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)
輪機(jī)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)具有崗位針對(duì)性、國(guó)際通用性、法律規(guī)范性和國(guó)防軍事性的特點(diǎn)[1],因此,輪機(jī)工程專業(yè)對(duì)實(shí)踐能力的要求非常高,實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容占培養(yǎng)計(jì)劃總學(xué)分的28%(總學(xué)時(shí)占比超過(guò)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(yàn)課程,是輪機(jī)工程專業(yè)的核心課程之一,也是國(guó)際海事相關(guān)公約和我國(guó)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(yàn)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(guó)內(nèi)外高校一般在實(shí)驗(yàn)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(huì)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(duì)機(jī)器有很大的破壞性,且安全性差、成本高,一般不會(huì)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(yàn)教學(xué)項(xiàng)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(duì)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(shí)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(wèn)題分析和故障預(yù)估能力[5]。
本文結(jié)合實(shí)踐對(duì)船舶柴油機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行初步探討。
本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(kù)”組成[6],平臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 平臺(tái)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(cè)登錄實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(dòng)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)”。“應(yīng)用服務(wù)”負(fù)責(zé)系統(tǒng)協(xié)同多個(gè)客戶端的實(shí)時(shí)訓(xùn)練、后臺(tái)管理;“網(wǎng)站管理”用于本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(cè)、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(huì)人士進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(kù)管理、試卷管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告審批等操作。
“數(shù)據(jù)服務(wù)”完成各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、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(jì)算機(jī)。
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(jí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)、自主拆裝及考評(píng)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(duì)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(jì)
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(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供市場(chǎng)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(yàn)課程的有效補(bǔ)充,涉及業(yè)務(wù)共計(jì)34項(xiàng),其中主機(jī)24項(xiàng)、副機(jī)10項(xiàng)。
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(jí)菜單,如圖3所示。每項(xiàng)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(tái),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(tái)
1.課程改革
“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗(yàn)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(jī)的20%,實(shí)物拆裝占總成績(jī)的80%,兩項(xiàng)成績(jī)分別根據(jù)各自的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)給定。原課程為課內(nèi)40學(xué)時(shí)。在新的課程框架下,實(shí)物拆裝課內(nèi)30學(xué)時(shí)用于理論授課和評(píng)估考試,虛擬拆裝課內(nèi)4學(xué)時(shí)用于軟件介紹和組卷考試,課外26學(xué)時(shí)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(yàn)課程改革方案
在線下,通過(guò)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(guò)使用虛擬仿真軟件,學(xué)生自主開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn),完成二沖程和四沖程柴油機(jī)的虛擬拆裝,系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分。對(duì)于實(shí)物拆裝和虛擬拆裝重復(fù)的知識(shí)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(duì)教師進(jìn)行集中教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(dòng)手操作虛擬仿真系統(tǒng)及設(shè)備。教師負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)方法的講解和實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控,對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題采用引導(dǎo)、啟發(fā)的形式幫助其認(rèn)識(shí)問(wèn)題的關(guān)鍵所在,提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取興趣和獲取能力,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和實(shí)際動(dòng)手能力。
3.實(shí)驗(yàn)流程
學(xué)員登錄平臺(tái)網(wǎng)址進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(huì)人士需注冊(cè)登錄,亦可使用系統(tǒng)默認(rèn)賬戶登錄體驗(yàn)。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(xiàng)分業(yè)務(wù)操作流程,隨后選擇“練習(xí)模式”,在規(guī)定的時(shí)間反復(fù)自主練習(xí),將最優(yōu)成績(jī)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(yàn)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(xiǎn)系數(shù)較低的實(shí)物拆裝評(píng)估和虛擬柴油機(jī)拆裝組卷考試。實(shí)驗(yàn)終了,在平臺(tái)網(wǎng)址提交電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告供指導(dǎo)教師評(píng)閱。
實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)诰C合考慮虛擬拆裝自主練習(xí)成績(jī)、虛實(shí)結(jié)合考試評(píng)估成績(jī)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)?nèi)?xiàng)成績(jī),進(jìn)行加權(quán)后在線給出。
實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。
圖6 “船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)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(guò)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(jī)提交至數(shù)據(jù)庫(kù),并可下載PDF或EXCEL版成績(jī)單。虛擬拆裝系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)員的每步操作過(guò)程和測(cè)評(píng)結(jié)果,使得評(píng)分更加客觀且科學(xué)。教師通過(guò)“教務(wù)系統(tǒng)”對(duì)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(jī)。
本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)彌補(bǔ)了大連海事大學(xué)柴油機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)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(jì)分析了平臺(tái)運(yùn)行以來(lái)學(xué)員虛擬拆裝自主練習(xí)子任務(wù)有效成績(jī)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(jī),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(jī),平均優(yōu)秀率高達(dá)94%。同時(shí)通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yàn)所占課程成績(jī)比例。由此可見(jiàn),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(yàn)教學(xué)外,本平臺(tái)還可廣泛應(yīng)用于“船舶柴油機(jī)”“船舶動(dòng)力裝置技術(shù)管理”等專業(yè)課程理論教學(xué)。通過(guò)完成虛擬實(shí)驗(yàn)任務(wù),學(xué)生學(xué)習(xí)積極性被有效調(diào)動(dòng),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(dòng)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(guó)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(yàn)方法開(kāi)創(chuàng)了線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化的實(shí)驗(yàn)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(kāi)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。