑?dǎo)。這種運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn),拓寬了實(shí)驗(yàn)空間、提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

2.3.2內(nèi)燃機(jī)專業(yè)方向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

內(nèi)燃機(jī)專業(yè)方向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的專業(yè)課程為內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)、內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)、內(nèi)燃機(jī)原理、內(nèi)燃機(jī)電控、內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)等,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)和內(nèi)燃機(jī)性能實(shí)驗(yàn)。內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)為虛實(shí)互動(dòng)實(shí)驗(yàn),學(xué)生可在網(wǎng)上預(yù)習(xí)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝工藝(網(wǎng)址:http://diesel.hrbeu.edu.cn/和http://diesel.hrbeu.edu.cn/english/),到實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作,并有網(wǎng)絡(luò)終端輔助,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互動(dòng),取得了很好的教學(xué)效果。內(nèi)燃機(jī)性能實(shí)驗(yàn)主要在柴油機(jī)實(shí)際臺(tái)架上進(jìn)行,對(duì)于故障模擬、柴油機(jī)增壓匹配等常規(guī)工況條件下無法開展的實(shí)驗(yàn),采用虛擬仿真手段輔助完成,實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合方式運(yùn)行。

2.3.3燃?xì)廨啓C(jī)專業(yè)方向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

燃?xì)廨啓C(jī)專業(yè)方向的專業(yè)課程為燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、船舶燃?xì)廨啓C(jī)裝置原理、燃?xì)廨啓C(jī)電站等,建設(shè)了燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)虛擬演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)性能仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用虛實(shí)結(jié)合和半物理仿真方式運(yùn)行,可以使學(xué)生全面了解燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的組成和工作原理等,掌握燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)常見故障及排除方法,初步了解先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)健康管理技術(shù)。

2.3.4熱能工程專業(yè)方向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

熱能工程專業(yè)方向的專業(yè)課程為鍋爐原理、換熱器原理及應(yīng)用、增壓鍋爐、船舶動(dòng)力裝置等,建設(shè)了船舶蒸汽動(dòng)力全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和增壓鍋爐半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。船舶蒸汽動(dòng)力全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及的船舶動(dòng)力主機(jī)及輔助設(shè)備全部采用數(shù)學(xué)建模,輔以監(jiān)控界面,以全虛擬數(shù)字仿真模型運(yùn)行。

2.3.5輪機(jī)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

輪機(jī)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的專業(yè)課程為船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)、船舶輔助機(jī)械、輪機(jī)自動(dòng)化,動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)等,建設(shè)有輪機(jī)裝置虛擬系統(tǒng)和船舶動(dòng)力裝置匹配模擬系統(tǒng)。其中輪機(jī)裝置虛擬系統(tǒng)為全虛擬仿真系統(tǒng),包括主機(jī)遙控系統(tǒng)、機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、閥門液位遙測(cè)系統(tǒng)和控制顯示系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)船舶主機(jī)遙測(cè)實(shí)驗(yàn)、機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警實(shí)驗(yàn)等。船舶動(dòng)力裝置匹配模擬系統(tǒng)主要在Simulink仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn),包括主機(jī)、軸系、螺旋槳及其他附屬設(shè)備模型,可以實(shí)現(xiàn)性能匹配仿真實(shí)驗(yàn),以全虛擬方式運(yùn)行。

3　虛擬仿真平臺(tái)在教學(xué)方面發(fā)揮的作用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。它支持本科生入學(xué)教育、通識(shí)教育、專業(yè)課程教學(xué)、專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)(包括專業(yè)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì))、大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng),以及研究生專業(yè)課程教學(xué)、專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)。目前,虛擬仿真系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)、內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)以及測(cè)試技術(shù)等12門課程的教學(xué)中得到很好的應(yīng)用,支持本科生、研究生完成的科研課題達(dá)到130余項(xiàng),在提高教學(xué)效率以及學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面起到了積極的促進(jìn)作用。

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是由科研設(shè)施轉(zhuǎn)化而來,在硬件和軟件的配置上與現(xiàn)有科研設(shè)施沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別,因而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠同時(shí)兼顧教學(xué)和科研的需要,實(shí)現(xiàn)資源共享,不但促進(jìn)了科研工作的順利進(jìn)行,也形成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與科學(xué)研究的良性互動(dòng),為平臺(tái)向更高層次的發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。

4　結(jié)束語(yǔ)

船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)資源整合、教學(xué)科研結(jié)合、校企聯(lián)合的“三合”理念。是科研優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的很好嘗試。本著“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)原則,船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)既有仿真資源的優(yōu)越性,也兼顧實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不可替代性,并且具有較強(qiáng)的可移植性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有效地延伸了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的空間和時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果。

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Study on construction and prictice of virtual simulation experimental teaching resource by using marine power technology

Lu Yong, Ma Xiuzhen, Gao Feng, Li Shuying, Fei Jingzhou

(Marine Power Technology National Experimental Teaching Demonstration Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The Marine Power Technology National Experimental Teaching Demonstration Center of Harbin Engineering University has developed the virtual simulation experimental teaching frame and system based on following the spirit of the Ministry of Education on development of virtual simulation experimental teaching resource, and the concept of “integration of the resources, combination of teaching and research, union of university and enterprise.” The virtual simulation experimental teaching frame and system are an interaction and combination mode on virtual and practical equipment. Thus the high-level teaching and experimental platform can be achieved, as well as the capacity of high quality training for students is improved and the connotation development is promoted.

virtual simulation experiment； teaching resource; marine power technology

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.029

2015- 08- 20

黑龍江省教改項(xiàng)目“高校教師科研團(tuán)隊(duì)與科研成果融入創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實(shí)效機(jī)制探索與實(shí)踐”(JG2013010202)資助

路勇(1978—),男,吉林洮南,博士,副教授,實(shí)驗(yàn)中心主任,主要從事船舶動(dòng)力裝置自動(dòng)化研究、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理.

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0117- 03