甘輝兵，張均東，林葉錦，曾鴻

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

一、引言

隨著科學技術的快速發(fā)展，尤其是近年來人工智能技術、網(wǎng)絡信息技術及計算機等技術在船舶上的應用，船舶也越來越向著大型化、專業(yè)化和智能化方向發(fā)展。作為未來船舶的發(fā)展方向，智能船舶成為研究熱點，世界主要造船國家均在竭盡全力推進本國智能船舶的研發(fā)與實船應用。在智能船舶的大背景下，航海類專業(yè)人才培養(yǎng)模式的改革逐漸成為研究與實踐熱點，相應的課程體系重構和教學方式的變革也應隨著智能船舶發(fā)展的不同階段進行動態(tài)調(diào)整。作為課程核心建設內(nèi)容——教材建設，更應該適應未來科技發(fā)展與航海類專業(yè)教學改革的節(jié)奏。

“輪機自動化”作為航海類輪機工程專業(yè)一門主干專業(yè)課程，其內(nèi)容主要包括船舶機艙各種控制、監(jiān)測系統(tǒng)及各種自動化儀表、控制元件和邏輯元件包括計算機在內(nèi)的工作原理及操作管理等內(nèi)容。無論是現(xiàn)在智能船舶發(fā)展的初級階段，還是未來智能船舶發(fā)展的終極階段(無人化)，船舶機艙自動化系統(tǒng)對保障船舶安全都起著重要的作用。但是，保持日新月異更新勢頭的輪機自動化與智能化技術也給輪機自動化教材建設和課程建設帶來了挑戰(zhàn)，尤其是紙質(zhì)版的傳統(tǒng)教材的更新速度很難跟上機艙自動化技術的發(fā)展，這勢必會影響專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量和學生應對未來技術革新的應變能力培養(yǎng)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、計算機虛擬仿真技術等與高等教育深度融合，智慧化教材作為一類新型的數(shù)字化學習資源也應運而生，它具有富媒體性、開放性、交互性、實時性等特點，能夠快速適應信息化條件下教學的需要。智能船舶背景下，船舶機艙自動化系統(tǒng)具有高度集成和模塊化、智能化、更新?lián)Q代速度快等特點，而智慧化教材正好能滿足當前船舶智能化背景下輪機自動化課程教學需要，可以有力地促進教與學的交互自然化、場景可視化及過程智慧化。此外，對單個輪機自動化系統(tǒng)開展高沉浸感的在線式虛擬交互操作訓練，可以使學習更加方便快捷、綠色環(huán)保，具有不受時空限制、升級更新速度快等優(yōu)點。

在國內(nèi)，眾多學者對智能船舶背景下航海類人才培養(yǎng)進行了研究，在人才培養(yǎng)模式和路徑改革上進行深入剖析，主要從專業(yè)調(diào)整、課程體系重構及實踐創(chuàng)新能力等方面提出了總體建議和思路[1-3]，對推動我國新形勢下航海類人才培養(yǎng)改革提供了重要支撐。在智慧教材建設方面，文獻[4-5]以某專業(yè)課程為例，從教材體系、教材內(nèi)容、教材資源等方面闡述了智慧教材的建設思路，對其他課程教材建設具有一定的借鑒意義。在輪機自動化課程與教材建設方面，文獻[6-7]的研究具有代表性，提出的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式和配套教學實踐的多模式教學對輪機工程專業(yè)課程建設與改革具有借鑒意義，同時，該團隊建設的課程獲得國家級一流本科課程的認定，在國內(nèi)起到一定的示范應用效果。而在國外，整體上體現(xiàn)在不同學科不同課程在慕課、翻轉(zhuǎn)課堂及網(wǎng)絡教學方面的研究與實踐成果[8-11]。

從國內(nèi)外主要文獻分析上看，有關智能船舶背景下航海類具體專業(yè)課程和教材建設改革仍處于初級階段，尤其在航海類專業(yè)具體某門課程完備的智慧化教材建設與改革方面的研究尚未見發(fā)表。因此，針對航海類專業(yè)某門具體課程，集中優(yōu)勢力量和資源，開展智慧教材研究與建設，占領相關研究高地，對促進新形勢下我國航海類人才培養(yǎng)具有重要作用?；谝陨媳尘?，本文結合輪機自動化教材的智慧化建設，探討了該教材在智能船舶背景下智慧化建設的重點內(nèi)容和實現(xiàn)路徑，為相關航海類專業(yè)課程的智慧教材建設提供思路。

二、輪機自動化教材現(xiàn)狀

由大連海事大學編寫的《輪機自動化》教材最早于1964年在大連海運學院(現(xiàn)為大連海事大學)以講義的形式印刷，1980年由人民交通出版社正式出版，并分別于1982、1987和1998年進行了三次修訂，并多次重印，一直是交通部(現(xiàn)為交通運輸部)指定的統(tǒng)編教材，在國內(nèi)相關專業(yè)教學領域具有非常重要的地位和影響。隨著船舶自動化技術的不斷發(fā)展，尤其是計算機網(wǎng)絡技術和船舶柴油機電子噴射技術的發(fā)展，該教材于2009年進行了大幅度修訂，作為“十一五”國家級規(guī)劃教材和航海類專業(yè)精品系列教材出版，并于2012年第一批入選“十二五”國家規(guī)劃教材。近年來，該教材經(jīng)過體系結構的進一步調(diào)整和優(yōu)化，并首次嵌入了數(shù)字化資源，于2019年再版發(fā)行，教材質(zhì)量得到進一步的提升。但是，計算機網(wǎng)絡技術、大數(shù)據(jù)和智能化技術的普及應用是船舶自動化發(fā)展的必然趨勢，當前船舶自動化水平存在多代技術共存的現(xiàn)象，這為輪機自動化教材的編寫帶來一定的挑戰(zhàn)，主要包括以下幾個方面：

(1)現(xiàn)有教材內(nèi)容體系更新速度與船舶機艙自動化與智能化技術迭代更新發(fā)展不匹配。隨著船舶智能化的逐步推進，機艙自動化與智能化技術更新?lián)Q代速度非?？欤巾毻ㄟ^構建適宜的輪機自動化教材內(nèi)容體系更新機制，以確保教材內(nèi)容的與時俱進，適應行業(yè)技術的進步。

(2)現(xiàn)有教材中嵌入資源豐富度欠缺，呈現(xiàn)和獲取方式靈巧便捷度差。教材嵌入資源豐富度與呈現(xiàn)和獲取方式的靈巧便捷度直接關系到學習者的學習效率和效果，因此，需要通過多樣化的資源和多樣式嵌入方式來解決這一問題，如嵌入豐富的設備或系統(tǒng)動畫、圖像、聲音、視頻等多媒體素材。

(3)現(xiàn)有教材中單個輪機自動化設備或系統(tǒng)高環(huán)境真實感和行為真實感的輕量化在線虛擬實踐操作軟件資源內(nèi)容缺乏。

三、輪機自動化智慧化教材改革重點

《輪機自動化》教材的主要內(nèi)容包括自動控制基本理論(含自動化儀表基礎知識)和輪機自動化系統(tǒng)兩大部分。因此，教材智慧化的改革應根據(jù)這兩部分內(nèi)容的特點，重點從內(nèi)容體系的更新機制、智慧教學手段和方式的改革創(chuàng)新等方面入手建設，具體如下：

(1)改革現(xiàn)有輪機自動化教材內(nèi)容體系的更新機制以適應船舶智能化的發(fā)展要求。在基本控制理論部分，根據(jù)智能船舶發(fā)展的階段逐步融合智能控制的基本思想和理念；在輪機自動化系統(tǒng)部分，改革現(xiàn)有教材的內(nèi)容組織模式，重點突出輪機自動化系統(tǒng)涉及的通用原理與智能化技術的融合，而實例部分重點通過智慧呈現(xiàn)方式實現(xiàn)，減少靜態(tài)文本的呈現(xiàn)方式。

(2)豐富和更新輪機自動化教材嵌入資源的形式及方式。在嵌入常規(guī)的教學視頻資源的基礎上，融合更多體現(xiàn)船舶機艙自動化與智能化新技術的設備或系統(tǒng)的動畫、圖像、聲音、視頻等多媒體素材，充分調(diào)動學生的視覺、聽覺、觸覺等多種感官，使教學內(nèi)容更生動，教學過程更加有趣；嵌入章節(jié)自測練習題庫，實現(xiàn)自我學習測試；豐富資源呈現(xiàn)和獲取方式，以圖像識別、二維碼識別及其他多媒體素材鏈接跳轉(zhuǎn)等方式實現(xiàn)智慧化的資源獲取。

(3)改革輪機自動化系統(tǒng)虛擬交互式內(nèi)容。通過計算機仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術和互聯(lián)網(wǎng)技術，對高度模塊化、自動化、智能化和集成化的輪機自動化系統(tǒng)學習方式進行重構，搭建各個單系統(tǒng)的在線虛擬交互操作軟件，可實現(xiàn)高沉浸感交互操作練習和評估，提高實踐創(chuàng)新能力。此種方式既能滿足智能化背景下機艙自動化系統(tǒng)技術快速迭代更新的學習需求，解決實驗設備購置成本高、臺套數(shù)不足、更新速度慢及維護成本高等實際問題，突破實驗場地和時間的限制，避免實物操作帶來的安全風險以及故障損失，又能有機地融入現(xiàn)有傳統(tǒng)紙質(zhì)版教材中，具有節(jié)約能源、綠色環(huán)保、便于攜帶等優(yōu)點。

四、輪機自動化智慧化教材實現(xiàn)路徑

針對輪機自動化智慧化教材的改革重點，以現(xiàn)有國家規(guī)劃教材內(nèi)容為主體，結合船舶智能化的發(fā)展趨勢，融合國家級線上一流課程和國家級虛擬仿真實驗教學項目一流課程資源，依托輪機模擬仿真技術平臺，提出一種輪機自動化智慧化教材的實現(xiàn)路徑，具體如圖1所示。

圖1 輪機自動化智慧化教材實現(xiàn)路徑圖

由圖1可見，在教材內(nèi)容體系更新機制上，以學校新建智能與實訓兩用船中智能機艙系統(tǒng)技術為依托，通過梳理智能船舶不同發(fā)展階段機艙自動化系統(tǒng)涉及的基本理論和技術內(nèi)容，擬構建經(jīng)典自控理論內(nèi)容少更新、智能化基礎理論逐步更新，輪機自動化系統(tǒng)通用原理少更新、最新輪機自動化技術與實例及時更新的四類更新機制，將更新的內(nèi)容與傳統(tǒng)教材相融合，匹配智慧獲取和呈現(xiàn)方式，以確保教材內(nèi)容與行業(yè)技術進步保持同步。

在教材智慧資源豐富和更新方面，主要以現(xiàn)有國家規(guī)劃教材內(nèi)容為主體，將現(xiàn)有國家級一流線上課程和虛擬仿真實驗教學項目相關教學視頻資源嵌入教材相應知識點，更新智能化理論或技術方面的視頻內(nèi)容，同時豐富輪機自動化設備及系統(tǒng)方面的原理動畫、現(xiàn)場聲效、拆裝展示視頻、章節(jié)練習題庫等資源，通過優(yōu)化布局資源呈現(xiàn)方式和獲取形式，采用圖像識別、二維碼識別等多樣的形式來完善教材智慧化的獲取與應用。

在教材配套單個輪機自動化系統(tǒng)的高真實感在線虛擬操作示范應用方面，主要依托輪機模擬仿真技術平臺及團隊現(xiàn)有的技術沉淀和儲備，通過需求分析，對冷卻水溫度控制、凈油單元控制、供油單元控制、輔鍋爐自動控制、反沖洗濾器自動控制、主機遙控系統(tǒng)及監(jiān)控與報警等系統(tǒng)開展建模仿真，提取各個單系統(tǒng)的邊界條件，開展輕量化二維操作軟件、高沉浸感三維虛擬操作軟件的改造和開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制設備或系統(tǒng)原理示教、虛擬操作、故障排查及考核評估等功能，通過程序優(yōu)化、平臺移植性研究，使之能運行于PC端和移動端。

最后，將以上三個方面的內(nèi)容進行融合，實現(xiàn)輪機自動化智慧化教材的應用與示范，首先在校內(nèi)開展應用實踐，服務于本校輪機工程專業(yè)人才的培養(yǎng)和一流專業(yè)點的建設。經(jīng)過不斷實踐與應用測試反饋，進一步完善后推廣應用至國內(nèi)其他航海類院校、企事業(yè)培訓單位，提升教材的影響力，同時為航海類專業(yè)相關教材的研發(fā)提供思路和經(jīng)驗。

以上實現(xiàn)路徑的可行性保障在于以下幾個方面：

(1)課程團隊已先后完成了“輪機自動化”國家級精品課程、國家級和省級精品資源共享課程、國家精品在線開放課程、國家級和省級一流本科線上課程以及國家級一流本科虛擬仿真實驗項目課程建設與應用，積累了豐富的課程建設與教學模式改革經(jīng)驗，為智慧資源豐富和更新方面提供了有力保障；

(2)課程團隊成員隸屬于輪機模擬仿真技術研究團隊，完成了大量的輪機模擬仿真產(chǎn)品自主研發(fā)與推廣應用，具有很強的技術開發(fā)能力，積累了豐富的開發(fā)與應用經(jīng)驗，為教材配套單個輪機自動化系統(tǒng)的高真實感在線虛擬操作示范應用提供了強有力的技術支撐；

(3)學校智能與實訓兩用船的建造為教材有關機艙智能化理論與技術內(nèi)容的更新提供最新的資料與技術。

五、結語

輪機自動化教材是船舶機艙自動化教學內(nèi)容的主要載體，也是教學的重要依據(jù)，尤其在船舶智能化進程的不斷推進及新一代信息技術與高等教育深度融合的雙重背景下，開展輪機自動化智慧化教材建設對培養(yǎng)具有國際競爭力的輪機工程專業(yè)人才具有重要意義。本文通過分析輪機自動化教材的現(xiàn)狀及新形勢下面臨的挑戰(zhàn)，探討了該教材智慧化建設的重點內(nèi)容，并結合課程團隊已有的建設成果，提出一種針對輪機自動化教材智慧化實現(xiàn)的有效路徑。智慧化教材是以智能技術為支撐，以提高教學質(zhì)量、促進學生個性發(fā)展為宗旨，在教材編寫實踐過程中，尚須在理念上、組織上、技術上等多個層面進行更廣泛而深入的研究與探索。