虛擬仿真技術(shù)在港航專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的探索與應(yīng)用

摘要：基于虛擬仿真平臺(tái)的軟硬件優(yōu)勢(shì)，探討了該技術(shù)在港航專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。以“自主學(xué)習(xí)—?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)—反饋優(yōu)化”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和培訓(xùn)過(guò)程為主線，結(jié)合3D視景仿真系統(tǒng)、場(chǎng)景建模和人機(jī)交互等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了港航業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景的3D再現(xiàn)、操作模擬和流程優(yōu)化，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力的全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué);人才培養(yǎng)模式

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2020）22-0271-02

現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展促進(jìn)了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和手段的多元化發(fā)展，改革了現(xiàn)有的人才培養(yǎng)模式?；谔摂M仿真技術(shù)的教學(xué)模式，不僅能打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，還能對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行完善和拓展。2013年教育部在全國(guó)大力推進(jìn)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作[1]，加速了高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心系統(tǒng)化、規(guī)?；陌l(fā)展，而虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展也得到了廣泛關(guān)注和研究[2，3]。因此，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)，改革教學(xué)體系和模式，培養(yǎng)港航業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新型人才成了當(dāng)務(wù)之急。三維虛擬仿真技術(shù)改革了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中以講授和演示為主的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，能夠?qū)崿F(xiàn)港航生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的流程設(shè)計(jì)和操作練習(xí)。依托三維虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作訓(xùn)練，激發(fā)和培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探索精神和實(shí)踐創(chuàng)新能力。探索并發(fā)展虛實(shí)互補(bǔ)、以虛促實(shí)的新型實(shí)踐教學(xué)模式是提升實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和效果、培養(yǎng)面向行業(yè)需求的實(shí)踐型、創(chuàng)新型人才的重要途徑[4，5]。

為實(shí)踐國(guó)家教育信息化戰(zhàn)略，培養(yǎng)港航業(yè)實(shí)踐型人才，我校以拓展港航專業(yè)實(shí)驗(yàn)室虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)功能為契機(jī)，優(yōu)化、整合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源，探索虛擬仿真技術(shù)在港航專業(yè)實(shí)踐教學(xué)和人才培養(yǎng)方面的作用，以提升港航專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

一、三維虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)成

我校虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室是港航管理專業(yè)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，于2017年完成了虛擬仿真平臺(tái)的所有的軟件開發(fā)與硬件安裝，建設(shè)總投資超過(guò)650萬(wàn)元。相關(guān)的軟硬件設(shè)備包括Barco立體投影系統(tǒng)、3D建模和環(huán)境開發(fā)軟件、系統(tǒng)仿真軟件、應(yīng)急決策軟件、學(xué)生配套電腦等。

虛擬仿真平臺(tái)的操作系統(tǒng)擁有與港航業(yè)生產(chǎn)過(guò)程一致的仿真模型庫(kù)，能夠再現(xiàn)港航業(yè)的實(shí)際場(chǎng)景和生產(chǎn)流程，并對(duì)學(xué)生在各個(gè)場(chǎng)景下的操作進(jìn)行記錄和反饋。根據(jù)港航管理專業(yè)的課程設(shè)置，教學(xué)模式大體是基于“自主學(xué)習(xí)—?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)—反饋優(yōu)化”的過(guò)程，使學(xué)生熟練掌握港航管理實(shí)務(wù)和生產(chǎn)運(yùn)作流程。學(xué)生在課后能遠(yuǎn)程登錄該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自主預(yù)習(xí)、自主練習(xí)和自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不但增強(qiáng)了課程的趣味性，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐操作能力。

二、實(shí)踐教學(xué)探索與實(shí)踐

三維虛擬仿真平臺(tái)能夠展現(xiàn)港航業(yè)的真實(shí)的生產(chǎn)運(yùn)作場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、操作和應(yīng)急演練的情景再現(xiàn)。根據(jù)港航專業(yè)的課程設(shè)置和虛擬仿真平臺(tái)的軟件配置，實(shí)踐操作訓(xùn)練的應(yīng)用大體可分為系統(tǒng)仿真優(yōu)化和應(yīng)急決策支持兩個(gè)方向。

（一）系統(tǒng)仿真優(yōu)化

將三維虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到物流管理、交通運(yùn)輸、國(guó)際航運(yùn)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)中，可為港口裝卸工藝、國(guó)際航運(yùn)管理和物流運(yùn)輸組織與管理等課程提供訓(xùn)練平臺(tái)。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，不僅能彌補(bǔ)港航業(yè)實(shí)踐教學(xué)中場(chǎng)地和設(shè)備不足，難以進(jìn)行實(shí)際操作的缺陷，而且解決了學(xué)生到港口實(shí)習(xí)的安全問(wèn)題。在實(shí)踐教學(xué)中加入仿真操作，學(xué)生可通過(guò)港口仿真場(chǎng)景的漫游、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、模型構(gòu)建、仿真操作來(lái)了解港航日常生產(chǎn)運(yùn)作、碼頭裝卸作業(yè)的相關(guān)流程，實(shí)現(xiàn)碼頭裝卸作業(yè)和運(yùn)輸運(yùn)作方案的3D仿真，并進(jìn)行相關(guān)流程的優(yōu)化，掌握港航管理知識(shí)。三維虛擬仿真技術(shù)以輸入的數(shù)值進(jìn)行仿真驅(qū)動(dòng)，學(xué)生通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的進(jìn)行分析和優(yōu)化，了解和掌握仿真系統(tǒng)中各個(gè)因素間聯(lián)系和制約關(guān)系，識(shí)別影響系統(tǒng)運(yùn)行效率的“瓶頸”因素。相比于傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方式，三維虛擬仿真平臺(tái)通過(guò)直觀的3D視景及以學(xué)生為主體的“自主學(xué)習(xí)”和“自主設(shè)計(jì)”，使學(xué)生對(duì)港口規(guī)劃、資源配置、港航業(yè)務(wù)組織有深刻的了解，掌握港航業(yè)的組織方式和運(yùn)作流程。

三維虛擬仿真技術(shù)具有交互性、開放性和便捷性等特點(diǎn)，學(xué)生可以通過(guò)登錄仿真平臺(tái)自主進(jìn)行操作訓(xùn)練來(lái)提高自身的實(shí)踐操作能力。操作訓(xùn)練和流程設(shè)計(jì)不能脫離港航業(yè)的實(shí)際情況，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要根據(jù)港航業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作的發(fā)展不斷更新和完善。“虛實(shí)結(jié)合”的港航實(shí)踐教學(xué)模式既能完善和延伸原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，又能培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

（二）應(yīng)急決策支持

三維虛擬仿真技術(shù)不僅能夠滿足港航專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的操作訓(xùn)練要求，還能實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)踐教學(xué)難以完成的教學(xué)功能，尤其在港航業(yè)突發(fā)事件的應(yīng)急管理中。港航業(yè)的突發(fā)事件帶來(lái)的損失一般較大，如溢油事件、船舶碰撞擱淺等。雖然港航業(yè)的突發(fā)事件不可避免，但可以通過(guò)逼真的應(yīng)急場(chǎng)景模擬來(lái)進(jìn)行有效的應(yīng)急決策培訓(xùn)，將事故危害降到最低。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方式下，學(xué)生都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)教師的演示講解來(lái)學(xué)習(xí)應(yīng)急管理知識(shí)，效果不佳。三維虛擬仿真技術(shù)可以重現(xiàn)不可控的突發(fā)事件場(chǎng)景，學(xué)生可以在仿真的環(huán)境中模擬應(yīng)急仿真操作。如將三維虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到船舶溢油應(yīng)急管理中，學(xué)生不但可以對(duì)溢油運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行3D仿真模擬，而且還能根據(jù)事故地點(diǎn)的風(fēng)向、潮流和溢油軌跡的計(jì)算結(jié)果，形成溢油應(yīng)急決策的輔助方案。除自主練習(xí)外，學(xué)生也可進(jìn)行分組合作，自主設(shè)計(jì)船舶溢油場(chǎng)景，模擬不同風(fēng)向、潮流影響下的溢油運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)比不同場(chǎng)景下的溢油應(yīng)急決策方案的異同，形成基于時(shí)間或可靠性的多個(gè)應(yīng)急方案。

依托三維虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)港航專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展需求，對(duì)應(yīng)急決策過(guò)程進(jìn)行模擬操作，做到“以虛促實(shí)”，既補(bǔ)充了理論知識(shí)體系，又提升了港航專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)效果。

三、結(jié)論

根據(jù)教育信息化的戰(zhàn)略要求和港航專業(yè)特色，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)對(duì)港航業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)作流程進(jìn)行認(rèn)知和實(shí)踐操作，不僅實(shí)現(xiàn)了港航實(shí)踐教學(xué)模式的改革，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐操作能力。①以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮其能動(dòng)性和創(chuàng)造力，不受時(shí)間和地域的限制來(lái)自主完成相關(guān)操作實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練。②能夠?qū)崿F(xiàn)港航業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)難以進(jìn)行的操作訓(xùn)練，滿足了自主學(xué)習(xí)、開放設(shè)計(jì)與操作及互動(dòng)交流的要求。③強(qiáng)化了學(xué)生的港航管理的理論知識(shí)體系，培養(yǎng)了創(chuàng)新和實(shí)踐能力，也提升了實(shí)踐教學(xué)的信息化和智能化水平。

隨著三維虛擬仿真技術(shù)研究的不斷深入，高校的實(shí)踐教學(xué)模式也應(yīng)該同步更新。加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)和建設(shè)，讓虛擬仿真技術(shù)在港航專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大的作用。同時(shí)，在虛擬仿真的基礎(chǔ)上也要注重實(shí)際，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合，互為補(bǔ)充，培養(yǎng)港航業(yè)創(chuàng)新型、實(shí)踐型人才。

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Exploration and Application of Virtual Simulation Technology in Port and Shipping Management Major

WANG Ying

（College of Transport & Communications， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： Based on the advantages of virtual simulation platform， the application of virtual simulation technology in the practical teaching of port and shipping management major is discussed in the paper. With the experimental teaching and training process of "autonomous learning-innovative design-feedback optimization" as the main line， 3D visual simulation system， scene modeling and human-computer interaction are combined to realize the 3D scene reproduction， operation simulation and process optimization in the port and shipping industry，? which promotes the comprehensive development of students' innovative thinking and practical ability.

Key words： virtual simulation; practical teaching; talent training mode

收稿日期：2019-10-24

基金項(xiàng)目：2019年上海市教委實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)資助計(jì)劃（“四大計(jì)劃”）

作者簡(jiǎn)介：王穎（1985-），女（漢族），江蘇泰州人，碩士，工程師，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。