馬文耀

（廣東海洋大學航海學院，廣東湛江 524025）

《船舶結構與設備》是航海技術專業(yè)一門重要的主干專業(yè)課程，也是海事局規(guī)定的海船船員適任證書考試的科目之一。由于該課程為專業(yè)基礎課，在大多數航海院校里該課程先于其他專業(yè)課程開設。該課程具有很強的應用性，但是由于該課程內容繁多，涉及范圍廣，實踐性較強，而航海院校學生又缺乏船上實踐經驗，對于船體結構和甲板設備無感性認識。因此，傳統(tǒng)的教學方法很難讓教師的教與學生的學形成對接，教師教得吃力，學生學得模糊［1］。如何利用當前先進的技術來改革教學方法，讓學生掌握船舶結構與設備方面的知識，是當前航海技術教育面臨的一個重要課題。

目前，虛擬現實技術已廣泛應用于航空航天、工程技術、建筑設計、醫(yī)學實習、軍事訓練等許多領域［2］。在發(fā)達國家，虛擬現實技術已應用于遠程教育及課堂教學。虛擬教學就是利用虛擬技術模擬難以講解的教學場景，并使之可視化和可參與性，讓學員在可視化和參與性下能更好地學習到相關技能。

針對該課程教學中存在的問題，結合虛擬教學的優(yōu)點，將虛擬現實技術運用在該課程的教學中，發(fā)揮該技術在教學中的優(yōu)點，

改善教學效果。

1 教學中存在的問題

1．1 學生缺乏專業(yè)基礎概念

由于該門課程開設較早，學生缺乏相關專業(yè)概念，許多學生仍然把船的概念停留在木筏船的階段。更有甚者在學習該門課程之前連船也沒有看見過。該現象以中西部地區(qū)的生源尤為顯著。這一瓶頸的存在，導致在教學初期難度較大，有時甚至會影響到學生的學習積極性；學生與老師雖都付出了大量的心血，但教學效果卻往往不佳。

1．2 教學資源缺乏

教學設備及教學資源相對缺乏，教學難以緊密聯系實際。《船舶結構與設備》課程中的所有知識點都是圍繞“船”在教學［3］，沒有船談何教學！但現實是我國航海類院校只有幾所學校擁有自己的教學實習船。即使有教學船的學校，由于一艘教學船可容納實習生的數量多為幾十人至一百人，但航海院校動則都有數以千計的航海專業(yè)的學生同時學生在校的學習時間又相對較短。因此仍然不能完全滿足教學的需要。有的學校甚至出現了學生把所有的專業(yè)課都已經完成以后才輪到上船實習的機會［4］。教學設備的缺乏由此可見。

1．3 實踐與教學脫鉤

《船舶結構與設備》課程中的許多知識點的傳授是需要通過實際觀測和實際操縱才能真正理解和掌握的，如錨設備、系泊設備、舵設備、起重設備、系固設備等［5］。這些相關知識只有也只能在船上進行現場參觀和操作才能做到深刻的理解和掌握。但是由于大數量的學生和少數量教學實訓基地之間的矛盾，使得大多數教學僅僅停留在原始的書本教學的階段。一切都需要學生去想象或者死記硬背。無法落實到位的實踐教學和緊張的教學資源使得一門精彩實用的課程，變得枯燥無味。

2 虛擬現實的優(yōu)點

虛擬現實（Virtual Reality）是把客觀上存在的或并不存在的東西，通過運用計算機技術，在用戶眼前生成一個虛擬的環(huán)境，使人感到象真實存在的一種技術。虛擬現實技術是在綜合計算機圖形學、計算機動態(tài)模擬與仿真、傳感技術、顯示技術等許多計算機學科的基礎上發(fā)展起來的一種計算機應用新領域。

2．1 虛擬現實技術的特怔

虛擬現實的特征可以表示為3I特征（Immersion、Interaction、Imagination）

（l）投入（Immersion）：這是 VR系統(tǒng)的核心，指使用戶投入到由計算機生成的虛擬場景中的能力。用戶在虛擬場景中有“身臨其境”之感。

（2）交互性（Interaction）：指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，它是人機和諧的關鍵性因素。

（3）構想（Imagination）：虛擬現實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。

2．2 虛擬教學具有以下優(yōu)點：ST

（1）教學內容視覺化

（2）學習中的交互性好

（3）沉浸感真實感強

3 虛擬現實技術在課程中的應用

虛擬現實應用于《船舶結構與設備》教學主要表現在以下兩個方面：課堂教學和實驗教學。

3．1 課堂教學

課堂教學是教學的主要方式，也是虛擬現實運用于教學的主要戰(zhàn)場。在《船舶結構與設備》課程教學中，虛擬現實主要有以下方面的應用：船體構件的立體展示，教學立體空間的展示和教學虛擬場景的構造。

（1）船體構件的立體展示

在教學中經常要使用一些實船構件展示如螺旋槳，舵葉和錨等，在以往的教學環(huán)境中，為了更形象地使學生感受船體結構中各個構件的三維物體的信息，主要采用這樣一些方法：①利用圖片，通過投影儀展示。但這種展示只能提供立體物體的某一個視角或者某幾個視角，學生無法見到提供的圖片以外的視角，且學生被剝奪自主選擇視角的權利。②實物展示：這是一個很古老而且是很實用的方法，但它存在的一個比較嚴重的缺點是由于各個學生所處的位置不同，雖然教師拿的是同一個實物，但在不同位置學生的眼中，視角都不盡相同。而且實物不可能做得很大，后面的學生可能就無法觀測清楚。同時，實物教學比如錨，學生們必須到實驗室才能展示，不能用在理論課堂上展示。有些學校教學資源缺乏，沒有相應的教學實物。③通過計算機三維造型及動畫軟件，如3dsMAX等，建立一個與實物基本相同的模型，然后通過旋轉展示各個視角，可以說這是一種比較理想的方法，但它也存在一個嚴重的不足。因為動畫是一個預先設定的過程，學生在使用時只能讓它停止或播放，而不能任意按照自己的意愿隨意選擇視角。

圖1 三維模擬技術模擬船舶結構

通過虛擬現實，我們可以構建一個與實物同樣的三維物體，如采用3dsMAX建模，存儲為VRML格式，然后在VRML播放器中使用?；蛘呃肣UICKTIME VR等都可以得到很好的效果。如在該課程中船舶結構是教學中的一個重點同時也是一個難點。利用計算機三維模擬技術模擬船舶結構，如圖1，然后讓學生從各個視覺去觀察，一則省卻了實物的制作，二則讓學生按照自己的意愿去觀察。有效解決復雜多變的船體空間結構難以展示的問題，營造直觀、動感的學習環(huán)境，提高學生學習興趣和學習質量。

（2）教學立體空間的展示

立體空間是指在現實世界中存在的或者根據歷史資料在歷史中曾經真實存在的空間。在教學中，我們可能需要向學生展示這些空間，但由于條件的限制，不可能讓學生進入這些空間，在以往教學中，只能夠通過教師的描繪來激發(fā)學生的想象，在學生的頭腦中創(chuàng)建出這個虛擬的空間來。如：在講授船舶船底構成時，學員不可能在水中觀察船底。再如，講授船舶雙層底結構時，學生們沒有機會進入這些雙層底空間，實物觀摩。教學中使用虛擬現實，我們不僅能在學生頭腦中建立這些空間，而且可以讓學生看得見、聽得見，甚至可以摸得著。利用虛擬現實技術準確構造這些教學立體空間。進入這個完全虛擬的世界，學生會感到置身于教學環(huán)境中，可以身臨其境地觀察各種船底構造和雙層底構成。無疑這種虛擬情景的教育是獨一無二的，是對傳統(tǒng)的書本教育和授課教育的一種革新和挑戰(zhàn)。

（3）教學虛擬場景的構造

虛擬場景是指在現實生活中可能出現的一些場景，通過虛擬現實在不同的時間或地點表示出來。在《船舶結構與設備》課程授課中，考慮船上實際工作的需要，船舶結構與設備的重點可分為船舶常識、船體結構、四大甲板設備（錨設備、舵設備、系泊設備、裝卸設備）三大模塊。建立虛擬教學場景，將船舶實際工作中運行狀態(tài)構造成場景。場景包括船舶靠離碼頭，船舶拋錨和起錨，裝卸貨等。通過學生們觀察虛擬場景，仿佛自己就在船上工作，親身經歷這些操作一般。通過這些場景教學，學生們更好地認識了四大甲板設備，并熟悉這些設備的操作以及注意事項。

3．2 實驗教學中應用虛擬現實教學手段

《船舶結構與設備》課程用包括錨設備、舵設備、系泊設備、裝卸設備的操作與使用。采用虛擬現實技術開發(fā)的航海模擬器已經在教學中廣泛采用。其中船舶拋起錨作業(yè)、船舶系離泊作業(yè)、船舶裝卸貨作業(yè)等虛擬現實仿真訓練以及船舶操舵模擬器的使用，讓學生們熟練掌握四大設備的使用和操作，為他們日后上船工作，打下良好的基礎。傳統(tǒng)教學實驗大綱的制訂沒有考慮航海模擬器這一現代教學手段，學生航海實習均在海上進行，專業(yè)教學也是課堂為主，效果不太理想。所以，將航海專業(yè)英語口語、操舵訓練和船舶結構與設備等課程教學內容結合起來，利用航海模擬器提供的逼真的視景效果，把教與學的情景同航海實際過程結合起來，通過駕駛臺資源的綜合運用、船舶間避讓操縱、靠離泊、拋起錨航線設計等航海活動，把相關英語口語、操舵教學內容融入其中，激發(fā)學生學習的主觀能動性，從而提高學生的動手能力。這樣不僅能提高《船舶結構與設備》課程的教學效果，而且可以縮短學生的見習時間，降低真實船舶為實習學生提供學習而產生的風險，節(jié)省實習費用。更重要的是由于這些虛擬的訓練系統(tǒng)無任何危險，學生可以不厭其煩地反復練習，直至掌握操作技能為止。

4 結 論

隨著科學技術的飛速發(fā)展，可以預言，本世紀具有夢幻般魅力的虛擬現實技術將成為航海教學的重要手段。模擬和仿真并存，計算機多媒體教學，使《船舶結構與設備》課程的教學變得立體化和多元化，教學效果大大提高。采用虛擬現實，可以使學生完全沉浸到課程教學所需要的環(huán)境中去，更直觀和感性地學習知識。目前，盡管虛擬現實系統(tǒng)的硬件設備還比較昂貴，虛擬現實技術尚未能普及。但隨著硬件設施的飛速發(fā)展，VRML技術的不斷完善和發(fā)展，虛擬現實技術在航海教育中將得到越來越廣泛的應用。

1 葉明君．“船舶結構與設備”教學方法改革與思考［J］．航海教育研究，2007（2）

2 鐘大鵬，張艷紅．基于VRML的學習環(huán)境及其應用［J］．廣西教育學院學報，2004（1）

3 吳亞軍．從適任考試談“船舶結構與設備”課程的教學重點［J］．廣州航海高等?？茖W校學報，2004（2）

4 招定友，從船員適任統(tǒng)考談“船舶結構與設備”教學改革［J］．航海教育研究，2009（3）

5 中國海事服務中心，船舶結構與設備［M］．北京：人民交通出版社，2008