基于虛擬海圖室的航線設(shè)計教學(xué)與評估系統(tǒng)設(shè)計

鄭尚龍， 曹寶根， 楊神化， 周建文

(集美大學(xué) 航海學(xué)院， 福建 廈門 361021)

為有效履行《1978年海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》(簡稱“STCW”)公約)及其馬尼拉修正案，進一步規(guī)范海船船員的培訓(xùn)行為，加強學(xué)員實際操作能力培養(yǎng)，提升船員的崗位適任能力，促進其綜合素質(zhì)的提高，交通運輸部編制了《海船船員培訓(xùn)大綱(2016版)》[1-2],其中對于航線設(shè)計而言，通過理論學(xué)習(xí)、實操訓(xùn)練和評估考核等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)并檢驗學(xué)員正確使用和管理航海圖書資料，設(shè)計安全、經(jīng)濟航線的綜合能力。由于航線設(shè)計的實踐性和綜合性較高，知識涵蓋面較廣，且在教學(xué)評估實踐中存在學(xué)員積極主動性不高、教學(xué)培訓(xùn)效果不良，實操能力培養(yǎng)不佳和評估客觀公正性不足等問題，難以符合航海職業(yè)的現(xiàn)實需求。[3]因此,對航線設(shè)計教學(xué)與評估進行創(chuàng)新具有十分重要的現(xiàn)實意義。

結(jié)合計算機圖形圖像和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建虛擬海圖室作為教學(xué)與評估的平臺界面，以電子化圖書資料為資源支撐，以虛擬作圖輔助工具為操作載體，設(shè)計科學(xué)合理自動評分模型。構(gòu)建基于虛擬仿真海圖室的航線設(shè)計教學(xué)與評估系統(tǒng)(以下簡稱“系統(tǒng)”)，以解決在教學(xué)與評估中存在的問題。

1 航線設(shè)計教學(xué)與評估現(xiàn)狀

航線設(shè)計教學(xué)通常集中于7 d內(nèi)進行講解演示、實操指導(dǎo)和操作訓(xùn)練，評估考試采用紙質(zhì)題卡的形式，學(xué)員根據(jù)試題要求進行操作并作答，由評估員采用人工閱卷給分。[4]該模式在實踐過程中主要存在以下幾個弊端。

1.1 學(xué)員興趣不濃，積極性不高

在7 d的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程中，面對枯燥乏味的海圖圖書，學(xué)員會產(chǎn)生厭倦怠慢的心理，內(nèi)容講解不認(rèn)真聽，操作演示不同步練，實操訓(xùn)練不踏實做。最后為使評估考試順利通過，采用押題、背題和突擊等手段，從而出現(xiàn)分?jǐn)?shù)上通過評估，但實際操作能力并未得到有效提高的“分?jǐn)?shù)適任，能力不適任”現(xiàn)象。

1.2 教學(xué)集中密集、強度大、效率低

由于學(xué)員數(shù)量眾多，教學(xué)任務(wù)跨度周期長，工作集中強度大，教師在培訓(xùn)階段持續(xù)性地重復(fù)相同的教學(xué)內(nèi)容，難免會產(chǎn)生身心疲憊，授課的精力投入和專注度會明顯下降。以海圖圖書為基礎(chǔ)輔材的教學(xué)方式，教師較難脫離講臺，難以兼顧課堂紀(jì)律、跟蹤授課效果。

1.3 航海圖書資料損耗嚴(yán)重，版本難以更新

紙質(zhì)航海圖書資料在教學(xué)與評估過程中的高頻次使用，容易出現(xiàn)磨損老舊、損毀丟失等現(xiàn)象，影響紙質(zhì)資料的使用效果。圖書配備數(shù)量上有時也難以滿足大批量學(xué)員的相應(yīng)需求，會出現(xiàn)教學(xué)與評估共用圖書資料的局面。圖書資料中時常遺留有航線痕跡、文字標(biāo)識和頁碼記號等情形，直接影響教學(xué)與評估效果。同時,由于教學(xué)經(jīng)費投入因素，圖書資料難以得到及時更新和替換，導(dǎo)致培訓(xùn)內(nèi)容或圖書版本信息與實船不符，產(chǎn)生培訓(xùn)知識上的脫鉤和斷層。

1.4 學(xué)員鞏固復(fù)習(xí)條件受限

海圖室日常由試驗人員統(tǒng)一管理，學(xué)生完成集中培訓(xùn)后，就較難有機會使用海圖圖書對所學(xué)知識進行實操性的復(fù)習(xí)與鞏固。由于培訓(xùn)和評估時間安排上通常有一定的跨度，隨著時間的推移，學(xué)員難免在知識的記憶和操作的理解上存在一定的模糊或丟失。

1.5 評估的客觀公正性難以保障

評估員在較短時間內(nèi)需完成大量學(xué)員的評估考試任務(wù)和試卷批閱工作，在此過程中工作效率和客觀公正性大打折扣，難以真實檢驗和反映每位學(xué)員的學(xué)習(xí)收獲和能力水平。同時,評估員自身資歷經(jīng)驗、實操水平和評估認(rèn)知不同，必然存在評判的主觀性、評分標(biāo)準(zhǔn)的差異性和個人情感的隨意性。

1.6 缺少教學(xué)與評估的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一

各航海類院校、培訓(xùn)機構(gòu)針對航線設(shè)計課程采用的教學(xué)方法、評估模式和題卡建設(shè)不盡相同，從而出現(xiàn)培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)不一、培訓(xùn)效果參差不齊評估考試難易程度不同等現(xiàn)象。

上述主客觀問題和不足勢必影響航線設(shè)計的教學(xué)效果，制約學(xué)員實操能力的訓(xùn)練培養(yǎng)。

2 系統(tǒng)構(gòu)建目的及意義

2.1 增強實船場景意識，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣

交通運輸部于2017年3月7日發(fā)布了《海船船員培訓(xùn)大綱(2016版)》(交辦?！?017〕33號)，其中,實踐技能與要求環(huán)節(jié)明確提出部分實踐性訓(xùn)練項目在船上(實習(xí))或?qū)嶒炇?航海模擬器)中開展。[5-6]建立三維虛擬海圖室，仿真實船航線設(shè)計的工作環(huán)境、空間布局、交互操作和作業(yè)程序。學(xué)生在學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中能了解、體驗實船海圖室環(huán)境與布局，并融入場景意識，能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于改善訓(xùn)練效果和提高能力培養(yǎng)。尤其對于部分高職院校學(xué)生，能有效彌補在船實踐機會缺失帶來的體驗和認(rèn)知不足。[7]

2.2 提高教學(xué)和評估效率，增進培訓(xùn)效果

采用單機電腦和局域網(wǎng)進行規(guī)模化配置，滿足大批學(xué)生的同步教學(xué)、訓(xùn)練和評估，日常可開放更多時間給予鞏固復(fù)習(xí)，同時可降低教師的工作強度，提高工作效率。在教學(xué)過程中，教師在主控臺的內(nèi)容講解和操作演示可同步顯示于學(xué)生端，有效實現(xiàn)點對面的實時教學(xué)信息傳輸，為教學(xué)互動、疑難解答提供更多機會。[8]

2.3 電子化圖書資料的低成本、高效率使用

通過導(dǎo)入電子化海圖和圖書，大大降低教學(xué)輔助資源的資金投入，并可高頻次、無損壞地使用；圖書資料版本也可及時替換更新，保障學(xué)員所學(xué)理論知識不斷層，實操技能不脫節(jié)；同時,規(guī)避紙版圖書資料中標(biāo)注、文字和記號等殘留痕跡對訓(xùn)練與評估效果的影響。

2.4 綜合評估試題的豐富多樣性

系統(tǒng)中綜合試題編輯器以航次命令為主線，各項評估內(nèi)容和評估要素都在既定的同一航次任務(wù)框架下進行，更符合船舶航線設(shè)計實際情況。同時,在各評估要素的固定試題框架下，對預(yù)留選擇項的不同設(shè)定可編輯任意所需試題，滿足訓(xùn)練知識涵蓋面廣和評估試題多樣性的需求，可杜絕學(xué)員對傳統(tǒng)有限評估題卡死記硬背的現(xiàn)象。

2.5 系統(tǒng)自動評判更能滿足實際需求

確立科學(xué)合理、實際可行的自動評分模型，大幅度降低評估員的工作量，降低主觀因素的影響，保障評估考核的及時正確性和客觀公正性，同時為評判過程增加監(jiān)管力度和提供評估過程與結(jié)果可追溯性。此外，系統(tǒng)還可對大量評估結(jié)果進行數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計分析，反饋航線設(shè)計教學(xué)中的難點、易錯點等信息，指引日常教學(xué)。

綜合考慮以上因素，研究構(gòu)建基于虛擬海圖室的航線設(shè)計教學(xué)與評估系統(tǒng)，對培養(yǎng)學(xué)員的航海實操技能，提高其綜合專業(yè)素養(yǎng)等具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

為實現(xiàn)系統(tǒng)框架構(gòu)建和功能應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計方案需含虛擬海圖室的操作平臺、電子化航海圖書資料、虛擬作圖工具、綜合試題的編輯與調(diào)用和評估結(jié)果的自動評判等。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性、操作可行性和系統(tǒng)完整性原則，整體設(shè)計、分步研發(fā)，最終構(gòu)建集課程訓(xùn)練端、試題編輯端和評估考試端于一體的綜合性系統(tǒng)，即基于虛擬海圖室的航線設(shè)計教學(xué)與評估系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建組織框架見圖2。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)建組織框架

3.1 虛擬海圖室構(gòu)建與交互

采用C++的Qt界面和OSG(Open Scene Graph)三維虛擬引擎技術(shù)，依據(jù)實船海圖室結(jié)構(gòu)布局構(gòu)建虛擬海圖室，作為系統(tǒng)的操作平臺界面，在構(gòu)建過程中，圍繞圖形的逼真性、布局的合理性、功能的完整性和操作的可行性展開。虛擬海圖室主要包括海圖桌、海圖柜、航海書架作圖工具。

為貼近實船的操作環(huán)境，視覺空間性、可移動性和海圖圖書所需交互性是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)與前提。通過鼠標(biāo)左鍵、右鍵和中間滾輪，以鍵盤相應(yīng)操作鍵實現(xiàn)虛擬海圖室內(nèi)全方位漫游，海圖抽選、查閱、作業(yè)圖書抽選、查閱、作業(yè)等動態(tài)交互。虛擬海圖室和交互見圖3。

圖3 虛擬海圖室和交互

為滿足海圖圖書作業(yè)的需求，創(chuàng)建相應(yīng)虛擬輔助工具。海圖工具菜單包括海圖改正工具、航線繪制工具、航跡繪算工具和純文本編輯；圖書工具菜單包括文字編輯和圖片編輯；輔助工具菜單能隨同所抽取的海圖或圖書，在全屏閱覽模式下自動顯示，以供作業(yè)選擇。

3.2 電子化圖書資料管理

為滿足航線設(shè)計試題編輯和教學(xué)與評估過程中所需海圖與圖書資料的要求，在虛擬海圖室中設(shè)計電子化圖書資料管理?？蓪㈦娮踊D與圖書資料數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬海圖室，并放置在海圖柜和書架上，作為教學(xué)與評估的資源數(shù)據(jù)庫，為整體系統(tǒng)功能實現(xiàn)提供重要的資源支撐。電子化圖書資料管理包括航海圖書管理、紙質(zhì)海圖管理和矢量海圖管理，可實現(xiàn)電子化海圖圖書資料的添加、刪除和替換，以及基本信息的編輯、保存和調(diào)用等功能，以實現(xiàn)海圖圖書資料的增加補充、版本更新、內(nèi)容改正和分類管理等。

3.3 綜合試題編輯器設(shè)計

綜合試題編輯器是系統(tǒng)中進行綜合試題編輯制作的核心平臺，更是航線設(shè)計教學(xué)培訓(xùn)、考核評估試題的關(guān)鍵支撐。根據(jù)航線設(shè)計培訓(xùn)大綱和評估規(guī)范的要求，整理評估要素，分析評估指標(biāo)，設(shè)置評分標(biāo)準(zhǔn)，確立指標(biāo)權(quán)重。綜合試題編輯器包含評估內(nèi)容和評估要素分級選擇；各評分指標(biāo)、答案標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)權(quán)重的編輯與設(shè)置，實現(xiàn)試題的創(chuàng)建、編輯、保存和調(diào)用。主菜單模塊包括模擬航次任務(wù)、查閱圖書資料、抽選航次圖書、圖書資料改正、繪制航線及制表和航跡繪算等5大模塊評估內(nèi)容。試題編輯器設(shè)計方案見圖4。

圖4 試題編輯器設(shè)計方案

3.4 自動評分模型確立

對學(xué)員的評估過程和結(jié)果的自動評判是構(gòu)建整個系統(tǒng)的核心，確立科學(xué)合理、實際可行的評分模型尤為重要。

根據(jù)航線設(shè)計評估內(nèi)容和試題的特點，評價指標(biāo)答案大部分為定量數(shù)值，如抽選海圖的圖號與圖書的書號、查詢某個燈標(biāo)的射程和燈質(zhì)和獲取推薦航線的轉(zhuǎn)向點等。但是，航線繪制模塊評估中依然存在一些非定量評分指標(biāo)，且影響因素具有不確定性和模糊性。因此，為更科學(xué)合理、客觀公正地對航線設(shè)計進行評判，需按定量評價指標(biāo)和定性評價指標(biāo)分別進行選擇和確立模型。

據(jù)資料顯示，我國政府有出臺相關(guān)條例和通知要求高校加強對大學(xué)生應(yīng)急救護教育。早在1990年，我國教育部及衛(wèi)生部就在《學(xué)校衛(wèi)生工作條例》中指出“學(xué)校應(yīng)當(dāng)把健康教育納入教學(xué)計劃,普通高等院校應(yīng)當(dāng)開設(shè)健康教育選修課或講座”；2014年，江蘇省教育廳發(fā)布了《關(guān)于實施我省百萬大學(xué)生應(yīng)急救護提升行動的通知》。政府在醫(yī)療改革方面也注意到了應(yīng)急救護的重要性，《江蘇省深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革規(guī)劃(2018-2020年)》文件中關(guān)于重點任務(wù)里提及要健全完善醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系，其中落實急救等醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)專項規(guī)劃，以及要進一步完善衛(wèi)生應(yīng)急體系。

3.4.1定量評價指標(biāo)評分

為實現(xiàn)航線設(shè)計科目中定量評價指標(biāo)的自動評判，需綜合考慮學(xué)員作答結(jié)果的準(zhǔn)確度和操作過程的熟練度。準(zhǔn)確度可通過比對學(xué)員作答結(jié)果和試題編輯時設(shè)置的參考答案進行評價；熟練度通過分析學(xué)員操作步驟的記錄和完成試題的時間進行評價。[6]評分算法模型設(shè)計如下：

假設(shè)：X為評估大綱中的各項評估要素，F(xiàn)(X)為學(xué)員完成評估試題的最終得分；x1,…,xm為容易與試題要求的內(nèi)容混淆的操作、參數(shù)以及功設(shè)置相對應(yīng)的指標(biāo);xm+1,…,xm+n為其他系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)；t為學(xué)員作答試題的時間。

(1) 學(xué)員操作結(jié)果函數(shù)為

FX(x1,x2,…,xm,xm+1,…,xm+n)

(1)

(2) 參考答案函數(shù)為

GZ(z1,z2,…,zm,zm+1,…,zm+n)

(2)

(3) 學(xué)員作答結(jié)果準(zhǔn)確度評分運算函數(shù)為

(3)

(4)

(4) 學(xué)員作答步驟熟練度評分運算函數(shù)為

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：i=m+1,m+2,…,m+n；C2為作答熟練度占總分的權(quán)重。

(5) 學(xué)員作答時間熟練度評分運算函數(shù)為

(7)

式(7)中：N為試題總數(shù);C3為時間熟練度占總分?jǐn)?shù)權(quán)重;ti為學(xué)員第i題實際作答時間;T為標(biāo)準(zhǔn)用時或平均完成時間。

(6) 學(xué)員最后總得分為

F(X)=F1(x,z)+F2(x,z)+F3(t)

(8)

3.4.2定性評價指標(biāo)評分

在同一航次任務(wù)下，每個學(xué)員都會根據(jù)不同考慮側(cè)重點繪制不同的航線，以船舶安全、經(jīng)濟為前提條件很難確定唯一的標(biāo)準(zhǔn)航線。因此，理論上規(guī)避一些涉及影響船舶安全和明顯不合理性的因素，如何判定一條航線是否為最佳是一個模糊概念，更沒有明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通過參閱文獻[9]和文獻[10]，采用“模糊綜合評價方法”作為航線繪制中定性評判指標(biāo)的評估模型，并最后通過計算機得出綜合評估結(jié)果。

(1) 確立因素集。影響航線繪制評估的因素很多，根據(jù)學(xué)校培訓(xùn)過程中學(xué)員平時訓(xùn)練和考試成績分析，導(dǎo)致航線計劃與繪制失分的主要因素在于查閱航線資料和航線繪畫過程中的安全性、經(jīng)濟性、準(zhǔn)確性、規(guī)范性和時效性。

(2) 評價集。根據(jù)我國海事局評判等級要求，劃分為優(yōu)、良、中、及格和不及格等5個等級。

(3) 單因素模糊判斷并建立因素權(quán)重集。在實踐過程通常采用層次分析法和德爾菲法。

(4) 確定評價指標(biāo)的隸屬度。非定量評價標(biāo)準(zhǔn)可通過航海理論知識和通常良好習(xí)慣做法，結(jié)合學(xué)員調(diào)查報告等確定。

(5) 確定評價指標(biāo)的權(quán)重。采取直接定權(quán)法進行數(shù)值量化，通過對航線設(shè)計培訓(xùn)教師和船長進行調(diào)研，結(jié)合其自身航海經(jīng)驗和專業(yè)認(rèn)識確定每個指標(biāo)的權(quán)重，最后取平均值作為最終指標(biāo)權(quán)重值。

在確定評價指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重的基礎(chǔ)上，利用加權(quán)平均型模糊算子對因素權(quán)重集和評判矩陣集進行矩陣相乘，即可求得綜合評判結(jié)果，同時，根據(jù)加權(quán)平均原則即可得到考生航線設(shè)計的最后評估結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文基于虛擬海圖室的航線設(shè)計教學(xué)與評估系統(tǒng)的設(shè)計研究為下一步實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用提供了方向指導(dǎo)與方案支撐。系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)是對現(xiàn)有航線設(shè)計的教學(xué)平臺、培訓(xùn)方法和評估模式的改革與創(chuàng)新，使現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)航海完美結(jié)合，以彌補教學(xué)評估與實際需求方面存在的斷層與脫鉤問題，改善航線設(shè)計的培訓(xùn)效果和評估的客觀公正性，提高我國船員的專業(yè)素養(yǎng)和實踐能力，更加符合行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實要求。