郭磊，趙俊豪，張均東，梁大龍，高躍峰

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

一、引言

輪機(jī)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)具有崗位針對性、國際通用性、法律規(guī)范性和國防軍事性的特點(diǎn)[1]，因此，輪機(jī)工程專業(yè)對實(shí)踐能力的要求非常高，實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容占培養(yǎng)計劃總學(xué)分的28%(總學(xué)時占比超過40%)。其中，“船舶柴油機(jī)拆裝”是學(xué)生學(xué)習(xí)完“船舶柴油機(jī)”等專業(yè)課程后進(jìn)行的一門實(shí)驗課程，是輪機(jī)工程專業(yè)的核心課程之一，也是國際海事相關(guān)公約和我國海船船員相關(guān)法規(guī)要求的課程[2]。該課程所需的實(shí)驗設(shè)備為大中型船用柴油機(jī)，設(shè)備經(jīng)濟(jì)成本高、占用空間大、更新需求快[3]。國內(nèi)外高校一般在實(shí)驗室配置若干拆裝用四沖程柴油機(jī)，以及少量的二沖程柴油機(jī)部件。有條件的少數(shù)高校會依托陸上機(jī)艙、實(shí)習(xí)船配置可運(yùn)行的柴油機(jī)，但因頻繁拆裝對機(jī)器有很大的破壞性，且安全性差、成本高，一般不會用于學(xué)生的拆裝訓(xùn)練。船舶柴油機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目能夠彌補(bǔ)上述不足，且在《海船船員培訓(xùn)大綱(2016版)》的框架下，使用“輪機(jī)模擬器”替代部分實(shí)物設(shè)備，也是航海教育領(lǐng)域推薦的方法之一[4]。盡管虛擬拆裝訓(xùn)練不能完全替代實(shí)物拆裝，但它有助于提高實(shí)船操作中學(xué)習(xí)者對復(fù)雜機(jī)械機(jī)構(gòu)外觀及維護(hù)保養(yǎng)業(yè)務(wù)的認(rèn)知，可使學(xué)習(xí)者在較短的時間內(nèi)更好地理解船舶柴油機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部原理，深層次掌握系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，提高關(guān)鍵問題分析和故障預(yù)估能力[5]。

本文結(jié)合實(shí)踐對船舶柴油機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺的設(shè)計與應(yīng)用進(jìn)行初步探討。

二、船舶柴油機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺設(shè)計

本實(shí)驗教學(xué)平臺數(shù)據(jù)架構(gòu)采用Socket的方式建立數(shù)據(jù)通信，主要由“客戶端”“服務(wù)端”和“數(shù)據(jù)庫”組成[6]，平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

“客戶端”包括“網(wǎng)絡(luò)協(xié)作客戶端”和“船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)”?！熬W(wǎng)絡(luò)協(xié)作客戶端”用于用戶注冊登錄實(shí)驗教學(xué)平臺并進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限下的操作；“船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)”建立了多型船舶柴油機(jī)虛擬拆裝模型及動畫、腳本控制和三維可視化界面。

“服務(wù)端”包括“應(yīng)用服務(wù)”和“WEB服務(wù)”，其中“WEB服務(wù)”包括“網(wǎng)站管理”和“教務(wù)系統(tǒng)”?！皯?yīng)用服務(wù)”負(fù)責(zé)系統(tǒng)協(xié)同多個客戶端的實(shí)時訓(xùn)練、后臺管理；“網(wǎng)站管理”用于本實(shí)驗教學(xué)平臺的網(wǎng)站建設(shè)(http://cz.ers3d.com)，網(wǎng)站提供豐富的在線教學(xué)資源供學(xué)員學(xué)習(xí)，包括為“船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)”配套制作的用戶手冊、引導(dǎo)視頻、慕課視頻、教學(xué)資料等資源，供在校學(xué)生和社會人士進(jìn)行實(shí)驗前的預(yù)習(xí)[7]；“教務(wù)系統(tǒng)”用于教練員進(jìn)行學(xué)員學(xué)籍管理、課程管理、題庫管理、試卷管理、實(shí)驗報告審批等操作。

“數(shù)據(jù)服務(wù)”完成各類數(shù)據(jù)的存儲、維護(hù)與管理。廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)處理經(jīng)轉(zhuǎn)服務(wù)器；局域網(wǎng)設(shè)置教練員主機(jī)，用于監(jiān)視和管理局域網(wǎng)內(nèi)的計算機(jī)。

三、“船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)”構(gòu)建

1.系統(tǒng)框架

系統(tǒng)建設(shè)主要內(nèi)容包括多型船舶柴油機(jī)設(shè)備零件級模型的構(gòu)建、設(shè)備拆裝工藝及維護(hù)保養(yǎng)流程的分析與數(shù)字化、虛擬拆裝環(huán)境下人機(jī)交互方式的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、自主拆裝及考評功能的實(shí)現(xiàn)等[8]，其功能框圖如圖2所示。

圖2 “船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)”功能框圖

“船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)”以網(wǎng)絡(luò)協(xié)作客戶端版呈現(xiàn)，可脫機(jī)使用，亦可應(yīng)用于局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，對硬件性能要求適中，為學(xué)員及從業(yè)人士提供了學(xué)習(xí)船舶柴油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)業(yè)務(wù)便捷且高效的解決方案。

2.業(yè)務(wù)設(shè)計

柴油機(jī)按照工作循環(huán)可以分為四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)兩類。目前，電子控制式柴油機(jī)正在逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械控制式柴油機(jī)，成為船舶柴油機(jī)的主流機(jī)型。

本實(shí)驗教學(xué)平臺提供市場主流的MAN B&W ME型低速二沖程電噴柴油機(jī)(主機(jī))和中速四沖程柴油機(jī)(副機(jī))關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的虛擬拆裝和維護(hù)保養(yǎng)業(yè)務(wù)，作為傳統(tǒng)“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗課程的有效補(bǔ)充，涉及業(yè)務(wù)共計34項，其中主機(jī)24項、副機(jī)10項。

學(xué)員登錄“船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)”客戶端后進(jìn)入船用柴油機(jī)選擇界面，分別選擇后進(jìn)入“低速二沖程電噴柴油機(jī)”和“中速四沖程柴油機(jī)”次級菜單，如圖3所示。每項業(yè)務(wù)下設(shè)拆卸和裝配兩種類型，每種類型下設(shè)“演示模式”“練習(xí)模式”及“考試模式”三種模式。學(xué)員選擇合適的模式后，將進(jìn)入“操作引導(dǎo)”界面，仔細(xì)閱讀并關(guān)閉后即可進(jìn)入船舶柴油機(jī)虛擬拆裝視景平臺，如圖4所示。

圖3 船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)選擇菜單

圖4 船舶柴油機(jī)虛擬拆裝視景平臺

四、虛實(shí)結(jié)合的“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗課程設(shè)計

1.課程改革

“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗課程的改革方案如圖5所示。將虛擬拆裝內(nèi)容納入課程，占總成績的20%，實(shí)物拆裝占總成績的80%，兩項成績分別根據(jù)各自的評分標(biāo)準(zhǔn)給定。原課程為課內(nèi)40學(xué)時。在新的課程框架下，實(shí)物拆裝課內(nèi)30學(xué)時用于理論授課和評估考試，虛擬拆裝課內(nèi)4學(xué)時用于軟件介紹和組卷考試，課外26學(xué)時用于學(xué)生線上自主練習(xí)。

圖5 “船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗課程改革方案

在線下，通過使用二沖程柴油機(jī)少數(shù)部件和四沖程柴油機(jī)整機(jī)，完成相應(yīng)的實(shí)物拆裝；在線上，通過使用虛擬仿真軟件，學(xué)生自主開展虛擬實(shí)驗，完成二沖程和四沖程柴油機(jī)的虛擬拆裝，系統(tǒng)自動評分。對于實(shí)物拆裝和虛擬拆裝重復(fù)的知識點(diǎn)，學(xué)員須線上完成虛擬拆裝任務(wù)后方可進(jìn)行實(shí)物拆裝。

教學(xué)團(tuán)隊教師進(jìn)行集中教學(xué)管理、實(shí)驗教學(xué)資源管理、考核管理、線上答疑等。

2.教學(xué)方法

根據(jù)“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗課程的需要，采用了虛實(shí)結(jié)合、線上線下、課內(nèi)課外混合式教學(xué)方法[9]。

本著以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，讓學(xué)生親自動手操作虛擬仿真系統(tǒng)及設(shè)備。教師負(fù)責(zé)實(shí)驗方法的講解和實(shí)驗過程監(jiān)控，對學(xué)生在實(shí)驗過程中遇到的問題采用引導(dǎo)、啟發(fā)的形式幫助其認(rèn)識問題的關(guān)鍵所在，提高學(xué)生對知識的獲取興趣和獲取能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力和實(shí)際動手能力。

3.實(shí)驗流程

學(xué)員登錄平臺網(wǎng)址進(jìn)行實(shí)驗預(yù)習(xí)(http://cz.ers3d.com)，完成預(yù)習(xí)工作后，在校學(xué)生使用預(yù)先導(dǎo)入的用戶信息登錄“網(wǎng)絡(luò)協(xié)作客戶端”。社會人士需注冊登錄，亦可使用系統(tǒng)默認(rèn)賬戶登錄體驗。在“網(wǎng)絡(luò)協(xié)作客戶端”加載“船舶柴油機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)”，用戶選擇“演示模式”熟悉各項分業(yè)務(wù)操作流程，隨后選擇“練習(xí)模式”，在規(guī)定的時間反復(fù)自主練習(xí)，將最優(yōu)成績上傳至服務(wù)器。

完成虛擬拆裝自主練習(xí)任務(wù)后，學(xué)員到實(shí)物柴油機(jī)實(shí)驗室在教師指導(dǎo)下完成實(shí)物拆裝教學(xué)。在課內(nèi)完成危險系數(shù)較低的實(shí)物拆裝評估和虛擬柴油機(jī)拆裝組卷考試。實(shí)驗終了，在平臺網(wǎng)址提交電子版實(shí)驗報告供指導(dǎo)教師評閱。

實(shí)驗成績在綜合考慮虛擬拆裝自主練習(xí)成績、虛實(shí)結(jié)合考試評估成績、實(shí)驗報告成績?nèi)棾煽?，進(jìn)行加權(quán)后在線給出。

實(shí)驗流程如圖6所示。

圖6 “船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗課程實(shí)施流程

以“ME主機(jī)氣缸蓋拆卸”虛擬訓(xùn)練為例，教師發(fā)布任務(wù)后，學(xué)生通過慕課視頻等教學(xué)資料學(xué)習(xí)“船舶柴油機(jī)”等課程中有關(guān)氣缸蓋的知識要點(diǎn)。隨后學(xué)生線上與目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行虛擬交互訓(xùn)練，教師通過微信、QQ等通信軟件進(jìn)行線上答疑。訓(xùn)練結(jié)束后，學(xué)生將最優(yōu)訓(xùn)練成績提交至數(shù)據(jù)庫，并可下載PDF或EXCEL版成績單。虛擬拆裝系統(tǒng)會自動記錄學(xué)員的每步操作過程和測評結(jié)果，使得評分更加客觀且科學(xué)。教師通過“教務(wù)系統(tǒng)”對學(xué)員訓(xùn)練記錄進(jìn)行管理，并按比例給出虛擬拆裝自主練習(xí)成績。

五、實(shí)施效果

本實(shí)驗教學(xué)平臺彌補(bǔ)了大連海事大學(xué)柴油機(jī)拆裝實(shí)驗室缺乏拆裝用大型低速二沖程電噴柴油機(jī)的空白。本文統(tǒng)計分析了平臺運(yùn)行以來學(xué)員虛擬拆裝自主練習(xí)子任務(wù)有效成績分布情況，共有500余人次提交了ME二沖程主機(jī)虛擬拆裝子任務(wù)有效成績，200余人次提交了四沖程發(fā)電柴油機(jī)虛擬拆裝子任務(wù)有效成績，平均優(yōu)秀率高達(dá)94%。同時通過調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗極大激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，提升了專業(yè)學(xué)習(xí)效果，對實(shí)物拆裝教學(xué)起到了有效補(bǔ)充和促進(jìn)作用,并希望能酌情提高虛擬仿真實(shí)驗所占課程成績比例。由此可見，虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺的應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期效果。

除了應(yīng)用于“柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗教學(xué)外，本平臺還可廣泛應(yīng)用于“船舶柴油機(jī)”“船舶動力裝置技術(shù)管理”等專業(yè)課程理論教學(xué)。通過完成虛擬實(shí)驗任務(wù)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性被有效調(diào)動，既讓學(xué)生較為真實(shí)地感受了實(shí)際船舶輪機(jī)機(jī)艙環(huán)境，生動直觀地理解船舶柴油機(jī)核心系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，又幫助學(xué)生更好地掌握教學(xué)大綱和國家海事局要求的輪機(jī)設(shè)備操作及拆裝方法步驟。

這種實(shí)驗方法開創(chuàng)了線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化的實(shí)驗教學(xué)新模式，將基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程教學(xué)和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)方式相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，極大地提高了學(xué)生的實(shí)踐操作技能。