甘輝兵，張均東，郭蒙，李燕彪

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

一、引言

輪機自動化課程是輪機工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，也是理論性、實踐性很強難度較高的一門課程。課程中很多艱深的理論知識需要借助對應的實驗實踐操作來達到深入認識和掌握的目標；同時，強化輪機自動化控制系統(tǒng)的實踐操作，可加強學生的實踐動手能力，為未來更好地服務于實船工作奠定堅實的基礎。

目前，航海院校一般是通過購置相關(guān)的輪機自動化實驗裝置來完成配套的實驗實踐教學。由于設備購置成本高、更新慢、易損耗及維護成本高等原因，很難做到與機艙自動化技術(shù)更新同步配套，也難以達到讓所有學生都動手實驗實踐的要求，這勢必影響學生實踐動手能力的培養(yǎng)及崗位適任能力的提升。

我國海事局在船員適任能力方面做了明確要求，并在《<中華人民共和國船員培訓管理規(guī)則>實施辦法》中明確規(guī)定，航海院校和培訓單位必須配備相關(guān)的實訓設備。這些實訓設備價格較高，平均每套價值達十萬或幾十萬元人民幣[1]；相關(guān)文件要求的配置1套或2套設備的最低要求僅能滿足觀摩性教學的需要，無法做到讓所有學生動手操作。

經(jīng)過多年持續(xù)不斷的投入和建設，大連海事大學輪機自動化課程先后被評為國家精品課程、國家精品資源共享課程和國家精品在線開放課程(首批國家級一流本科線上課程)，該課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度也得到業(yè)內(nèi)的廣泛認可，同時，輪機自動化課程引入網(wǎng)絡化、信息化手段進行教學模式改革已取得一定成果[2-3]。但是，相關(guān)資源的建設和改革偏向于理論教學部分，實驗實踐部分仍然缺乏系統(tǒng)的設計與建設。文獻[4]嘗試利用虛擬仿真實驗室來設計輪機自動化課程內(nèi)容，但是利用整套龐大的虛擬實驗來進行相關(guān)內(nèi)容教學，一方面對教師提出更高的要求，另一方面有一些實驗實踐內(nèi)容難以達到課程設計要求或不能滿足主管機關(guān)的相關(guān)要求。

隨著計算機虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，在實訓領(lǐng)域采用基于網(wǎng)絡的虛擬仿真技術(shù)輔助教學已有較多成功案例。采用三維手段在計算機中構(gòu)建虛擬的實船場景并進行輪機操作教學，可以給學員提供虛擬的學習環(huán)境，避免實物操作造成的安全風險和故障。盡管虛擬輪機操作訓練不能完全替代實船操作，但它有助于提高實船操作中對控制系統(tǒng)原理與參數(shù)調(diào)整引起的結(jié)果的認知，不僅能模擬反饋控制、流程操作及參數(shù)調(diào)節(jié)等正常操作過程，還可以反復模擬實際難以演練的故障定位與排除、安全保護與應急操作。這些技術(shù)的發(fā)展都給輪機自動化課程的實驗實踐教學帶來了機遇。

基于以上背景，本文結(jié)合相關(guān)實驗實踐教學設備的研發(fā)及教學實踐，探討一種輪機自動化配套實驗實踐課程多模式教學設計，針對不同的實驗實踐內(nèi)容，采用不同的技術(shù)手段和策略來設計實驗教學環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)在有限的成本投入下通過使用技術(shù)領(lǐng)先、高效耐用的實驗設備完成實踐教學，實現(xiàn)學生實踐能力提升產(chǎn)出的最大化。

二、輪機自動化課程配套實驗教學內(nèi)容及設備情況

依照輪機工程專業(yè)培養(yǎng)方案及交通運輸部海事局對船員適任能力培養(yǎng)的要求，各航海院校開設的輪機自動化課程配套實驗教學內(nèi)容大同小異。以大連海事大學輪機工程專業(yè)輪機自動化課程配套實驗教學為例，其主要教學內(nèi)容包括反饋控制系統(tǒng)認識實驗、自動化儀表實驗(變送器及調(diào)節(jié)器)、冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)實驗、主機燃油黏度自動控制系統(tǒng)實驗、燃油輔鍋爐時序自動控制系統(tǒng)實驗、主機遙控系統(tǒng)實驗及機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)實驗等。

反饋控制系統(tǒng)認識實驗屬于通用性較強的演示性實驗內(nèi)容，幾乎所有自動化類專業(yè)都能涉及，所以這部分的實驗教學一般是通過購買通用的自動化教學實驗系統(tǒng)來實現(xiàn)相關(guān)的演示性教學。

自動化儀表實驗(變送器及調(diào)節(jié)器)主要是對船舶機艙中常用的傳感器、變送器及調(diào)節(jié)器進行結(jié)構(gòu)和功能了解及性能驗證實驗教學。由于船舶機艙工作環(huán)境的特殊性，這些儀表又不同于陸上通用的自動化儀表實驗，所以通常需要專業(yè)定制自動化儀表實驗臺來完成相關(guān)的實驗教學或船員評估以滿足海事局對船員適任能力的要求。這部分實驗內(nèi)容雖然屬于驗證性實驗，但是需要對相關(guān)儀表進行動手實踐操作，而且船舶機艙自動化儀表屬于精密儀表，高頻次的實踐操作會導致實驗儀器維護困難和損壞嚴重，直接關(guān)系到實驗教學成本投入的多少和教學效果的優(yōu)劣。

主機燃油黏度自動控制系統(tǒng)、燃油輔鍋爐時序自動控制系統(tǒng)、主機遙控系統(tǒng)及機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)實驗都屬于典型的船舶機艙自動控制實例的驗證和設計實驗，也是輪機自動化配套實驗教學重點講授和動手實踐操作的內(nèi)容。完成這些實驗的教學設備屬于船舶機艙自動控制系統(tǒng)特有的專用設備，因此需要專門的研發(fā)或定制。按照目前海事局有關(guān)規(guī)定的實驗設備臺套數(shù)的最低配置要求，在有限的實驗學時內(nèi)很難實現(xiàn)人人動手操作實踐。同時，由于專門定制的實驗設備還存在著更新速度慢和維護成本高的問題，很難與最新的船舶機艙自動化技術(shù)同步。這些因素勢必影響到學生實踐動手能力的培養(yǎng)。

三、多模式配套實驗教學設計

針對輪機自動化配套實驗課程中三類不同特征的實驗教學內(nèi)容及目前存在的問題，設計一種多模式的實驗教學策略，見表1所列。

表1 多模式實驗教學策略設計

針對第一類實驗教學，主要采用“實體現(xiàn)場教學演示”的教學模式。為了達到高效的實驗演示效果，授課團隊首先錄制基于實體實驗臺的標準教學演示視頻供學生實驗前反復觀看與預習，讓學生了解實驗設備的基本組成、功能及實驗目的，為現(xiàn)場實驗教學奠定基礎。然后學生進入實驗室認識實際實驗設備，由教師簡要介紹和演示實驗過程，進一步加深理解反饋控制系統(tǒng)組成的幾大要素。在現(xiàn)場教學時，授課教師可以通過提問的方式了解學生理論聯(lián)系實際的掌握情況。這種模式可以在有限的實驗設備資源和時間內(nèi)做到實驗教學的高效有序。

針對第二類實驗教學，主要采用“虛實結(jié)合，以實為主”的教學模式?！疤搶嵔Y(jié)合，以實為主”是將虛擬和實體的自動化儀表實驗臺結(jié)合起來，以實體實驗為主，而虛擬實驗用于實體實驗前的虛擬練習以輔助實體實驗教學。由于這一類實驗需要每個學生在實體實驗臺上進行實踐操作，因此，有必要錄制教學視頻供實驗前學習，以便事先了解實驗設備的組成與原理、注意事項和實驗目的。同時學生可以借助虛擬自動化實驗儀表軟件系統(tǒng)，自主進行反復的操作練習，達到熟練操作的程度，接下來進入實驗室進行實際操作。由于實驗前已經(jīng)安排了虛擬操作預習，因此教師只需對實驗操作注意事項進行簡單講解，學生便可以開展實驗操作。在這種教學模式下，學生可以快速掌握實際操作技巧，從而有效避免實驗中無從下手或?qū)嶒炘O備損壞的問題。教師不用花費大量時間重復講解，而是將更多的精力用于指導實踐中學生遇到的重點難點問題，通過啟發(fā)交流尋找解決方案。這種教學模式進一步改進了“以學生為中心”的實驗教學模式，既能提高實驗實踐效果和效率，又能有效延長精密實驗設備的使用壽命，節(jié)約實驗成本。

針對第三類實驗教學，主要采用“虛實結(jié)合，以虛為主”的教學模式。很顯然，這類實驗教學與第二類相比不同之處在于“以虛為主”。之所以采用這樣的教學模式，一方面在于這類實驗內(nèi)容是輪機自動化實驗課程的重點和精華，而定制的實體實驗設備又不能完全做到和實船一致，多數(shù)設備功能類似，只適合演示；另一方面是這類實驗設備成本較高，往往各院校只按照相關(guān)規(guī)定的最低要求進行配置，不能滿足人手一套進行實驗操作，而且這類實體實驗設備的更新速度無法同步于日新月異的船舶機艙自動化技術(shù)。“以虛為主”的實驗教學模式在這類實驗教學中可凸顯優(yōu)勢、彌補不足。教師錄制的教學視頻包括實體實驗設備操作和虛擬軟件操作兩部分，但是更側(cè)重于虛擬部分。學生實驗前可以在網(wǎng)絡上進行預習，觀看實驗視頻，反復虛擬操作和預測試，達到教師設定的教學目標后，隨時可以進入實體實驗室進行現(xiàn)場實驗設備認識與分組操作實驗。教師不需要花太多時間講授操作過程，而是把重點放在虛擬軟件對應實體部分的操作技巧的點撥上，從而做到虛實結(jié)合。這一類實驗教學中的虛擬部分與第二類實驗有很大的區(qū)別，這一部分內(nèi)容專業(yè)性更強，涉及的知識點多，借助虛擬實驗系統(tǒng)可以有效解決時間和空間上對實驗教學的限制，學生可以隨時隨地通過網(wǎng)絡來進行虛擬實驗，還可以完成自測。在現(xiàn)場實驗完成后，還可以再進一步將實體實驗中遇到的重點難點問題反饋到虛擬實驗教學系統(tǒng)中，通過與教師、同學的互動來進一步鞏固加深實踐知識，再在虛擬實驗系統(tǒng)中進行知識內(nèi)化性實驗操作。這種教學模式對提升學生的實踐能力有重要幫助。

四、多模式實驗教學的可行性分析

多模式實驗教學設計需要相關(guān)實驗設備和技術(shù)支撐才能有效完成。

第一類實驗所需要的實體實驗設備通用性較強，可以選購優(yōu)質(zhì)企業(yè)生產(chǎn)的實驗產(chǎn)品滿足實驗需求。而實體教學視頻部分，既可以自行錄制，也可以找專業(yè)公司錄制。由于這部分內(nèi)容通用性強，不需要頻繁更新，請專業(yè)機構(gòu)制作效果更佳。

第二類和第三類實驗所需要的實體實驗設備及虛擬操作軟件系統(tǒng)均需專門定制。大連海事大學、武漢理工大學及上海海事大學等院校都具有開發(fā)和研制這些專用設備的能力和技術(shù)儲備。以大連海事大學輪機自動化教學團隊為例，該團隊自主研發(fā)的輪機自動化實驗設備得到業(yè)內(nèi)較為廣泛的應用。尤其是該團隊的“輪機操作虛擬仿真實驗教學項目”于2018年獲評國家虛擬仿真實驗教學項目，2020年被認定為國家虛擬仿真實驗教學一流課程。該項目采用虛擬仿真的手段來加強實踐教學，通過網(wǎng)絡應用解決數(shù)量上的限制，通過自動化評分機制與反復練習來提升專業(yè)水平，最終與現(xiàn)有的理論教學和實船操作配套，實現(xiàn)理論指導實踐、實踐驗證理論，達到理論與實踐的深入融合，探討虛實結(jié)合的最有效的教學過程搭配。該項目的相關(guān)技術(shù)為輪機自動化課程配套實驗教學奠定了堅實的基礎，從技術(shù)層面來看實現(xiàn)多模式配套實驗教學是切實可行的。

五、多模式實驗教學應用實踐

近年來，多模式實驗教學模式在輪機自動化實驗教學中進行了應用實踐，取得了較好的效果。

(1)從學生角度看：在“虛”的方面，采用二維與三維虛擬仿真和網(wǎng)絡信息技術(shù)，不受時空限制，人人都能實現(xiàn)反復的實踐操作練習，學生的學習興趣更加濃厚，學習效果更佳；在“實”的方面，由于課前觀看視頻進行預習和虛擬演練，因此實踐操作更加高效有序。

(2)從教師角度看：課前布置視頻學習或網(wǎng)上虛擬操作練習，在實驗室現(xiàn)場教學中可以節(jié)約大量重復講授的時間，從而能夠更多地關(guān)注學生現(xiàn)場實踐中的重點難點問題，并增加了交流的機會；而課前課后的網(wǎng)絡虛擬練習，教師可以更多關(guān)注學生實踐的反饋情況，并及時進行線上輔導和交流，有利于提高教學質(zhì)量。

(3)從實驗設備管理者角度看：實驗設備的損壞和更換率降低，維護成本降低，對虛擬化實驗部分的管理更加方便快捷。

六、結(jié)語

培養(yǎng)具有國際競爭力的輪機工程專業(yè)人才離不開實踐能力的培養(yǎng)，尤其是隨著船舶智能化進程的加快，輪機自動化與智能化技術(shù)的重要性日益凸顯，輪機自動化系統(tǒng)的實踐教學的重要意義不言而喻。本文通過分析輪機自動化課程配套實驗實踐教學現(xiàn)狀，根據(jù)不同類型的實驗特征，探討多模式的實驗實踐教學策略，做到能實不虛、虛實結(jié)合、各有側(cè)重，從而更好地發(fā)揮各個教學模式的優(yōu)勢，充分體現(xiàn)“以學生為中心”的教學理念，有助于進一步增強學生實踐動手能力的培養(yǎng)。隨著這種教學模式的進一步深入應用與實踐，研發(fā)相應的教學資源并與輪機自動化國家級一流線上課程配合使用，對完善和豐富一流線上課程資源，突破傳統(tǒng)配套實驗實踐教學的時空限制，以及輪機自動化課程的一體化建設，奠定相關(guān)理論和實踐基礎。

雖然在實踐中針對三類不同實驗教學采用了不同的教學模式，但在實踐考核上還需要進一步完善和優(yōu)化。下一步需要在實踐考核中注重形成性評價的過程化考核，除了在各個類型實驗的現(xiàn)場教學中的教師主觀評價外，還需要在網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)中統(tǒng)一不同類型實驗的考核指標，以客觀機器批閱為主，可以設置課前和課后的網(wǎng)絡考核，從而有效避免主觀考核的隨意性。