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(大連海洋大學 航海與船舶工程學院，遼寧 大連 116023)

海上專業(yè)虛擬仿真教學中心建設的實踐探討

隋江華,李昕,張?zhí)脗?/p>

(大連海洋大學 航海與船舶工程學院，遼寧 大連 116023)

在論述海上專業(yè)模擬仿真教學必要性的基礎上，結合大連海洋大學海上專業(yè)虛擬仿真教學中心的建設過程，歸納了以教學資源為根本、以師資隊伍為基礎、以共享合作為支撐、以互動網絡為平臺和以規(guī)章制度為保障的建設內容。實踐證明，虛擬仿真教學中心的建立為學生搭建了科技創(chuàng)新平臺。

海上專業(yè)；虛擬仿真教學；教學資源；海員培養(yǎng)

一、引言

航運發(fā)展新階段對海上專業(yè)人才實踐能力的要求越來越高，傳統(tǒng)的實驗室具有投資大、效率低、高風險等不利因素，已經無法滿足國家對航海高素質人才的實踐教學的需求，也不利于高等航海類院校的實驗室建設。本文結合大連海洋大學海上專業(yè)虛擬仿真教學中心的建設，對海上專業(yè)虛擬仿真實驗教學中心建設的主要內容進行深入探討。

二、海上專業(yè)虛擬仿真教學的必要性

1.虛擬仿真教學概述

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容。2013年，教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020 年)》，決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，頒布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高司函〔2013〕94 號) 。虛擬仿真是隨著信息化、網絡化、計算機水平的不斷發(fā)展而產生的，通過虛擬技術把一些復雜的、現(xiàn)實中難以呈現(xiàn)的環(huán)境真實地呈現(xiàn)出來，用以方便實驗，并且能取得真實準確的實驗結果，達到教學、實驗、培訓等目的。虛擬仿真實驗教學采用虛擬現(xiàn)實的軟件和模擬器，可以多次重復，安全環(huán)保，成本低廉，節(jié)約能源，在美、日、加、法、澳等發(fā)達國家得到普遍采用，我國很多行業(yè)如航空航天、汽車駕駛、醫(yī)學和材料等專業(yè)教學中也普遍采用虛擬仿真技術[1-4]。

2.海上專業(yè)虛擬仿真教學的意義

我國是航運大國，但在航運人才培養(yǎng)方面與世界航運強國之間存在一定差距，其中實訓條件和實訓手段的落后是重要原因。因此，中國在“世界航運強國”的建設過程中，必須建立和完善適應國際航運人才市場競爭的國際化航海類專業(yè)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)平臺，真正成為支撐海上事業(yè)快速發(fā)展的堅強后盾，在規(guī)模和質量上適應國際開放式創(chuàng)新性高級航運人才培養(yǎng)的要求。這一點使航海類院校的海上專業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，也成為實現(xiàn)我國航運強國的戰(zhàn)略目標過程中亟須解決的重要問題。傳統(tǒng)的教學實驗中心已經不能夠滿足海上專業(yè)人才實踐教學的要求，需要采用更科學、更系統(tǒng)、更高效的實踐教學中心來適應世界航運業(yè)的快速發(fā)展。

現(xiàn)代化船舶是一個具有科技高度集中的先進工業(yè)綜合系統(tǒng)，需要高素質的專業(yè)人才來管理操控。海上人才培養(yǎng)不同于陸上其他專業(yè)的人才培養(yǎng)，在培養(yǎng)中涉及大量的大型或綜合訓練設備，具有高成本、高消耗的特點，且訓練過程中存在一定的安全風險。而實踐教學運行經費有限，一些實驗需要大量的材料消耗，同時實驗材料、實驗廢棄物對人體和環(huán)境危害較大；部分儀器設備價值較高，臺套數(shù)有限，難以保證每人都有機會實際操作。這些問題給海上專業(yè)實踐教學的開展帶來一定的困難，在很大程度上限制了學生知識的掌握和能力的養(yǎng)成。顯然，傳統(tǒng)實驗教學存在諸多不利因素，需要新的實驗教學手段予以加強和填補。為保證實踐教學質量，把虛擬仿真技術和新的實訓方法引入海上專業(yè)教學已經成為改革的方向。國際海事組織(IMO)于2010年通過的STCW公約馬尼拉修正案，提倡發(fā)展電子航海、科學航海技術，在航海教育中大力開展模擬器訓練及遠程教育。實踐教學虛實結合，既節(jié)約了實驗成本，也提高了實驗教學的效果和質量。不但契合了IMO和我國教育部的指導思想，而且有力地保障了《教育部 交通運輸部關于進一步提高航海教育質量的若干意見》中關于強化實踐能力培養(yǎng)的要求。針對海上專業(yè)人才培養(yǎng)新要求，大連海洋大學海上專業(yè)虛擬仿真實驗教學中心于2014年成功申請成為遼寧省普通本科高等學校實驗教學示范中心。

三、海上專業(yè)虛擬仿真實驗教學中心建設內容

大連海洋大學海上專業(yè)虛擬仿真實驗教學中心是在電信實驗教學中心和海洋信息技術省級重點實驗室的基礎上發(fā)展起來的，秉承“虛實融合，多元協(xié)同”的理念，將航海技術、輪機工程、自動化(船舶電子電氣工程)、電子信息工程、海洋技術、海洋漁業(yè)科學與技術、熱能與動力工程及船舶與海洋工程等學科專業(yè)(以下簡稱海上專業(yè))與信息技術深度融合，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗項目和實訓環(huán)境，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗和訓練，以達到教學大綱所要求的教學效果。

1.以虛擬仿真實驗教學資源為根本

航海教育具有國際公約強制性、崗位針對性等特征，實踐環(huán)節(jié)的高投入是長期制約航海類高素質人才培養(yǎng)的瓶頸。為了有效解決這個問題，學校大力投入建設“海上專業(yè)虛擬仿真實驗教學中心”，聯(lián)合研發(fā)各類仿真實驗項目，取得了良好的效果。

中心主要包括三個虛擬仿真實驗室，分別是駕駛虛擬仿真實驗室、輪機工程虛擬仿真實驗室和船舶仿真軟件實驗室。

(1)駕駛虛擬仿真實驗室

駕駛虛擬仿真主要包括船舶操縱模擬器、ECDIS模擬器、雷達模擬器、GMDSS模擬器等綜合性硬件仿真設備。

MTI-H2000型船舶操縱模擬器共4個大型本船，由1個教練臺、1個180°視景主本船、3個120°視景副本船組成，如圖1、圖2所示。

圖1 船舶操縱模擬器主本船

圖2 船舶操縱模擬器副本船

該模擬器具有在電子海圖上顯示船舶動態(tài)圖形的功能，能模擬船舶在各種外界條件下的操縱運動，并能記錄、打印及處理試驗結果。船舶操縱模擬器主要用于航海技術專業(yè)學生，社會職務船員二、三副、大副、船長培訓班的駕駛臺資源管理(BRM)，船舶操縱與避碰等課程的實操訓練。船舶操縱虛擬仿真實驗項目，能提高學生對船舶操縱的認識。在船舶操縱虛擬仿真實驗教學的實施下，學生的實驗學時可自由安排，學習空間不再受到限制，學生的動手能力得到較大程度的提高。在此過程中，學生由被動學習轉化為主動學習，增加了對實驗的興趣，學習積極性提高，激發(fā)創(chuàng)造性思維，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過船舶操縱模擬、船舶海上對抗訓練、特定水域環(huán)境模擬訓練等課程，學生能綜合運用航海知識，通過對航海主干課程的融會貫通，基礎知識掌握更加牢固，為學生將來從事航海職業(yè)奠定堅實的基礎，同時也積累了經驗。

電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS模擬器。主要用于航海技術專業(yè)學生、社會職務船員的電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)、電子海圖系統(tǒng)(ECS)以及船舶操縱與避碰等課程的實操訓練。該實驗項目將船舶操縱模擬器的功能融入電子海圖培訓系統(tǒng)，可將不同海區(qū)發(fā)生的各種態(tài)勢、功能和行動整合在一個練習中，并使學生得到實時的體驗，提高培訓的真實性，特別是將模擬器的模擬船位、航向、航速輸入電子海圖真機，并通過真實的AIS接收機接收練習海域的實時AIS船舶交通流，并在ECDIS終端、雷達終端和三維視景中動態(tài)顯示和查詢目標船的各種動態(tài)信息，構成虛實結合的實驗環(huán)境，完成了岸上真實實驗平臺無法開展的實驗項目。

本中心雷達模擬器，由1個教練臺、4個雷達本船構成，其中每個雷達本船包括操控臺、模擬電子海圖和模擬雷達終端，主要用于航海技術專業(yè)的航海雷達與ARPA、人工標繪、船舶導航雷達、值班水手等課程的實操訓練。通過該模擬器與本中心的真機雷達訓練相結合，完成雷達及模擬器基本操作、人工物標標繪、雷達物標識別、雷達定位與導航等訓練。

GMDSS模擬器(GMDSS simulator 2008)由80臺電腦和1臺高性能服務器聯(lián)成局域網，并與多媒體教室相連，可實現(xiàn)船與船、船與岸之間的通信模擬，主要用于航海技術專業(yè)GMDSS的實操訓練(見圖3)。學生利用該模擬器進行訓練，終端機之間可進行通信聯(lián)絡，也可與教師端進行通信聯(lián)絡，使學生能夠熟練地掌握GMDSS通用操作員的基本技能，取得海事局的崗位適任證書。

圖3 GMDSS模擬器實驗室

(2)輪機工程虛擬仿真實驗室

輪機工程虛擬仿真包括全任務輪機模擬器、輪機工程虛擬仿真實驗教學平臺、輔助設備過程仿真教學平臺和半實物仿真教學機艙等綜合性仿真設備。

DMS-2013B型輪機模擬器主要由模擬機艙、集控室、電站、模擬駕駛臺等組成。該模擬器以30萬噸級超大型油船為母型船。機艙內的動力設備及系統(tǒng)采用主機模型、大型示教板和操作控制箱等予以展示(見圖4、圖5)，可進行船舶機電設備及系統(tǒng)運行的全過程動態(tài)模擬操作，并配有仿真音響系統(tǒng)等，可以使學生感受到機艙真實環(huán)境及動力設備系統(tǒng)及操作，開展動力設備應急操作訓練及故障模擬訓練，培養(yǎng)學員應急操作能力和故障分析處理能力。

圖4 全任務輪機模擬器操作

圖5 全任務輪機模擬器實驗室

輪機工程虛擬仿真實驗教學平臺包括：VLCC船全任務輪機虛擬仿真教學軟件,調距槳漁船全任務輪機虛擬仿真軟件,漁船電力推進全任務模擬器軟件,虛擬拆裝軟件等，通過輪機工程虛擬仿真實驗教學平臺的訓練，學生初步掌握了癱船啟動、船舶進出港、船舶電站操作、輪機設備故障分析及排除等基本方法、步驟，提升了學生實際動手、分析問題和解決問題的能力，為全任務模擬器實操奠定了基礎；通過虛擬拆裝軟件的學習避免或減少了學員實物拆裝時對動力設備造成的不必要的損壞；通過虛擬漫游的學習提高了實船船舶認識實習的效率，收到了良好的實習效果。

中心擁有2臺輔鍋爐過程控制虛擬仿真系統(tǒng)。擁有1臺油霧濃度監(jiān)測模擬仿真控制箱。油霧保護系統(tǒng)的主要保護元件是油霧探測器，它能及時檢測出有否因軸承過熱或活塞環(huán)損傷造成過量漏氣等故障而導致在曲軸箱內形成油霧，從而監(jiān)視柴油機的主要運行部件——曲軸和氣缸的工作狀況是否正常。通過輔助鍋爐自動控制實驗，學生深入了解船舶輔助鍋爐自動控制系統(tǒng)的組成及原理；掌握輔助鍋爐點火前的準備、手動點火、自動點火操作以及輔助鍋爐系統(tǒng)報警處理及復位操作。輔助鍋爐自動控制系統(tǒng)在船舶機艙自動化中起著重要的作用，詳細了解其系統(tǒng)組成、工作原理對學生日后上船工作有著重要的意義。通過油霧濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)實驗，學生掌握了曲軸箱油霧濃度監(jiān)視器的調校和使用，對保證船舶安全航行具有重要的實際意義。半實物仿真教學機艙能夠給學生展示機艙內各個設備的操作和運行，具有更直觀的感覺，在一定程度上實現(xiàn)“航海教育不出海、機艙操縱不上船”的目標。半實物仿真教學機艙與已建成的“全任務模擬器”形成互補作用，實現(xiàn)“虛實結合”的輪機工程專業(yè)實踐教學模式，從而提升了輪機工程專業(yè)實踐教學的層次和水平，為培養(yǎng)出色的漁船與海船輪機高級技術人才做出貢獻。

(3)船舶仿真軟件實驗室

船舶仿真軟件包括船舶建造設計軟件CADDS5、輪機三維設計系統(tǒng)軟件SB3DS和載運仿真模擬軟件等適合二次開發(fā)的應用軟件。三維虛擬模型模擬船舶的結構及建造過程軟件CADDS5可以實現(xiàn)在三維模型中建立較為完整的船體結構信息，并在三維設計中采用并行裝配的技術，以保證信息在不同專業(yè)設計人員間快速地傳遞。通過船舶生產設計課程設計的訓練，學生實現(xiàn)模擬真實船廠工作崗位任務的完整工作過程訓練，能夠應對船舶制造這一綜合的、復雜的崗位工作。三維虛擬設計系統(tǒng)SB3DS是基于AUTOCAD平臺建立的，以三維建模技術為核心，面向輪機虛擬設計和制造的計算機集成仿真系統(tǒng)。SB3DS輪機設計軟件應用實習是配合SB3DS船舶設計軟件應用課程學習的重要實踐教學環(huán)節(jié)，通過實習過程中對SB3DS軟件的應用，使學生對輪機設計中管系三維建模與數(shù)據(jù)處理、電纜生產設計作了全面的了解，為將來從事輪機設計、制造、維修和管理等工作打下良好基礎。CargoMax計算機仿真模擬裝載軟件能實現(xiàn)多船型的作業(yè)船(漁船)、運輸船(雜貨船、集裝箱船、固體散貨船、散糧船)的配載模擬仿真設計。通過貨物配積載課程設計的訓練，學生能將船舶貨運中的理論知識很好地應用到實踐中，能將各章節(jié)分散的貨運知識得到初步的綜合運用。對于高級船員培訓，能達到熟練掌握先進裝載計算軟件的應用、多船種的裝載訓練，為今后的工作奠定良好的基礎。

2.以優(yōu)質教師隊伍為基礎

虛擬仿真實驗是多種技術的交叉與融合，具有很強的知識性、系統(tǒng)性和可操作性，這就要求從事實驗教學的教師團隊應具備較強的專業(yè)基礎知識和綜合實驗開發(fā)能力，能夠不斷更新和調整實驗內容、實驗方法以及實驗手段，使實驗教學保持科學性、先進性和前瞻性。目前中心擁有與校外企事業(yè)單位相結合的航海技術虛擬仿真和輪機工程虛擬仿真兩個教學、研發(fā)和管理團隊。

中心建立了一支基礎理論扎實、實踐技能強、愛崗敬業(yè)、勇于奉獻的“雙師型”高水平實驗教學隊伍，專職教師41人，其中教授9人、副教授11人、講師21人；具有博士學位教師17人、碩士19人；持有船員適任證書的教師24人，其中，船長6人、大副3人，輪機長4人，大管輪1人，平均年齡41歲。此外，中心還聘請企事業(yè)兼職人員聯(lián)合指導和研發(fā)，形成一支職稱、學歷、年齡、學緣結構合理的“雙師型”實驗教學隊伍和一支學術水平高、科研能力強的研發(fā)隊伍。兩支隊伍相互融合、相輔相成，為海上專業(yè)應用型人才培養(yǎng)和高素質海員培養(yǎng)提供了可靠的保障。

中心成員治學嚴謹，理論教學與實驗實踐教學相結合，絕大多數(shù)教師持有海上職務證書，具有海上實際工作的資歷，因此具有較強的實踐教學能力；部分年輕教師具有實驗教學信息化技術研發(fā)能力和虛擬仿真實驗教學能力；實驗教學中心聘請有實際虛擬現(xiàn)實研發(fā)經驗的企業(yè)高工和有船舶企業(yè)工作經歷的工程師擔任外聘教師，豐富了實驗教學和研發(fā)隊伍。

3．以共享合作為支撐

學校高度重視虛擬仿真教學，成立了海上專業(yè)虛擬仿真實驗教學中心，中心建設工作堅持“科學規(guī)劃、共享資源、擴大范圍、突出重點、提高效益”的指導思想，以優(yōu)質特色的教學資源共享為核心，以全方位服務于社會為目標，統(tǒng)籌管理相關的海上專業(yè)的實驗室建設，實現(xiàn)了本中心的教學資源最大程度的開放和共享，提高了資源的利用效果。

(1)校內共享合作

虛擬仿真實驗教學中心的教學資源面向全校學生，實現(xiàn)了“時間、空間、內容”三開放。通過自由選課，各專業(yè)的學生都有機會共享中心的實驗課程，擴大教學資源的使用范圍，使學生真正參與進來。

(2)校外共享合作

虛擬仿真實驗中心的教學平臺除服務于校內用戶學習、教學以外，也服務于海上專業(yè)等校外企事業(yè)單位，他們也可以通過互聯(lián)網查看實驗教學資源，為普及涉海涉漁知識、提升學員的綜合素質提供了良好的平臺。

4.以互動網絡為平臺

中心的虛擬仿真實驗教學平臺是為解決各種虛擬現(xiàn)實實驗項目的共享與推廣而開發(fā)設計，以便有效地服務于學校海上專業(yè)學生和社會職務船員的培訓，實現(xiàn)了集實驗項目建設、展示、管理、共享、交流、服務于一體的網絡教學管理環(huán)境。中心擁有獨立的信息平臺進入端口(見圖6)。教師在平臺上進行實驗布置、實驗操作指導；學生選擇、申請、預約實驗內容和實驗環(huán)境，動態(tài)調整虛擬仿真環(huán)境，教師與學生之間可圍繞相應實驗項目進行輔導答疑、交流討論。輔助學生對實驗項目內容的理解和認知，學生根據(jù)教學需要，在線學習虛擬仿真實驗相關知識，預約虛擬實驗設備和場地，在完成實驗后對實驗結果進行反饋，獲得相應評價。

圖6 中心信息管理平臺首頁

5.以規(guī)章制度為保障

為了確保實踐教學的正常進行，學校、中心建立健全了一系列管理制度和措施。中心嚴格執(zhí)行學校制定的實驗室資產管理制度及相關措施，其中包括：《大連海洋大學儀器設備管理暫行辦法》、《大連海洋大學儀器設備報損、報廢管理規(guī)定》、《大連海洋大學儀器設備及器材損壞、丟失賠償暫行辦法》等。

中心的儀器設備實行學校、中心二級管理和定期檢查制度。每個實驗室都有責任人，大型精密儀器設備都有專人負責。中心儀器設備使用、維護及保養(yǎng)由各實驗室的技術人員負責，負責儀器設備日常使用保養(yǎng)，記錄設備使用狀態(tài)，及時報告儀器設備故障情況。設備維護保養(yǎng)情況作為期末實驗技術人員考核的主要依據(jù)。

中心每學期對儀器設備做定期檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時組織人員維修，并認真填寫儀器設備維修記錄。設備出現(xiàn)故障首先由實驗技術人員自行維修，如無法維修，中心及時聯(lián)系廠家前來維修，保證實驗教學正常進行。在購置設備時將設備的質量和售后服務作為重要條件考慮，認真選擇信譽良好的廠家，并建立暢通的聯(lián)系途徑來保證儀器設備出現(xiàn)故障后能得到及時維修。另外，學校還設有專門的教學設備維修費來保證實驗、實踐教學儀器設備的維護、維修等工作。

四、結語

海上專業(yè)虛擬仿真實驗教學中心的建設，使學生的學習熱情得到充分的激發(fā)，動手實踐能力、創(chuàng)新能力也得到不斷提升。幾年來，學生在本中心進行各級各類科技創(chuàng)新項目50余項，獲得遼寧省大學生“挑戰(zhàn)杯”課外各類學術科技競賽的多個獎項；中心成員獲批省部級教改項目13項；教師發(fā)表實驗教學改革論文15篇，出版教材12部。實踐證明，建設海上專業(yè)虛擬仿真教學中心，采用“虛實結合”的方式對提升海上專業(yè)人才的培養(yǎng)質量具有極大的推動作用。

隨著虛擬實驗技術的應用越來越受國家、省級主管部門的重視，一批非常優(yōu)秀的虛擬仿真實驗室脫穎而出。大連海洋大學海上專業(yè)虛擬仿真實驗教學利用中心的網絡信息管理平臺及硬件設施條件，充分發(fā)揮學校海上專業(yè)的智力優(yōu)勢；平臺亦可解決社會職務船員培訓中的難題，向涉海企業(yè)開放，實現(xiàn)校內外、本地區(qū)及更廣范圍內的實驗教學資源共享，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系，為遼寧省乃至全國提供船員模擬訓練培訓服務。

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U676.2

A*

2015-06-10

隋江華(1976-)，女，副教授，博士，主要從事船舶與海洋工程、船舶運動控制、輪機自動化研究。

1006-8724(2015)03-0070-06