VR技術(shù)在船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)中的應(yīng)用分析

陶肆 鄧華 程嘉慶 毛奎

摘?要：隨著全球海洋運輸需求持續(xù)升高，我國航運業(yè)的快速發(fā)展，對高質(zhì)量的海運人才的需求也在日益增加，而借助新興技術(shù)靈活開展航海類專業(yè)課教學(xué)，增強航海專業(yè)教育成效顯得非常重要。VR技術(shù)（Virtual?Reality?Technology）是一種軟件系統(tǒng)，利用電腦、圖形處理、多媒體感應(yīng)、Web等技術(shù)對虛擬世界進行創(chuàng)建和體驗。本文將結(jié)合船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)現(xiàn)狀及VR技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，分析VR技術(shù)在船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)中的應(yīng)用價值，相關(guān)成果可為船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)提供更多幫助，同時也為航海類專業(yè)課程教學(xué)改革提供了新視角。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；船舶結(jié)構(gòu)與貨運；教學(xué)改革；分析

1?概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual?Reality?Technology，VR）以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，可進行實時、實地、實景的虛擬仿真轉(zhuǎn)換，讓用戶沉浸在虛擬環(huán)境中自主學(xué)習(xí)，以大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為載體。VR技術(shù)是對3D技術(shù)的重建，可以實現(xiàn)三維體驗，在3D中實現(xiàn)逼真的操縱感，以身臨其境、互動性強、感性多、觀念強、自主為特點。隨著5G和虛擬技術(shù)的發(fā)展，越來越多的VR技術(shù)涌現(xiàn)出來，包括動態(tài)環(huán)境建模、實時3D圖形生成、操作系統(tǒng)開發(fā)、合成系統(tǒng)技術(shù)等，目前應(yīng)用場景比較豐富的有航海、航空、醫(yī)療、礦藏、工程、教學(xué)、軍事等領(lǐng)域。［1］

2?VR技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中現(xiàn)狀分析

VR技術(shù)可以用于醫(yī)療上的遠程會診、工程領(lǐng)域的技術(shù)分析、復(fù)雜構(gòu)件和危險環(huán)境教學(xué)上的虛擬仿真等眾多領(lǐng)域。其中，協(xié)同虛擬現(xiàn)實工作是VR技術(shù)研究和應(yīng)用的熱點，它引出了包括人的因素和網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等［2］在內(nèi)的新的應(yīng)用技術(shù)。它需要考慮的是，在共享空間內(nèi)，多個用戶之間如何互動，如何在多個用戶的共同作用下有所表現(xiàn)。因此，對VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用進行研究意義重大。

最近幾年，很多基于VR技術(shù)的學(xué)者在教學(xué)和研究方面做出了很大的貢獻。秦詠梅以實際VR技術(shù)的積極探索為基礎(chǔ)，對汽車教學(xué)實訓(xùn)課程中VR虛擬仿真的主要方式和設(shè)計進行分析，以興趣為基礎(chǔ)，以任務(wù)為主導(dǎo)，反復(fù)演練，強化技能，增強學(xué)生的職業(yè)意識，啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進而提高專業(yè)操作課程的教學(xué)效果。［1］崔江紅等為滿足教學(xué)和實際訓(xùn)練使用而開發(fā)了一套虛擬模擬操作系統(tǒng)，［3］用戶能在該虛擬仿真交互系統(tǒng)中完成“真實”工藝實驗，能作為機械類課程直觀展示的教學(xué)模塊，能作為教師、學(xué)生的科研、學(xué)習(xí)渠道，在人機交互下高效率地開展工程數(shù)據(jù)設(shè)置、研究等。由于現(xiàn)在航海類高職高專大院校多缺乏教學(xué)實習(xí)用船，這給學(xué)生學(xué)習(xí)船舶構(gòu)造和航海知識造成了很大的困難，張如凱等采用Multigen?Creator進行建模，經(jīng)過模型優(yōu)化和格式轉(zhuǎn)換，從而解決了此類教與學(xué)中的疑難問題。利用Unity3D這一跨平臺虛擬現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)引擎來完成虛擬艦船平臺的搭建，并解決教學(xué)資源匱乏的問題。伊善強等以現(xiàn)代全景模擬導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)，利用船舶構(gòu)造和裝備課程教學(xué)中遇到的實際需求高的問題，研制出360°全景船舶導(dǎo)航系統(tǒng)。［4］在講授船舶構(gòu)造和貨運課程時，這套系統(tǒng)可以讓學(xué)員在實際操作能力方面有所提高。通過在船舶構(gòu)造和貨運課程中構(gòu)建三維船模的虛擬仿真，提高學(xué)員對空間的理解力，讓學(xué)員更好地獲得真實感和體驗感。蔣效彬等根據(jù)船舶錨機教學(xué)訓(xùn)練中錨機設(shè)備笨重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、學(xué)生操作風(fēng)險大的現(xiàn)狀，提出錨機交互仿真系統(tǒng)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的方法。［5］為船舶錨機開發(fā)的三維互動操作系統(tǒng)，可模擬船舶錨機使用的全過程，滿足新的教學(xué)需要和實際操作演練。王在高等從海事院校實船教學(xué)設(shè)備不足，師資力量缺乏企業(yè)一線實踐經(jīng)驗，大多停留在應(yīng)試教育等方面分析船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程在教學(xué)實踐中存在的多種問題，并從理論和實踐教學(xué)兩個方面提出了VR技術(shù)在船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢［6］。劉松等采用虛實結(jié)合的教學(xué)模式，仿照貨艙內(nèi)聲波傳播的路徑，將VR技術(shù)引入聲學(xué)實訓(xùn)教學(xué)中。［7］采用虛實結(jié)合的真實實驗?zāi)Ｐ秃湍M情景教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生對理解音波傳播路徑、貨艙噪音等理論知識有了更深的理解和理解。

基于以上的研究，VR虛擬技術(shù)在教學(xué)中的運用已經(jīng)越來越完善。本文結(jié)合航海類專業(yè)教育教學(xué)特點，深度探析VR技術(shù)在船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程設(shè)計與教學(xué)中的應(yīng)用。教師充分發(fā)揮VR技術(shù)的應(yīng)用價值，可以使船型結(jié)構(gòu)和貨運型教學(xué)效果得到顯著增強，對于學(xué)生高效學(xué)習(xí)和精練練習(xí)都有很大的幫助。

3?船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)概述

3.1?課程內(nèi)容及特點

船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程是依據(jù)STCW公約及海船船員培訓(xùn)大綱（2021）涵蓋的內(nèi)容，按以往的教學(xué)安排，船舶結(jié)構(gòu)一般安排在大學(xué)一年級進行學(xué)習(xí)。而海上貨物運輸安排在較高年級教學(xué)的主要專業(yè)課程，兩門課程結(jié)合緊密，與船舶應(yīng)用性和實踐性較強，船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程培訓(xùn)及考試科學(xué)合理，是培養(yǎng)航海技術(shù)專業(yè)能力和職業(yè)素質(zhì)的專業(yè)核心課程。

由于船舶結(jié)構(gòu)課程具有很強的空間立體感，學(xué)生需要零距離接觸船舶，才能對船舶有基本的感性認識。要想取得理想的教學(xué)成績，如果學(xué)校沒有實船教學(xué)是非常困難的。因海運船舶的種類很多，其船舶結(jié)構(gòu)及貨艙構(gòu)造不盡相同，貨物包裝形式不統(tǒng)一，裝卸及運輸方式相差甚遠。船舶貨運課程目前的課程內(nèi)容涉及幾種主要的船舶類型，例如：客船、雜貨船、集裝箱船、散貨船、礦砂船、滾裝船、木材船、冷藏船、多用途船、油船、液體化學(xué)品船、液化氣船、挖泥船、工程船、公務(wù)船等。因每一種船舶結(jié)構(gòu)與設(shè)備都不一樣，即便學(xué)校有教學(xué)實習(xí)船，也很難有全門類的船舶類型，所以虛擬仿真技術(shù)（VR）在船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)中作用明顯。

3.2?課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

由于船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程開設(shè)較早，該門課程存在一定的特殊性，其在實際的教與學(xué)中存在著許多問題，本文通過從學(xué)生的學(xué)和教師教兩個方面深度剖析該課程在實際教的教學(xué)現(xiàn)象。

3.2.1?學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)缺乏

由于學(xué)生缺少船舶的感官認識，更缺乏相關(guān)專業(yè)知識，對實船的認知欠缺。所以該課程的前期教學(xué)是比較困難的，甚至?xí)W(xué)生的積極性造成影響，盡管學(xué)生和教師都付出了大量的時間和精力，教學(xué)效果不佳。

3.2.2?專業(yè)教學(xué)資源緊缺

海事院校常規(guī)教學(xué)過程中，實船教學(xué)設(shè)備及教學(xué)資源相對缺乏，特別是上船教學(xué)過程太少，教學(xué)過程很難理論聯(lián)系實際。船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程的知識點均圍繞船舶實際進行教學(xué)。全國航海類院校擁有自己教學(xué)實習(xí)船的學(xué)校相對較少，即使有教學(xué)實習(xí)船的學(xué)校，也很難滿足大規(guī)模的教學(xué)實習(xí)，因為一艘教學(xué)船同時能容納幾十到一百多名實習(xí)生。傳統(tǒng)的教學(xué)方式都是學(xué)生學(xué)完所有的專業(yè)課以后再上船實習(xí)，過程枯燥乏味。目前各航海院校的船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)以多媒體講授為主，實操、實訓(xùn)為輔，學(xué)生難以體會真實船舶沉浸性、交互性。

然而，隨著高考擴招和職業(yè)教育的大力發(fā)展，學(xué)生在校學(xué)習(xí)時間相對較短，航海技術(shù)專業(yè)的教學(xué)資源捉襟見肘。

3.2.3?實踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱

船舶結(jié)構(gòu)與貨運知識點較多，大多需要通過真實的觀看和實際操作，如船舶貨艙構(gòu)造、錨機設(shè)備、艙蓋設(shè)備、救生設(shè)備、系泊設(shè)備、舵設(shè)備、起重設(shè)備、系固設(shè)備等，才能真正理解和掌握到感官上的認識，才能有效理解構(gòu)造知識。這些相關(guān)知識，如果實地參觀，并在實船上操作，就能做到心中有數(shù)，融會貫通。由于實船教學(xué)及實訓(xùn)基地較少與過多的學(xué)生學(xué)習(xí)需求存在矛盾，使得大多數(shù)船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)停留在理論知識的教學(xué)的階段，需要學(xué)生去發(fā)揮空間想象或者死記硬背。［8］讓一堂精彩絕倫的實戰(zhàn)課變得索然無味，新意不足。并且船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程的實訓(xùn)課很多，目前各院校課程安排以設(shè)備或者模擬實驗室為主，上船參觀及實習(xí)為輔。近幾年，無法安排學(xué)生到船舶實訓(xùn)，在線學(xué)習(xí)是完美選擇，也規(guī)避了實船實習(xí)的風(fēng)險。

3.2.4?課堂教學(xué)存在不足

現(xiàn)在教材內(nèi)容相對枯燥，多媒體內(nèi)容相對單一，導(dǎo)致學(xué)生缺乏深入學(xué)習(xí)的動力。尤其是遇到大量晦澀的專業(yè)結(jié)構(gòu)術(shù)語、種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備及其組成、種類繁多、種類繁多的不同運輸時。以課堂教學(xué)為主要手段的教學(xué)活動，是教師教學(xué)聯(lián)系學(xué)生學(xué)習(xí)的一種雙邊活動。［9］

專業(yè)課程教學(xué)以課堂教學(xué)為主陣地，目前船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程的課堂教學(xué)存在諸多不足。教師忽視學(xué)生是課堂主體，學(xué)生失去自主性，對課堂沒有沉浸感，對于船體結(jié)構(gòu)及貨物特征這樣晦澀難懂的課程，聽起來會十分吃力。課堂教學(xué)呈現(xiàn)的內(nèi)容不具重復(fù)性，根據(jù)記憶曲線原理，知識的獲取都需要反復(fù)學(xué)習(xí)、記憶及理解。在課程教學(xué)中，實訓(xùn)課程考核也是一個重要的模塊。［1］無論是學(xué)校組織的結(jié)業(yè)考試還是海事局組織的適任考試，學(xué)生只求通過考試，而不求對知識的真正理解、掌握。盡管這樣學(xué)生可以通過考試，但是知識還是掌握不牢固，實際效果不佳，而通過引用VR技術(shù)可以很好地解決此類問題。

4?VR技術(shù)應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)與貨運教學(xué)優(yōu)勢

可以通過計算機模擬技術(shù)，實現(xiàn)船舶狹小空間漫游，在觀者眼前形成一個虛擬的逼真的船舶貨艙及貨物內(nèi)外結(jié)構(gòu)，使人有身臨其境的感覺，動態(tài)模擬與仿真來進行船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程的教學(xué)可以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

4.1?教學(xué)內(nèi)容視覺化變優(yōu)

以往教學(xué)過程中主要采用以下方法，使學(xué)生在結(jié)構(gòu)中感受到每個構(gòu)件的立體感官認識：利用每個構(gòu)件的畫面，通過PPT進行播放，在船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)中，經(jīng)常要使用實船構(gòu)件模型，如球鼻艏、首尖艙、螺旋槳、舵葉、錨等。但這樣的展示只能提供對空間缺乏認知作用的平面視角，模式化教學(xué)除了視角不同，在不同位置的學(xué)生眼中也各有不同，不失為一種好用的方法。而且并不是所有構(gòu)件都有相應(yīng)的教學(xué)模型，通過電腦多維建模，建立立體模型，再將任意視角通過旋轉(zhuǎn)的方式展現(xiàn)出來，可以說是一種相對理想的方式，但也有嚴重的不足之處。由于動畫是預(yù)先設(shè)定好的，不能任意更改過程，使用時需要學(xué)生暫停，缺乏交互感。

4.2?學(xué)習(xí)中的交互性變好

在教學(xué)中，我們需要把這些立體空間呈現(xiàn)給學(xué)生，但因為沒有實船，所以不可能讓學(xué)生進入這些立體空間。在以往的教學(xué)中，學(xué)生的空間想象是通過教師的講述來啟發(fā)的，一個虛擬的空間是讓學(xué)生想象出來的。比如，讓學(xué)生在水里看船底，在船底構(gòu)造教學(xué)是不可能的，雙層船底結(jié)構(gòu)授課，學(xué)員無法全部鉆進雙層船底艙進行實物觀摩。在教學(xué)中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，既能讓學(xué)生想象出船的空間，又能使學(xué)生看得見、聽得見，甚至觸手可及。這些教學(xué)立體空間都是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)精確構(gòu)建出來的。走進這個完全虛擬的世界，學(xué)生會有一種身臨其境地觀察各種船底構(gòu)造、雙層船殼構(gòu)成的感覺，仿佛置身于實船立體環(huán)境之中。對傳統(tǒng)理論教學(xué)的革新和挑戰(zhàn)，無疑這種虛擬情境的教學(xué)是獨特的。

4.3?學(xué)習(xí)沉浸真實感變強

多維虛擬仿真場景（MultiVirtual?Simulation）是指在現(xiàn)實生活中可能出現(xiàn)的一些場景，在不同的時間或地點通過虛擬仿真技術(shù)進行展示。在船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)中，船舶結(jié)構(gòu)的重點可分為常識、船舶結(jié)構(gòu)、錨泊設(shè)備、救生設(shè)備、上層建筑等，兼顧了實際船舶工作的實際需要。設(shè)置虛擬模擬教學(xué)場景，把真實的作業(yè)狀態(tài)在船舶的實際工作中構(gòu)建成一個場景。場景包括船舶靠離碼頭、船舶拋錨起錨、船舶消防救生演習(xí)等，像自己在船上工作、親身體驗一樣，通過學(xué)生觀察虛擬場景。學(xué)生通過這些模擬情景教學(xué)，對結(jié)構(gòu)和器材有了更好的了解，對裝卸貨物的操作也比較熟悉。

基于以上分析，通過VR技術(shù)搭建全面、真實的教學(xué)環(huán)境能夠很好地彌補船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程教學(xué)中存在的不足。同時，引入VR技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，能夠在專業(yè)教學(xué)內(nèi)容深度提升、教學(xué)平臺拓展等方面很好地改善航海類專業(yè)課的教學(xué)條件。

結(jié)語

隨著世界海運的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的日新月異，基于VR技術(shù)的教學(xué)技術(shù)將很快成為航海類專業(yè)教學(xué)的重要方式。通過VR技術(shù)的構(gòu)建和模擬，船舶結(jié)構(gòu)與貨運課程的教學(xué)更加輕松自如，增強了課程的立體感、互動感和即視感，極大提高了課程的教學(xué)效率。通過VR技術(shù)的運用，學(xué)員更好地體驗到課程教學(xué)的每一個環(huán)節(jié)，更直觀地感受和感悟到專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，從而更加得心應(yīng)手地掌握復(fù)雜難懂的專業(yè)知識。目前，隨著VR技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，計算機軟件和硬件設(shè)備價格下降，通過合理有效的教學(xué)設(shè)計，制作更多的教學(xué)資源，VR技術(shù)可為航海類專業(yè)教學(xué)提供強有力的輔助作用。

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項目基金：江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究立項課題（2021R90672）

作者簡介：陶肆（1977—?），男，漢族，安徽樅陽人，副教授，研究方向：航海安全管理。