虛實結合船舶柴油機拆裝實驗教學實踐

高躍峰，張均東，趙俊豪，郭 磊，徐 賽，陳 剛，曲宏飛，趙龍文，馬忠民，李敬陽

(大連海事大學 a.輪機工程學院 b.理學院，遼寧 大連 116026)

一、引言

輪機工程專業(yè)旨在培養(yǎng)具備機械原理和輪機系統(tǒng)等方面知識，滿足相關國際公約及海事局要求的海上從業(yè)人員。該專業(yè)對實踐能力的要求非常高，大連海事大學輪機工程專業(yè)(普通班)本科培養(yǎng)計劃(2020)顯示，實驗實踐教學內(nèi)容占培養(yǎng)計劃總學分的22.54%(總學時占比超過35%)。其中，“船舶柴油機拆裝”實驗課程總課時40學時，是輪機工程專業(yè)的核心實踐課程之一，也是國際海事相關公約和我國海船船員相關法規(guī)要求的必修課程。交通運輸部辦公廳發(fā)布的《海船船員培訓大綱(2016)版》(交辦?！?017〕33號)文件明確了船舶柴油機拆裝實驗教學內(nèi)容和學時，同時提出了實踐考核的評價標準[1]。本課程著重培養(yǎng)學生的實際動手能力、溝通能力和團隊協(xié)作能力，進一步鞏固和深化課堂所學理論知識，增強對船舶柴油機結構的理解，進而具備船舶柴油機拆卸、檢查、維修保養(yǎng)、測量、裝配及調(diào)整的基本能力。

該課程所需的實驗設備為大中型船用柴油機，經(jīng)濟成本高、占用空間大、更新需求快。通常高校在實驗室配置若干拆裝用四沖程柴油機，以及少量的二沖程柴油機部件，但由于成本、空間限制，當前我國航海類高校一般無法提供拆裝用二沖程柴油機整機。有條件的少數(shù)高校會依托陸上機艙、實習船配置可運行的柴油機，但因頻繁拆裝對機器有很大的破壞性，且安全性差、成本高，一般不會用于學生的拆裝訓練。此外，傳統(tǒng)的實驗室現(xiàn)場教學模式雖然直觀、易于互動，但也存在一定的缺陷。首先，學生必須在規(guī)定時間、規(guī)定地點進行集中訓練，無法隨時隨地學習拆裝知識和進行自主訓練；其次，受時間限制，現(xiàn)場教學內(nèi)容一般只選擇有代表性的部件供學生拆裝，而其他部件如滑油自動反沖洗濾器、滑油離心濾器等重要部件教學中難以面面俱到，學生也無法直觀了解相應部件的內(nèi)部結構和工作原理；由于傳統(tǒng)的實驗現(xiàn)場教學形式單一，部分學生學習積極性較低，教與學的效果都不理想。加之，2020年初受新冠肺炎疫情影響，學生在學校實驗室進行集中拆裝訓練的時間難以得到保證，若無相應的教學模式替代，則無法正常完成規(guī)定的實驗課程。

虛擬仿真技術為解決上述問題提供了可能。該技術目前已在醫(yī)學、機械、建筑等多個學科領域教學中得到廣泛應用。虛擬仿真實驗教學融合前沿信息技術與實驗教學，具有真實性高、沉浸感強和交互性好等特點，擴展了學習資源，適應了現(xiàn)代教育技術的發(fā)展，豐富了學生的學習模式，特別適合用于模擬大型化、高能耗、高危險性的實驗[5]。中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)的《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案(2018—2022年)》中指出，要著力構建基于信息技術的新型教育教學模式，促進信息技術與教育教學深度融合，開展國家虛擬仿真實驗教學項目等建設[6]。

大連海事大學船舶柴油機教學團隊設計研發(fā)了船舶柴油機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺，采用項目導向的教學方法，將虛擬仿真同實物拆裝相結合，構建了虛實結合的船舶柴油機拆裝實驗教學模式，并對該模式進行了教學實踐應用和應用效果調(diào)查。本文結合實驗對虛實結合的船舶柴油機拆裝實驗教學實施過程及效果進行深入探討。

二、船舶柴油機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺簡介

船舶柴油機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺以PC機為載體，構建了三維虛擬的柴油機并可以進行拆裝訓練，同時可以實現(xiàn)記錄和管理用戶數(shù)據(jù)等功能。拆裝對象包括ME型低速二沖程柴油機(主機)和中速四沖程柴油機(副機)兩種典型船用柴油機，拆裝內(nèi)容涵蓋柴油機固定件及運動件等34個常見拆裝項目。考慮到當前新造船舶主機大都采用電子控制式柴油機，為使學生能掌握主流二沖程柴油機的結構及拆裝步驟，本平臺以MAN B&W 7S80ME-C9船用柴油機作為二沖程柴油機拆裝原型，該柴油機為十字頭式可逆轉廢氣渦輪增壓型，活塞行程3450 mm，活塞平均速度9 m/s，柴油機平均有效壓力17.3 bar，持續(xù)運營功率21220 kW(68 rpm)，取消了傳統(tǒng)柴油機的機械式凸輪軸機構，改為電子控制裝置和液壓伺服系統(tǒng)配合實現(xiàn)對噴油和排氣定時的精確控制。對于四沖程柴油機，則以日本YANMAR公司近年生產(chǎn)的6EY22ALW型柴油機作為拆裝原型，該柴油機為直立單作用直接噴射式廢氣渦輪增壓型，缸徑220 mm，活塞行程 320 mm，平均有效壓力 23.75 bar，額定轉速900 rpm，額定功率1300 kW，一般用作船舶副機，可為學生完整展示四沖程機典型內(nèi)部結構及拆裝過程。兩種柴油機詳細參數(shù)見對應型號產(chǎn)品說明書。圖1為本平臺拆裝用二、四沖程柴油機整體模型結構及氣缸蓋、活塞連桿組件模型示意圖。

拆裝平臺包含演示、練習和考試三種模式，支持虛擬現(xiàn)實手持輸入設備及頭盔顯示器，提供高沉浸感的船舶柴油機拆裝體驗。圖2展示了虛擬拆裝系統(tǒng)中構建的二沖程柴油機活塞連桿組件和氣缸蓋組件拆卸時的場景。此外，為有效評估學生的虛擬拆裝水平，平臺提供了拆裝考評系統(tǒng)，可以判斷學生在規(guī)定的時間內(nèi)是否掌握柴油機部件的正確拆裝步驟，以及是否能夠正確選用拆裝工具。考試結束后，經(jīng)過綜合評定，最終給出相應的考試分值，并詳細列出學生的每一步操作和得分(見圖3)。此外，為方便教師對學生虛擬拆裝訓練過程及結果進行管理，平臺提供了教務管理系統(tǒng)，教師可以在后臺實現(xiàn)用戶管理、題庫管理、課程管理、實驗報告管理、更新管理、訓練管理、考試管理以及試卷管理等功能。

三、虛實結合船舶柴油機拆裝實驗教學實踐

依托遼寧省虛擬仿真實驗教學項目，船舶柴油機拆裝實驗教學團隊近三年來一直探索將虛擬仿真實驗應用到實驗教學中的方法，開發(fā)了一套行之有效的虛實結合教學模式，如圖4所示。該模式基于虛擬拆裝仿真平臺及大連海事大學船舶柴油機實體拆裝實驗室，運用以項目為導向的線上線下相結合、課內(nèi)課外相結合和虛實相結合的混合式教學方式，建立了課前自主制訂拆裝計劃、課上實施計劃、課后復習反思和多元考核評價的教學模塊，將虛擬仿真線上學習同柴油機實物線下操作有機結合、優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了船舶柴油機拆裝實驗課程的信息化改革。

圖1 虛擬拆裝柴油機及零部件模型

圖2 虛擬拆裝場景示意圖

圖3 活塞拆卸考試過程及成績單

圖4 虛實結合教學模式

1.項目導向法

船舶柴油機涉及零件多、拆裝過程復雜、實踐性強，傳統(tǒng)教學手段難以達到理想教學效果，因此嘗試采用項目導向法開展教學。項目導向法是一種以實踐為前提、以學生為主體、以教師為主導、以項目為媒介、以培養(yǎng)學生能力為目標的教學方法[7]。采用該方法讓學生以小組為單位，通過項目式教學過程，經(jīng)歷項目資訊階段、計劃決策階段和實施驗收階段，使學生在此過程中掌握專業(yè)知識，提高實踐能力[8]。

(1)項目資訊階段。在理論課上，由專任教師發(fā)布拆裝項目計劃，并利用PPT、圖片、動畫等形式講解船舶柴油機知識，使學生初步掌握柴油機各部件的結構及功能。例如，若項目計劃為氣缸蓋拆裝，學生需掌握柴油機氣缸蓋的位置、形式和作用，以及氣缸蓋上方進排氣閥、起動閥、安全閥、噴油器等附屬部件的位置及作用。通過項目資訊階段，學生對柴油機結構形式建立初步印象，為下一步計劃實施建立基礎。

(2)計劃決策階段。計劃決策階段要求學生以4～6人小組為單位，針對即將實施的項目任務編寫項目計劃，并由教師對計劃進行審核決策確認。例如，針對船舶柴油機活塞的拆裝，要求每個小組查閱說明書和實驗指導書，同時在虛擬仿真平臺進行訓練，提前制訂拆裝計劃。計劃中應包含活塞的結構及作用、詳細的拆卸和安裝步驟、所用工具以及拆裝過程中應注意的問題等，教師對各小組提交的計劃進行修改并確認。通過計劃決策階段，學生可提前對拆裝過程進行規(guī)劃和預演，以保證在進行實際拆裝時能夠正確、有序。

(3)實施驗收階段。實施驗收階段要求學生實施前期制訂的項目計劃，并在此期間不斷自查、互查，以確保項目順利完成；完成后，由教師對項目成果進行驗收，確認項目是否順利完成。例如，在實驗教學過程中，教師需確認學生對柴油機零部件的拆裝步驟是否正確、工具使用是否合理、團隊協(xié)作是否良好、是否存在暴力拆卸等；拆裝結束后，由教師對零部件進行檢查，以確認其結構功能是否完整。學生通過實施驗收階段可驗證所制訂計劃的正確性和合理性，同時真正進行拆裝實踐，掌握柴油機拆裝技能，為上船實踐打下堅實的基礎。

2.虛實結合課堂實施

(1)課前準備。教師根據(jù)發(fā)布的拆裝任務對學生進行分組。學生根據(jù)老師發(fā)布的任務進行資料搜集，通過查閱教材、柴油機說明書和PPT，觀看動畫、視頻資料等手段，初步了解拆裝步驟、所用工具和安全事項等，通過虛擬拆裝軟件進行相關部件的拆裝練習操作，了解柴油機各部件的結構，并熟悉整個拆裝流程。綜合上述資料及操作，學生以小組為單位制訂詳細拆裝工作計劃以供下一步實施。

(2)課堂實施。進入實驗室后開始進行線下實物拆裝階段。首先由實驗教師對學生制訂的拆裝工作計劃進行審核，確認無誤后學生按照計劃內(nèi)容對柴油機實物部件進行拆卸、檢查、測量及安裝。拆裝部件包含四沖程柴油機氣缸蓋、活塞連桿組件、氣缸套、主軸承以及高壓油泵和噴油器，同時對各部件進行解體，測量的項目主要包含活塞環(huán)的高度、厚度、天地間隙和搭口間隙，以及活塞外徑和缸套內(nèi)徑等，而這些教學內(nèi)容學生已在課前虛擬拆裝軟件中進行訓練，可以用來指導拆裝實踐，使學生掌握船舶柴油機的實際維護與修理技能。

(3)課后復習。要求學生在完成課堂實物拆卸后，在課后再次對所學習的拆裝實驗進行虛擬仿真訓練，對實踐拆裝過程中不熟悉的結構反復查看學習，以達到鞏固知識點的目的。同時對實驗中的困惑提出疑問，教師在微信群針對學生提出的問題進行解答。學生在學習完成后，在老師規(guī)定的時間進行虛擬拆裝在線考試，并將成績上傳至教師端服務器。最后撰寫實驗報告，要求學生用語言陳述各部件的拆裝過程及技術要點，客觀記錄測得的各項實驗數(shù)據(jù)并進行分析，對虛擬和實物拆裝過程提出自己的意見或建議。

(4)多元評價。根據(jù)學生的各項表現(xiàn)，綜合給出評價結果。評價主要包含線下學習評價(40%)、線上學習評價(40%)和終結性評價(20%)。線下評價主要是評價學生在實驗室進行實物拆裝的技能及素質(zhì)，主要包含拆裝步驟及工具的使用是否正確，同時包含學生出勤、實驗積極性和主動性等；線上學習評價主要是為了評價學生的虛擬拆裝技能，主要根據(jù)虛擬拆裝線上考試成績；終結性評價則通過評閱學生提交的實驗報告，評價學生對知識的梳理和實驗報告的撰寫水平。

改革后的船舶柴油機拆裝虛實結合實踐教學計劃安排5天，共40學時，具體時間分配見表1。首先進行安全教育及拆裝工藝、工具和量具使用的培訓，并告知學生本周教學計劃安排；隨后，實驗室現(xiàn)場教學與虛擬仿真教學交替進行，且保持二、四沖程機的拆裝部件一致，使學生能夠?qū)煞N機型進行對比學習?？紤]到實踐課還應以學生動手操作為主，因此在教學計劃中為現(xiàn)場教學分配了較多的課時，形成“現(xiàn)場教學為主，虛擬教學為輔”的教學模式。在結束全部線上線下學習后，由任課教師組織學生進行四沖程柴油機拆裝現(xiàn)場評估和二沖程柴油機拆裝線上評估，給出每個學生的評估成績，并指出其評估過程中存在的問題。受教學時長限制，教學過程無法對柴油機所有零部件進行拆裝，因此只選擇表1所列的代表性部件作為教學內(nèi)容。

表1 船舶柴油機拆裝虛實結合教學計劃

四、虛實結合實驗課程建設成效

為了解學生對虛實結合教學模式的滿意程度，以學校輪機工程(海上方向)2017級本科生為調(diào)查對象，以課程中“柴油機氣缸蓋拆裝”章節(jié)為內(nèi)容展開調(diào)查。調(diào)查問卷由任課實驗教師編寫，通過微信群在線發(fā)布，要求學生按時完成并提交。調(diào)查主要從虛擬仿真資源評價、虛實結合教學效果評價和虛擬仿真教學優(yōu)勢三方面進行調(diào)查，共收回有效問卷421份，調(diào)查結果統(tǒng)計如下。

(1)在虛擬仿真資源評價的調(diào)查中，97.15%的學生認為所提供的虛擬柴油機零部件模型逼真、結構正確，能夠真實反映實船中零部件的內(nèi)外部結構；94.54%的學生認為本虛擬拆裝、檢查和測量實驗步驟合理，能夠真實模擬實船的拆裝過程；87.41%的學生對本虛擬實驗項目建設感到滿意，10.21%的學生認為部分滿意。

(2)在虛實結合教學效果評價的調(diào)查中，91.92%的學生認為這種虛實結合的教學模式有助于理解柴油機零部件的內(nèi)部結構及工作原理，同時可以更好地指導實物拆裝，為下一步上船工作奠定基礎；86.70%的學生認為這種教學模式對教學效果有良好的幫助。

(3)在虛擬仿真教學優(yōu)勢的調(diào)查中，85.04%的學生認為虛擬拆裝將傳統(tǒng)實物教學三維數(shù)字化和網(wǎng)絡化，能夠不限時間、不限空間，在安全、便捷的條件下開展實驗，并將知識點融會貫通，有助于切實掌握船舶柴油機系統(tǒng)的專業(yè)知識。

此外，學生也對實驗課程教學提出建議：一是客戶端軟件對電腦配置要求較高，希望在更新版本時能夠合理優(yōu)化資源，使低配置的電腦也能流暢運行虛擬客戶端；二是希望在虛擬拆裝軟件中加入柴油機運行的動畫效果，以便更好地理解柴油機的工作原理；三是希望豐富虛擬拆裝軟件的文字說明，以便更好地理解相關的結構和工作原理?？傊瑢W生對新的教學模式較為滿意。基于虛擬仿真平臺構建的“船舶柴油機拆裝虛擬仿真實驗”課程已被認定為2020年遼寧省虛擬仿真實驗教學一流本科課程。

五、結語

船舶柴油機拆裝教學團隊按照輪機工程專業(yè)“船舶柴油機拆裝”實驗大綱要求，針對當前高校實驗室無法提供拆裝用二沖程柴油機，以及四沖程柴油機型號老舊等問題，基于船舶柴油機拆裝教學平臺構建了以項目為導向的線上線下相結合、課內(nèi)課外相結合和虛實相結合的混合式教學方式，建立了課前自主制訂拆裝計劃、課上實施計劃、課后復習反思和多元考核評價的教學模式。實踐后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新的教學模式能有效調(diào)動學生的學習積極性，既讓學生較為真實地感受實船機艙環(huán)境，生動直觀地再現(xiàn)船舶柴油機核心系統(tǒng)的結構和工作原理，又幫助學生更好地掌握教學大綱和國家海事局要求的輪機設備操作及拆裝方法步驟，有助于提高學生對復雜機械結構的認知和拆裝能力，切實提高其綜合實踐能力和專業(yè)水平，培養(yǎng)學生的主動學習能力、問題解決能力和實際動手能力，對高等航海人才的培養(yǎng)起到促進作用。