船舶輪機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè) Construction of Virtual Simulation Experiment Platform for Marine Engineering System

萬超 WAN Chao 包國治 BAO Guo-zhi

摘要： 船舶輪機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是輪機(jī)工程專業(yè)一門重要的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程，通過學(xué)習(xí)使學(xué)生對輪機(jī)設(shè)備和系統(tǒng)的組成、原理、選型、運(yùn)行方法有全面的了解，會依照法律、法規(guī)和規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生解決工程設(shè)計(jì)問題的能力。隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的普及，建立線上教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，打破實(shí)驗(yàn)條件限制，改革課程教學(xué)模式，拓展課程服務(wù)面向，更好的為行業(yè)人才的培養(yǎng)提供服務(wù)。

Abstract： Marine engineering system experiment is an important practical course for the major of marine engineering. Through learning， students will have a comprehensive understanding of the composition， principle， selection， and operation methods of marine equipment and systems， and will be able to design systems in accordance with laws， regulations and specifications， and improve their ability to solve engineering design problems. With the professional certification of engineering education and the popularization of Internet information technology， an online teaching experiment platform has been established to break the experimental conditions， reform the curriculum teaching model， expand the curriculum service orientation， and better provide services for the cultivation of industry talents.

關(guān)鍵詞： 船舶輪機(jī)系統(tǒng);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)平臺

Key words： marine engineering system;virtual reality;experiment platform

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0251-02

1? 課程建設(shè)背景

1.1 符合工程教育要求

工程教育認(rèn)證現(xiàn)已成為高等教育發(fā)展的重要方向，其核心思想是OBE理念，倡導(dǎo)在學(xué)生的培養(yǎng)過程中，參照企業(yè)需求制定專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，重構(gòu)培養(yǎng)方案，組建師資隊(duì)伍，構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系，為大學(xué)生能力素質(zhì)提升服務(wù)。走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生在“動(dòng)手能力滿足企業(yè)崗位需求、工程素養(yǎng)符合企業(yè)技術(shù)內(nèi)涵、團(tuán)隊(duì)精神適應(yīng)工作需要、創(chuàng)新意識促進(jìn)企業(yè)發(fā)展”與企業(yè)需求不相適應(yīng)[1]。傳統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)和手段與工程教育理念、新工科思維脫節(jié)，不適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代大學(xué)生學(xué)習(xí)行為習(xí)慣。

1.2 支撐能力培養(yǎng)平臺

漸進(jìn)式培養(yǎng)方法構(gòu)建“意識引導(dǎo)、興趣激發(fā)、體驗(yàn)增強(qiáng)、榮譽(yù)激勵(lì)、競爭創(chuàng)新”的能力提升路徑，實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)作為大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法中的重要部分，在培養(yǎng)過程中發(fā)揮重要作用。實(shí)驗(yàn)課程模塊、實(shí)踐課程模塊、創(chuàng)新課程模塊構(gòu)建了豐富的課程教學(xué)體系，工程認(rèn)知平臺、工程實(shí)訓(xùn)平臺、科技創(chuàng)新平臺構(gòu)建了優(yōu)良的平臺支撐體系，課程與平臺相互補(bǔ)充、相互耦合，共同支撐大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3 落實(shí)以人為本的理念

目前船舶輪機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下問題：輪機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大、費(fèi)用高。前期投入大，后期維護(hù)貴，開設(shè)過程受時(shí)間、地點(diǎn)等條件制約?，F(xiàn)場認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，教師分身乏術(shù)，難以細(xì)致指導(dǎo)每位學(xué)生，教學(xué)效果難達(dá)預(yù)期[2]。輪機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行，難以保證每個(gè)學(xué)生動(dòng)手操作時(shí)間，導(dǎo)致學(xué)生不能深入了解輪機(jī)典型設(shè)備，不符合“以人為本”的教育理念。

1.4 滿足持續(xù)改進(jìn)的需求

多過程融合的教學(xué)體系圍繞“課內(nèi)教學(xué)、實(shí)踐認(rèn)知、工程實(shí)訓(xùn)、科技創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作”等方面開展建設(shè)，促進(jìn)教學(xué)平臺間的有效銜接。以企業(yè)需求為源點(diǎn)，以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向，構(gòu)建支撐知識、能力、素質(zhì)達(dá)成的閉環(huán)式培養(yǎng)體系。課程教學(xué)圍繞教學(xué)資源配置、學(xué)習(xí)環(huán)境改善、教學(xué)方法改革來開展，借助信息技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，通過運(yùn)行、監(jiān)督、反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)質(zhì)量持續(xù)提升。

2? 實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

針對傳統(tǒng)船舶輪機(jī)系統(tǒng)教學(xué)中存在的教學(xué)方法單一，知識學(xué)習(xí)和訓(xùn)練動(dòng)手操作相互分離，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性等問題，本文提出圍繞實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)建設(shè)船舶輪機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，包含船舶輪機(jī)系統(tǒng)虛擬認(rèn)知實(shí)驗(yàn)和柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)兩部分，平臺架構(gòu)如圖1。

2.1 船舶輪機(jī)系統(tǒng)虛擬認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)使學(xué)生熟悉基于實(shí)船實(shí)景建立的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，認(rèn)知船上主要的輪機(jī)設(shè)備和位置、掌握設(shè)備布置方法和工作原理，掌握主要設(shè)備的英文標(biāo)識。有別于傳統(tǒng)的航運(yùn)駕駛類輪機(jī)工程專業(yè)，我校的輪機(jī)工程專業(yè)以船舶動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)制造為方向，專業(yè)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)通常屬于高危作業(yè)環(huán)境，存在較高的安全隱患，因此開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以規(guī)避現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約時(shí)間成本、降低教學(xué)開銷，有利于實(shí)驗(yàn)組織和建設(shè)。該虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置2學(xué)時(shí)、11步，滿足實(shí)驗(yàn)認(rèn)知與考核。

2.2 柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)對船舶輪機(jī)系統(tǒng)的“心臟”——柴油機(jī)進(jìn)行虛擬拆裝及動(dòng)態(tài)仿真，使學(xué)生了解零部件結(jié)構(gòu)形式，熟悉柴油機(jī)的工作原理和安裝工藝。船用設(shè)備特點(diǎn)是重量大，體積大，拆裝危險(xiǎn)程度高。實(shí)驗(yàn)用小型柴油機(jī)，成本高，損耗大，不發(fā)支撐大批量單人操作，限制了學(xué)生對拆裝工藝的掌握。船舶柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，突破各方面條件限制，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的無限次拆裝，降低了經(jīng)濟(jì)成本，消除了安全隱患，增強(qiáng)了訓(xùn)練和能力培養(yǎng)。該虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置2學(xué)時(shí)，涵蓋主要柴油機(jī)零部件的認(rèn)知與拆裝。

2.3 功能原理

船舶輪機(jī)系統(tǒng)虛擬認(rèn)知實(shí)驗(yàn)以典型船舶為對象進(jìn)行三維全景建模、建數(shù)據(jù)庫，設(shè)置交互“熱點(diǎn)”按鈕，實(shí)現(xiàn)實(shí)船場景漫游。設(shè)置實(shí)驗(yàn)考核題庫，是學(xué)生在漫游中認(rèn)知船上主要的輪機(jī)設(shè)備、熟悉輪機(jī)設(shè)備的位置、掌握輪機(jī)設(shè)備的布置方法和工作原理，掌握主要輪機(jī)設(shè)備的英文標(biāo)簽。

柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建虛擬場景，以典型船用柴油機(jī)為對象進(jìn)行建模，其功能可實(shí)現(xiàn)360°三維認(rèn)知、第一視角虛擬拆裝、仿真運(yùn)行展示等，有利于學(xué)生掌握柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、核心零部件、組裝工藝和柴油機(jī)工作原理。

3? 課程創(chuàng)新特色

3.1 教學(xué)虛實(shí)結(jié)合

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的三維場景來源于散貨船、全回轉(zhuǎn)拖輪、滾裝船、集裝箱船等典型船舶，利用全景相機(jī)進(jìn)行了場景再造，猶如身臨其境。構(gòu)建的柴油機(jī)模型來源現(xiàn)實(shí)機(jī)型，渲染逼真，仿真度、美觀度高。全景三維場景實(shí)船認(rèn)知與虛擬認(rèn)知結(jié)合、虛擬拆裝與實(shí)踐競賽結(jié)合、通過實(shí)船全景虛擬漫游和柴油機(jī)虛擬拆裝項(xiàng)目，采用交互式、體驗(yàn)式教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生對船舶機(jī)艙復(fù)雜工程系統(tǒng)的感性認(rèn)知，有效提升工程實(shí)踐能力。

3.2 資源在線共享

本實(shí)驗(yàn)納入省級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺共享運(yùn)行，以服務(wù)教學(xué)、面向?qū)I(yè)為目標(biāo)。該實(shí)驗(yàn)全網(wǎng)在線運(yùn)行，可滿足大用戶同時(shí)在線學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)平臺基于因特網(wǎng)和局域網(wǎng)雙架構(gòu)，校外網(wǎng)訪問基于阿里云服務(wù)器，校內(nèi)網(wǎng)訪問基于校內(nèi)服務(wù)器，具有穩(wěn)性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。另外，該實(shí)驗(yàn)平臺直接為本單位創(chuàng)建的“江蘇省內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)與拆裝技能大賽”提供賽事組織和訓(xùn)練服務(wù)[3]，拓展了實(shí)驗(yàn)功能和服務(wù)面向。

3.3 支撐人才培養(yǎng)

學(xué)校因海而生，因船而興，是江蘇船舶工業(yè)最重要的人才培養(yǎng)基地之一、科技創(chuàng)新平臺之一、學(xué)術(shù)交流中心之一，正向“國內(nèi)一流造船大學(xué)”目標(biāo)奮進(jìn)。輪機(jī)學(xué)科是省級重點(diǎn)學(xué)科、國防特色學(xué)科，支撐學(xué)校船舶優(yōu)勢學(xué)科發(fā)展。輪機(jī)工程專業(yè)是國家一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)、國防科工委重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)，具備“本-碩-博”培養(yǎng)體系，為江蘇船舶工業(yè)輸送了大批優(yōu)秀人才。學(xué)校發(fā)起成立“江蘇船舶與海洋類高校協(xié)同發(fā)展聯(lián)盟”，共同促進(jìn)教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)資源的共享共建，為江蘇造船業(yè)人才梯隊(duì)的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4? 課程應(yīng)用情況

4.1 服務(wù)課程教學(xué)

面向輪機(jī)專業(yè)學(xué)生，作為理論必修課和實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課的輔助學(xué)習(xí)平臺，發(fā)揮其虛實(shí)結(jié)合功能，體現(xiàn)知識要點(diǎn)，支撐課程目標(biāo)的能力素質(zhì)達(dá)成;面向校內(nèi)船舶相關(guān)專業(yè)，提供2學(xué)分公選課，開展16學(xué)時(shí)網(wǎng)絡(luò)平臺學(xué)習(xí)和16學(xué)時(shí)在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場操作，考核合格進(jìn)行學(xué)分認(rèn)定;面向校外學(xué)生，開設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程，開放在線學(xué)習(xí)、仿真漫游、虛擬拆裝和網(wǎng)絡(luò)考試等模塊，對完成學(xué)習(xí)與考核的學(xué)生提供開放網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)證明，推動(dòng)不同學(xué)校間相關(guān)課程的互認(rèn)互通。

4.2 支撐省級賽事

柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所用柴油機(jī)原型為四洋柴油機(jī)廠生產(chǎn)的380機(jī)型，是“江蘇省柴油機(jī)設(shè)計(jì)與拆裝技能大賽”指定機(jī)型，該實(shí)驗(yàn)為學(xué)生賽前訓(xùn)練服務(wù)，在日常教學(xué)過程中將理論和實(shí)踐緊密結(jié)合。通過虛擬操作，使每個(gè)學(xué)生都能執(zhí)行完整的拆裝過程，充分體現(xiàn)了工程教育專業(yè)認(rèn)證“以學(xué)生為中心”的理念，響應(yīng)了教育部“以本為本”的高校定位。項(xiàng)目運(yùn)行以來每年為校內(nèi)外3千名課程或參賽學(xué)子提供學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練，共同打造出深受學(xué)生喜愛的實(shí)踐訓(xùn)練與創(chuàng)新競賽品牌活動(dòng)，有利促進(jìn)省內(nèi)高校間大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與交流，相關(guān)活動(dòng)受到教育部、人民日報(bào)、省教育廳等權(quán)威媒體關(guān)注與報(bào)道[4]。

5? 總結(jié)展望

工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力是工科專業(yè)學(xué)生的核心素養(yǎng)，是工程教育的重要目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程作為支撐目標(biāo)達(dá)成的主要平臺，在人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮不可替代的作用。著力于能力培養(yǎng)，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式與方法，建立線上實(shí)驗(yàn)平臺，開展線上線下相結(jié)合的虛擬仿真教學(xué)，融合了網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的時(shí)代特征，規(guī)避了大型儀器設(shè)備現(xiàn)場教學(xué)的不利因素。豐富的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，全場景的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有利于學(xué)生沉浸于實(shí)踐訓(xùn)練，對提高實(shí)驗(yàn)認(rèn)知，提升實(shí)踐能力，啟迪創(chuàng)新思維具有較好作用。后續(xù)，將持續(xù)開展仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)與實(shí)踐，推動(dòng)江蘇船海高校聯(lián)盟共建共享教學(xué)資源，為船舶類人才培養(yǎng)繼續(xù)探索前行。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬超，楊興林，溫華兵，王軍.船舶動(dòng)力類人才多過程融合漸進(jìn)式培養(yǎng)探索與實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（32）：24-27.

[2]包國治，夏兆旺.基于虛擬仿真技術(shù)的輪機(jī)工程專業(yè)認(rèn)知與實(shí)踐的探討[J].價(jià)值工程，2017，36（33）：227-228.

[3]肖建昆，溫華兵.賽教結(jié)合的實(shí)踐課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2018（37）：99-100.

[4]全省首屆柴油機(jī)拆裝技能大賽舉行[N].江蘇省人民政府網(wǎng)站，2014-11-18.