海上专业虚拟仿真教学中心建设的实践探讨

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(大连海洋大学 航海与船舶工程学院，辽宁 大连 116023)

海上专业虚拟仿真教学中心建设的实践探讨

隋江华,李昕,张堂伟

(大连海洋大学 航海与船舶工程学院，辽宁 大连 116023)

在论述海上专业模拟仿真教学必要性的基础上，结合大连海洋大学海上专业虚拟仿真教学中心的建设过程，归纳了以教学资源为根本、以师资队伍为基础、以共享合作为支撑、以互动网络为平台和以规章制度为保障的建设内容。实践证明，虚拟仿真教学中心的建立为学生搭建了科技创新平台。

海上专业；虚拟仿真教学；教学资源；海员培养

一、引言

航运发展新阶段对海上专业人才实践能力的要求越来越高，传统的实验室具有投资大、效率低、高风险等不利因素，已经无法满足国家对航海高素质人才的实践教学的需求，也不利于高等航海类院校的实验室建设。本文结合大连海洋大学海上专业虚拟仿真教学中心的建设，对海上专业虚拟仿真实验教学中心建设的主要内容进行深入探讨。

二、海上专业虚拟仿真教学的必要性

1.虚拟仿真教学概述

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。2013年，教育部根据《教育信息化十年发展规划(2011—2020 年)》，决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，颁布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函〔2013〕94 号) 。虚拟仿真是随着信息化、网络化、计算机水平的不断发展而产生的，通过虚拟技术把一些复杂的、现实中难以呈现的环境真实地呈现出来，用以方便实验，并且能取得真实准确的实验结果，达到教学、实验、培训等目的。虚拟仿真实验教学采用虚拟现实的软件和模拟器，可以多次重复，安全环保，成本低廉，节约能源，在美、日、加、法、澳等发达国家得到普遍采用，我国很多行业如航空航天、汽车驾驶、医学和材料等专业教学中也普遍采用虚拟仿真技术[1-4]。

2.海上专业虚拟仿真教学的意义

我国是航运大国，但在航运人才培养方面与世界航运强国之间存在一定差距，其中实训条件和实训手段的落后是重要原因。因此，中国在“世界航运强国”的建设过程中，必须建立和完善适应国际航运人才市场竞争的国际化航海类专业创新性人才培养平台，真正成为支撑海上事业快速发展的坚强后盾，在规模和质量上适应国际开放式创新性高级航运人才培养的要求。这一点使航海类院校的海上专业面临着严峻的挑战，也成为实现我国航运强国的战略目标过程中亟须解决的重要问题。传统的教学实验中心已经不能够满足海上专业人才实践教学的要求，需要采用更科学、更系统、更高效的实践教学中心来适应世界航运业的快速发展。

现代化船舶是一个具有科技高度集中的先进工业综合系统，需要高素质的专业人才来管理操控。海上人才培养不同于陆上其他专业的人才培养，在培养中涉及大量的大型或综合训练设备，具有高成本、高消耗的特点，且训练过程中存在一定的安全风险。而实践教学运行经费有限，一些实验需要大量的材料消耗，同时实验材料、实验废弃物对人体和环境危害较大；部分仪器设备价值较高，台套数有限，难以保证每人都有机会实际操作。这些问题给海上专业实践教学的开展带来一定的困难，在很大程度上限制了学生知识的掌握和能力的养成。显然，传统实验教学存在诸多不利因素，需要新的实验教学手段予以加强和填补。为保证实践教学质量，把虚拟仿真技术和新的实训方法引入海上专业教学已经成为改革的方向。国际海事组织(IMO)于2010年通过的STCW公约马尼拉修正案，提倡发展电子航海、科学航海技术，在航海教育中大力开展模拟器训练及远程教育。实践教学虚实结合，既节约了实验成本，也提高了实验教学的效果和质量。不但契合了IMO和我国教育部的指导思想，而且有力地保障了《教育部 交通运输部关于进一步提高航海教育质量的若干意见》中关于强化实践能力培养的要求。针对海上专业人才培养新要求，大连海洋大学海上专业虚拟仿真实验教学中心于2014年成功申请成为辽宁省普通本科高等学校实验教学示范中心。

三、海上专业虚拟仿真实验教学中心建设内容

大连海洋大学海上专业虚拟仿真实验教学中心是在电信实验教学中心和海洋信息技术省级重点实验室的基础上发展起来的，秉承“虚实融合，多元协同”的理念，将航海技术、轮机工程、自动化(船舶电子电气工程)、电子信息工程、海洋技术、海洋渔业科学与技术、热能与动力工程及船舶与海洋工程等学科专业(以下简称海上专业)与信息技术深度融合，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验项目和实训环境，学生在虚拟环境中开展实验和训练，以达到教学大纲所要求的教学效果。

1.以虚拟仿真实验教学资源为根本

航海教育具有国际公约强制性、岗位针对性等特征，实践环节的高投入是长期制约航海类高素质人才培养的瓶颈。为了有效解决这个问题，学校大力投入建设“海上专业虚拟仿真实验教学中心”，联合研发各类仿真实验项目，取得了良好的效果。

中心主要包括三个虚拟仿真实验室，分别是驾驶虚拟仿真实验室、轮机工程虚拟仿真实验室和船舶仿真软件实验室。

(1)驾驶虚拟仿真实验室

驾驶虚拟仿真主要包括船舶操纵模拟器、ECDIS模拟器、雷达模拟器、GMDSS模拟器等综合性硬件仿真设备。

MTI-H2000型船舶操纵模拟器共4个大型本船，由1个教练台、1个180°视景主本船、3个120°视景副本船组成，如图1、图2所示。

图1 船舶操纵模拟器主本船

图2 船舶操纵模拟器副本船

该模拟器具有在电子海图上显示船舶动态图形的功能，能模拟船舶在各种外界条件下的操纵运动，并能记录、打印及处理试验结果。船舶操纵模拟器主要用于航海技术专业学生，社会职务船员二、三副、大副、船长培训班的驾驶台资源管理(BRM)，船舶操纵与避碰等课程的实操训练。船舶操纵虚拟仿真实验项目，能提高学生对船舶操纵的认识。在船舶操纵虚拟仿真实验教学的实施下，学生的实验学时可自由安排，学习空间不再受到限制，学生的动手能力得到较大程度的提高。在此过程中，学生由被动学习转化为主动学习，增加了对实验的兴趣，学习积极性提高，激发创造性思维，有利于创新能力的培养。通过船舶操纵模拟、船舶海上对抗训练、特定水域环境模拟训练等课程，学生能综合运用航海知识，通过对航海主干课程的融会贯通，基础知识掌握更加牢固，为学生将来从事航海职业奠定坚实的基础，同时也积累了经验。

电子海图显示与信息系统ECDIS模拟器。主要用于航海技术专业学生、社会职务船员的电子海图显示与信息系统(ECDIS)、电子海图系统(ECS)以及船舶操纵与避碰等课程的实操训练。该实验项目将船舶操纵模拟器的功能融入电子海图培训系统，可将不同海区发生的各种态势、功能和行动整合在一个练习中，并使学生得到实时的体验，提高培训的真实性，特别是将模拟器的模拟船位、航向、航速输入电子海图真机，并通过真实的AIS接收机接收练习海域的实时AIS船舶交通流，并在ECDIS终端、雷达终端和三维视景中动态显示和查询目标船的各种动态信息，构成虚实结合的实验环境，完成了岸上真实实验平台无法开展的实验项目。

本中心雷达模拟器，由1个教练台、4个雷达本船构成，其中每个雷达本船包括操控台、模拟电子海图和模拟雷达终端，主要用于航海技术专业的航海雷达与ARPA、人工标绘、船舶导航雷达、值班水手等课程的实操训练。通过该模拟器与本中心的真机雷达训练相结合，完成雷达及模拟器基本操作、人工物标标绘、雷达物标识别、雷达定位与导航等训练。

GMDSS模拟器(GMDSS simulator 2008)由80台电脑和1台高性能服务器联成局域网，并与多媒体教室相连，可实现船与船、船与岸之间的通信模拟，主要用于航海技术专业GMDSS的实操训练(见图3)。学生利用该模拟器进行训练，终端机之间可进行通信联络，也可与教师端进行通信联络，使学生能够熟练地掌握GMDSS通用操作员的基本技能，取得海事局的岗位适任证书。

图3 GMDSS模拟器实验室

(2)轮机工程虚拟仿真实验室

轮机工程虚拟仿真包括全任务轮机模拟器、轮机工程虚拟仿真实验教学平台、辅助设备过程仿真教学平台和半实物仿真教学机舱等综合性仿真设备。

DMS-2013B型轮机模拟器主要由模拟机舱、集控室、电站、模拟驾驶台等组成。该模拟器以30万吨级超大型油船为母型船。机舱内的动力设备及系统采用主机模型、大型示教板和操作控制箱等予以展示(见图4、图5)，可进行船舶机电设备及系统运行的全过程动态模拟操作，并配有仿真音响系统等，可以使学生感受到机舱真实环境及动力设备系统及操作，开展动力设备应急操作训练及故障模拟训练，培养学员应急操作能力和故障分析处理能力。

图4 全任务轮机模拟器操作

图5 全任务轮机模拟器实验室

轮机工程虚拟仿真实验教学平台包括：VLCC船全任务轮机虚拟仿真教学软件,调距桨渔船全任务轮机虚拟仿真软件,渔船电力推进全任务模拟器软件,虚拟拆装软件等，通过轮机工程虚拟仿真实验教学平台的训练，学生初步掌握了瘫船启动、船舶进出港、船舶电站操作、轮机设备故障分析及排除等基本方法、步骤，提升了学生实际动手、分析问题和解决问题的能力，为全任务模拟器实操奠定了基础；通过虚拟拆装软件的学习避免或减少了学员实物拆装时对动力设备造成的不必要的损坏；通过虚拟漫游的学习提高了实船船舶认识实习的效率，收到了良好的实习效果。

中心拥有2台辅锅炉过程控制虚拟仿真系统。拥有1台油雾浓度监测模拟仿真控制箱。油雾保护系统的主要保护元件是油雾探测器，它能及时检测出有否因轴承过热或活塞环损伤造成过量漏气等故障而导致在曲轴箱内形成油雾，从而监视柴油机的主要运行部件——曲轴和气缸的工作状况是否正常。通过辅助锅炉自动控制实验，学生深入了解船舶辅助锅炉自动控制系统的组成及原理；掌握辅助锅炉点火前的准备、手动点火、自动点火操作以及辅助锅炉系统报警处理及复位操作。辅助锅炉自动控制系统在船舶机舱自动化中起着重要的作用，详细了解其系统组成、工作原理对学生日后上船工作有着重要的意义。通过油雾浓度自动监测系统实验，学生掌握了曲轴箱油雾浓度监视器的调校和使用，对保证船舶安全航行具有重要的实际意义。半实物仿真教学机舱能够给学生展示机舱内各个设备的操作和运行，具有更直观的感觉，在一定程度上实现“航海教育不出海、机舱操纵不上船”的目标。半实物仿真教学机舱与已建成的“全任务模拟器”形成互补作用，实现“虚实结合”的轮机工程专业实践教学模式，从而提升了轮机工程专业实践教学的层次和水平，为培养出色的渔船与海船轮机高级技术人才做出贡献。

(3)船舶仿真软件实验室

船舶仿真软件包括船舶建造设计软件CADDS5、轮机三维设计系统软件SB3DS和载运仿真模拟软件等适合二次开发的应用软件。三维虚拟模型模拟船舶的结构及建造过程软件CADDS5可以实现在三维模型中建立较为完整的船体结构信息，并在三维设计中采用并行装配的技术，以保证信息在不同专业设计人员间快速地传递。通过船舶生产设计课程设计的训练，学生实现模拟真实船厂工作岗位任务的完整工作过程训练，能够应对船舶制造这一综合的、复杂的岗位工作。三维虚拟设计系统SB3DS是基于AUTOCAD平台建立的，以三维建模技术为核心，面向轮机虚拟设计和制造的计算机集成仿真系统。SB3DS轮机设计软件应用实习是配合SB3DS船舶设计软件应用课程学习的重要实践教学环节，通过实习过程中对SB3DS软件的应用，使学生对轮机设计中管系三维建模与数据处理、电缆生产设计作了全面的了解，为将来从事轮机设计、制造、维修和管理等工作打下良好基础。CargoMax计算机仿真模拟装载软件能实现多船型的作业船(渔船)、运输船(杂货船、集装箱船、固体散货船、散粮船)的配载模拟仿真设计。通过货物配积载课程设计的训练，学生能将船舶货运中的理论知识很好地应用到实践中，能将各章节分散的货运知识得到初步的综合运用。对于高级船员培训，能达到熟练掌握先进装载计算软件的应用、多船种的装载训练，为今后的工作奠定良好的基础。

2.以优质教师队伍为基础

虚拟仿真实验是多种技术的交叉与融合，具有很强的知识性、系统性和可操作性，这就要求从事实验教学的教师团队应具备较强的专业基础知识和综合实验开发能力，能够不断更新和调整实验内容、实验方法以及实验手段，使实验教学保持科学性、先进性和前瞻性。目前中心拥有与校外企事业单位相结合的航海技术虚拟仿真和轮机工程虚拟仿真两个教学、研发和管理团队。

中心建立了一支基础理论扎实、实践技能强、爱岗敬业、勇于奉献的“双师型”高水平实验教学队伍，专职教师41人，其中教授9人、副教授11人、讲师21人；具有博士学位教师17人、硕士19人；持有船员适任证书的教师24人，其中，船长6人、大副3人，轮机长4人，大管轮1人，平均年龄41岁。此外，中心还聘请企事业兼职人员联合指导和研发，形成一支职称、学历、年龄、学缘结构合理的“双师型”实验教学队伍和一支学术水平高、科研能力强的研发队伍。两支队伍相互融合、相辅相成，为海上专业应用型人才培养和高素质海员培养提供了可靠的保障。

中心成员治学严谨，理论教学与实验实践教学相结合，绝大多数教师持有海上职务证书，具有海上实际工作的资历，因此具有较强的实践教学能力；部分年轻教师具有实验教学信息化技术研发能力和虚拟仿真实验教学能力；实验教学中心聘请有实际虚拟现实研发经验的企业高工和有船舶企业工作经历的工程师担任外聘教师，丰富了实验教学和研发队伍。

3．以共享合作为支撑

学校高度重视虚拟仿真教学，成立了海上专业虚拟仿真实验教学中心，中心建设工作坚持“科学规划、共享资源、扩大范围、突出重点、提高效益”的指导思想，以优质特色的教学资源共享为核心，以全方位服务于社会为目标，统筹管理相关的海上专业的实验室建设，实现了本中心的教学资源最大程度的开放和共享，提高了资源的利用效果。

(1)校内共享合作

虚拟仿真实验教学中心的教学资源面向全校学生，实现了“时间、空间、内容”三开放。通过自由选课，各专业的学生都有机会共享中心的实验课程，扩大教学资源的使用范围，使学生真正参与进来。

(2)校外共享合作

虚拟仿真实验中心的教学平台除服务于校内用户学习、教学以外，也服务于海上专业等校外企事业单位，他们也可以通过互联网查看实验教学资源，为普及涉海涉渔知识、提升学员的综合素质提供了良好的平台。

4.以互动网络为平台

中心的虚拟仿真实验教学平台是为解决各种虚拟现实实验项目的共享与推广而开发设计，以便有效地服务于学校海上专业学生和社会职务船员的培训，实现了集实验项目建设、展示、管理、共享、交流、服务于一体的网络教学管理环境。中心拥有独立的信息平台进入端口(见图6)。教师在平台上进行实验布置、实验操作指导；学生选择、申请、预约实验内容和实验环境，动态调整虚拟仿真环境，教师与学生之间可围绕相应实验项目进行辅导答疑、交流讨论。辅助学生对实验项目内容的理解和认知，学生根据教学需要，在线学习虚拟仿真实验相关知识，预约虚拟实验设备和场地，在完成实验后对实验结果进行反馈，获得相应评价。

图6 中心信息管理平台首页

5.以规章制度为保障

为了确保实践教学的正常进行，学校、中心建立健全了一系列管理制度和措施。中心严格执行学校制定的实验室资产管理制度及相关措施，其中包括：《大连海洋大学仪器设备管理暂行办法》、《大连海洋大学仪器设备报损、报废管理规定》、《大连海洋大学仪器设备及器材损坏、丢失赔偿暂行办法》等。

中心的仪器设备实行学校、中心二级管理和定期检查制度。每个实验室都有责任人，大型精密仪器设备都有专人负责。中心仪器设备使用、维护及保养由各实验室的技术人员负责，负责仪器设备日常使用保养，记录设备使用状态，及时报告仪器设备故障情况。设备维护保养情况作为期末实验技术人员考核的主要依据。

中心每学期对仪器设备做定期检查，发现问题及时组织人员维修，并认真填写仪器设备维修记录。设备出现故障首先由实验技术人员自行维修，如无法维修，中心及时联系厂家前来维修，保证实验教学正常进行。在购置设备时将设备的质量和售后服务作为重要条件考虑，认真选择信誉良好的厂家，并建立畅通的联系途径来保证仪器设备出现故障后能得到及时维修。另外，学校还设有专门的教学设备维修费来保证实验、实践教学仪器设备的维护、维修等工作。

四、结语

海上专业虚拟仿真实验教学中心的建设，使学生的学习热情得到充分的激发，动手实践能力、创新能力也得到不断提升。几年来，学生在本中心进行各级各类科技创新项目50余项，获得辽宁省大学生“挑战杯”课外各类学术科技竞赛的多个奖项；中心成员获批省部级教改项目13项；教师发表实验教学改革论文15篇，出版教材12部。实践证明，建设海上专业虚拟仿真教学中心，采用“虚实结合”的方式对提升海上专业人才的培养质量具有极大的推动作用。

随着虚拟实验技术的应用越来越受国家、省级主管部门的重视，一批非常优秀的虚拟仿真实验室脱颖而出。大连海洋大学海上专业虚拟仿真实验教学利用中心的网络信息管理平台及硬件设施条件，充分发挥学校海上专业的智力优势；平台亦可解决社会职务船员培训中的难题，向涉海企业开放，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系，为辽宁省乃至全国提供船员模拟训练培训服务。

[1]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013,32(12):5-8．

[2]李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014,31(2):5-8．

[3]程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，30(7)：94-97．

[4]蒲丹，周舟，任安杰，等.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理，2014，31(3)：5-8，16．

U676.2

A*

2015-06-10

隋江华(1976-)，女，副教授，博士，主要从事船舶与海洋工程、船舶运动控制、轮机自动化研究。

1006-8724(2015)03-0070-06