艦船機(jī)電裝備類課程實(shí)訓(xùn)條件與實(shí)訓(xùn)模式構(gòu)建

楊占錄，李衛(wèi)寧，劉吉軍

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島266100）

職業(yè)技術(shù)教育院校機(jī)電類專業(yè)直接面向各類技能型崗位培養(yǎng)人才，畢業(yè)生的實(shí)作實(shí)操技能是評(píng)價(jià)教學(xué)水平的重要標(biāo)尺，因此各院校普遍非常重視實(shí)作教學(xué)條件的建設(shè)[1]。大型工業(yè)類企業(yè)中，技能型崗位數(shù)量多，為了培養(yǎng)新入職員工的操作技能和提高在崗人員的實(shí)操技能水平，一般也設(shè)置專門的培訓(xùn)部門，建設(shè)與本企業(yè)各技能型崗位培訓(xùn)需要高度匹配的訓(xùn)練器材。例如，大型地下變電站中輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)備多，操作復(fù)雜，易出現(xiàn)故障，通過運(yùn)行在PC機(jī)上的虛擬仿真裝備的訓(xùn)練，能夠加快操作管理人員的培訓(xùn)進(jìn)程。

多年來，軍事職業(yè)技術(shù)教育機(jī)電類專業(yè)也非常重視教學(xué)條件建設(shè)。有的在艦船動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)裝置的培訓(xùn)中采用了虛擬設(shè)備進(jìn)行操作流程的培訓(xùn)[2]，有的采用虛擬系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)員的維修能力[3]。但是由于虛擬訓(xùn)練設(shè)備與系統(tǒng)無(wú)法完整地給學(xué)員提供操作真實(shí)裝備的感官輸入，因此外部結(jié)構(gòu)和實(shí)際裝備一致的半實(shí)物仿真裝備應(yīng)運(yùn)而生，成為了一種有效的維修訓(xùn)練方法[4]。為了充分發(fā)揮虛擬裝備與模擬裝備的優(yōu)點(diǎn)，也有的在一套系統(tǒng)中同時(shí)包含虛擬訓(xùn)練設(shè)備和模擬訓(xùn)練設(shè)備[5]。

艦船機(jī)電專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與其他專業(yè)有很多相似之處，可以借鑒其實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，豐富完善現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)裝備，形成分層次的、完整的實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件。

1 崗位能力需求分析

艦船機(jī)電部門包括輪機(jī)、電工等多個(gè)專業(yè)，機(jī)電專業(yè)人員執(zhí)掌的裝備數(shù)量多、種類繁雜。機(jī)電專業(yè)人員能否高標(biāo)準(zhǔn)完成操作管理職責(zé)，關(guān)系到使命任務(wù)能否完成。因此，學(xué)員在校學(xué)習(xí)期間必須習(xí)得以下能力。

1.1 正常操作使用

機(jī)電專業(yè)每個(gè)崗位的人員都執(zhí)掌一定數(shù)量的設(shè)備，其中部分設(shè)備的操作流程還比較復(fù)雜，操作過程中需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備參數(shù)比較多。熟練操作自己執(zhí)掌的設(shè)備，并且在操作過程中能根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)、設(shè)備外在表現(xiàn)判斷其技術(shù)狀態(tài)是每個(gè)學(xué)員的基本技能。

1.2 維護(hù)保養(yǎng)

機(jī)電設(shè)備存在參數(shù)漂移、正常老化等過程，因此在其壽命周期內(nèi)，為保持設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，必須按照相應(yīng)的規(guī)定對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)。維護(hù)保養(yǎng)一般是在全面檢查的基礎(chǔ)上進(jìn)行清掃、擦拭、緊固、潤(rùn)滑、調(diào)整等工作，根據(jù)檢查的結(jié)果，也可以對(duì)老化的部件進(jìn)行預(yù)防性維修或更換。

1.3 應(yīng)急處置

海上航行過程中，艦船上有大量的機(jī)電設(shè)備在工作，如果有設(shè)備出現(xiàn)狀態(tài)異常，操作人員必須能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行應(yīng)急處置，一方面要快速轉(zhuǎn)換設(shè)備的工作狀態(tài)，限制住單個(gè)設(shè)備的異常程度，使其盡可能不影響全艦的狀態(tài)和任務(wù)的執(zhí)行，如果異常設(shè)備不得不停機(jī)，則要啟用替代手段。另一方面要保證異常設(shè)備不能影響艇員及周邊其他設(shè)備的正常工作，防止不利態(tài)勢(shì)擴(kuò)大。

1.4 故障排除

機(jī)電設(shè)備使用過程中，由于設(shè)備老化、操作失誤、設(shè)計(jì)欠佳、工作環(huán)境惡化等原因都可能引發(fā)故障。對(duì)于維修困難的故障，無(wú)法短期內(nèi)完成維修工作的，可以在艦船靠碼頭后由相關(guān)單位實(shí)施維修；對(duì)于維修難度不大，或者不維修就會(huì)對(duì)任務(wù)的執(zhí)行產(chǎn)生重大影響的，艇員必須能夠依靠自身力量完成故障的診斷和排除工作。這就要求機(jī)電專業(yè)人員必須具備海上航行期間的維修能力。

2 訓(xùn)練系統(tǒng)的類型

理論學(xué)習(xí)是學(xué)員形成上述崗位任職能力的基本方式，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須通過訓(xùn)練系統(tǒng)展開實(shí)作、實(shí)操訓(xùn)練，學(xué)員才能形成有效的崗位任職能力。

2.1 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)

由于艦船裝備造價(jià)昂貴、維護(hù)費(fèi)用高，院校不可能批量配備。同時(shí)，部分裝備的關(guān)鍵部件壽命是以工作次數(shù)或工作總時(shí)間計(jì)算的，也不適合頻繁操作訓(xùn)練。而院校學(xué)員數(shù)量多，操作過程需要反復(fù)訓(xùn)練，艦船裝備無(wú)法滿足要求，因此虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)是采用計(jì)算機(jī)仿真、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)開發(fā)出虛擬訓(xùn)練設(shè)備并通過顯示器上顯示出來的，學(xué)員通過鼠標(biāo)等操作設(shè)備控制虛擬訓(xùn)練設(shè)備實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練。其中，針對(duì)機(jī)電裝備的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以分為由多個(gè)二維虛擬設(shè)備構(gòu)成的訓(xùn)練系統(tǒng)、由多個(gè)三維虛擬設(shè)備構(gòu)成的訓(xùn)練系統(tǒng)、三維空間沉浸式多崗位協(xié)同訓(xùn)練系統(tǒng)。

早期的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)一般是由多個(gè)二維虛擬設(shè)備構(gòu)成的[6]。隨著技術(shù)進(jìn)步，可以采用數(shù)個(gè)獨(dú)立的三維虛擬設(shè)備構(gòu)成訓(xùn)練系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)快，成本低。例如，動(dòng)力系統(tǒng)包括主機(jī)、控制臺(tái)等多個(gè)操作崗位的訓(xùn)練設(shè)備，每個(gè)崗位的設(shè)備對(duì)應(yīng)一臺(tái)虛擬設(shè)備、使用一套數(shù)學(xué)模型并運(yùn)行于一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。多臺(tái)虛擬設(shè)備組網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)通信和模型計(jì)算，保證各虛擬設(shè)備的狀態(tài)同步，就可以形成完整的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。與上述兩類系統(tǒng)不同，三維空間沉浸式多崗位協(xié)同訓(xùn)練系統(tǒng)整體采用一套三維設(shè)備模型和數(shù)學(xué)模型，三維設(shè)備模型可以根據(jù)需要顯示在多個(gè)顯示器上，操作人員可以實(shí)現(xiàn)機(jī)艙漫游，行走到自己執(zhí)掌的設(shè)備前進(jìn)行操作，可以采用鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備進(jìn)行操作，也可以配合頭盔顯示器進(jìn)行場(chǎng)景展示。具有極強(qiáng)的沉浸感，配合設(shè)備工作聲音的模擬，可以保證取得良好的訓(xùn)練效果。除用于操作訓(xùn)練外，虛擬設(shè)備還可以展示設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)成、部件間的連接關(guān)系、機(jī)械部件間的連鎖關(guān)系等。

2.2 半實(shí)物模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

雖然純虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)具備經(jīng)濟(jì)、安全、可反復(fù)訓(xùn)練、不受場(chǎng)地空間限制、乘訓(xùn)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但由于其操作是使用鼠標(biāo)、手套等輸入控制設(shè)備，與實(shí)際設(shè)備的操作方式存在顯著差別，操作人員無(wú)法體會(huì)大型操作部件的真實(shí)阻力矩、阻尼等操作特性，在學(xué)員已經(jīng)熟練掌握操作流程后，進(jìn)一步提高學(xué)員的操作水平就應(yīng)當(dāng)采用半實(shí)物模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

半實(shí)物模擬訓(xùn)練設(shè)備在尺寸、外觀、操作方式、顯示方式、操作后的響應(yīng)過程等方面與實(shí)際設(shè)備完全一致，學(xué)員操作過程中的體驗(yàn)與操作實(shí)際完全相同。但是模擬訓(xùn)練設(shè)備內(nèi)部沒有與實(shí)際裝備相同的部件，因此造價(jià)遠(yuǎn)低于實(shí)際裝備。其內(nèi)部一般布置有接口設(shè)備，通過接口設(shè)備的輸入模塊采集開關(guān)、按鈕等操作部件的狀態(tài)來檢測(cè)操作人員的動(dòng)作，將操作數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器中的數(shù)學(xué)模型軟件根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算出輸出部件應(yīng)有的顯示狀態(tài)，將顯示數(shù)據(jù)發(fā)送給模擬設(shè)備內(nèi)的接口設(shè)備，接口設(shè)備的輸出模塊控制儀表、指示燈等顯示部件進(jìn)行狀態(tài)輸出。該類訓(xùn)練設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此操作使用壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于實(shí)際設(shè)備，可以用于反復(fù)訓(xùn)練。但是由于體積較大，一般一個(gè)型號(hào)的設(shè)備只配置一套相應(yīng)的模擬訓(xùn)練設(shè)備。學(xué)員在此類設(shè)備上進(jìn)行正常操作流程訓(xùn)練、應(yīng)急處置訓(xùn)練，可以獲得與實(shí)際裝備接近的訓(xùn)練效果。

2.3 全實(shí)物模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

采用計(jì)算機(jī)控制的模擬訓(xùn)練設(shè)備雖然能滿足操作流程訓(xùn)練，但無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)展示、工作原理演示、故障排除等方面的教學(xué)。對(duì)于電氣類設(shè)備，可以采用全實(shí)物模擬訓(xùn)練設(shè)備滿足上述教學(xué)需求。全實(shí)物模擬設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理與實(shí)際設(shè)備相同，但是在器件等級(jí)上采用一般民用標(biāo)準(zhǔn)器件，部分器件用小功率器件代替大功率器件，因此造價(jià)遠(yuǎn)小于實(shí)際裝備。設(shè)計(jì)全實(shí)物模擬訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵步驟是要認(rèn)真研究如何在裝備上設(shè)置故障，統(tǒng)籌安排典型故障的類型與數(shù)量，讓教練員能夠方便地在設(shè)備上設(shè)置故障。設(shè)置的故障被觸發(fā)后，故障現(xiàn)象、故障的演進(jìn)過程必須與實(shí)際裝備完全一致。為方便電氣故障的診斷，可以在易于操作的位置加裝測(cè)量端子，便于操作人員采用測(cè)量工具測(cè)量電氣參數(shù)，進(jìn)行故障的診斷與排除訓(xùn)練。

2.4 實(shí)際裝備訓(xùn)練系統(tǒng)

實(shí)際裝備訓(xùn)練系統(tǒng)中的設(shè)備與艦船上的裝備完全相同，根據(jù)需要也可以營(yíng)造與艦艇相同的環(huán)境氛圍。訓(xùn)練時(shí)，一旦受訓(xùn)人員操作失誤，有可能造成事故，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，因此在實(shí)際裝備上開展訓(xùn)練，受訓(xùn)人員會(huì)承受較大的心理壓力，只有在一定心理壓力下展開的訓(xùn)練才是最貼近實(shí)際的訓(xùn)練，才能形成各崗位協(xié)同操作的能力，才能顯著提升學(xué)生工作后操作裝備的自信心。

另外，對(duì)裝備進(jìn)行規(guī)范的維護(hù)保養(yǎng)是維持其良好技術(shù)狀態(tài)的必要手段，是日常工作的重要內(nèi)容。只有在結(jié)構(gòu)組成與實(shí)際裝備完全相同的設(shè)備上開展維護(hù)保養(yǎng)訓(xùn)練，才能增強(qiáng)訓(xùn)練的針對(duì)性和有效性。

3 逐級(jí)提升式的訓(xùn)練模式

艦船機(jī)電專業(yè)學(xué)生必須具備的四種能力的生成是有先后順序的，對(duì)應(yīng)不同的能力培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)采用不同的教學(xué)條件。

學(xué)習(xí)初期，學(xué)員應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理。虛擬訓(xùn)練設(shè)備能夠展示設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、詳細(xì)展示出設(shè)備工作過程中各部件電氣與機(jī)械狀態(tài)的變化，因此，通過觀察虛擬設(shè)備，學(xué)員可以通過形象直觀的方式掌握相關(guān)知識(shí)。

對(duì)于正常操作訓(xùn)練、應(yīng)急操作訓(xùn)練，通過反復(fù)操作虛擬訓(xùn)練設(shè)備，學(xué)員可以熟記操作流程及注意事項(xiàng)。然后再采用實(shí)物模擬訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練，體會(huì)操作設(shè)備的直觀感受，初步克服操作過程中的心理壓力。學(xué)員基本形成操作技能后，可采用實(shí)際裝備建立與艦艇上相同的操作環(huán)境，包括命令下達(dá)與回復(fù)、各操作崗位間的配合操作等。完成實(shí)際裝備訓(xùn)練的學(xué)員就真正具備了裝備的操作管理能力。

學(xué)員必須要具備排除實(shí)際裝備發(fā)生故障的能力，但在實(shí)際裝備上設(shè)置故障比較困難，甚至有些故障無(wú)法設(shè)置，因此故障排除訓(xùn)練主要在模擬操作設(shè)備上開展。模擬訓(xùn)練設(shè)備具備故障設(shè)置功能，教員設(shè)置故障后，學(xué)員操作過程中會(huì)觸發(fā)故障，使設(shè)備呈現(xiàn)故障狀態(tài)，學(xué)員利用理論知識(shí)分析出所有可能的故障點(diǎn)，再用測(cè)量工具逐一測(cè)量相關(guān)電氣參數(shù)，綜合判斷，逐步定位出故障點(diǎn)，最終排除故障。

在實(shí)際裝備上進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)訓(xùn)練，可以營(yíng)造出與實(shí)際工作時(shí)相同的操作環(huán)境，維護(hù)保養(yǎng)的方法、步驟及注意事項(xiàng)等與實(shí)際裝備也完全相同，掌握相關(guān)技能后，可以直接對(duì)艦艇實(shí)際裝備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

機(jī)電專業(yè)人員是保證艦艇完成使命任務(wù)的重要群體，院校和艦艇都非常重視機(jī)電專業(yè)人員綜合能力的培養(yǎng)。建設(shè)由上述四種類型訓(xùn)練設(shè)備構(gòu)成的實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件有助于系統(tǒng)培養(yǎng)、快速形成機(jī)電人員的專業(yè)能力。限于經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等因素，可以針對(duì)裝備的特點(diǎn)，選擇建設(shè)某一種或某幾種訓(xùn)練設(shè)備。