船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设与实践研究

路　勇, 马修真, 高　峰, 李淑英, 费景洲

(哈尔滨工程大学 船舶动力技术国家级实验教学示范中心, 黑龙江 哈尔滨　150001)



船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设与实践研究

路勇, 马修真, 高峰, 李淑英, 费景洲

(哈尔滨工程大学 船舶动力技术国家级实验教学示范中心, 黑龙江 哈尔滨150001)

哈尔滨工程大学船舶动力技术国家级实验教学示范中心依托动力与能源工程学院强大的科研优势和学科特色,以资源整合、科研结合、校企联合为建设思路,构建了虚实互动、虚实互补的船舶动力技术虚拟仿真实验教学体系,搭建了虚拟仿真实验教学平台。平台的运行增强了学生专业学习兴趣和实验效果,促进人才培养质量,体现了国家级实验教学中心的内涵建设要求。

虚拟仿真实验；教学资源； 船舶动力技术

哈尔滨工程大学船舶动力技术实验教学中心依据“实验室资源有效整合,教学科研紧密结合,学校与科研院所、行业、企业密切联合”的“三合”理念[1-3],开展国家级实验教学示范中心的建设,形成了“虚拟仿真与真实设备互动、科研支撑与校企合作联动”的实验教学特色。为进一步落实2014年教育部关于虚拟仿真实验教学资源建设的意见,加强船舶动力技术国家级实验教学示范中心内涵建设,船舶动力技术国家级实验教学示范中心构建了虚实互动、虚实互补的船舶动力技术虚拟仿真实验教学体系,并搭建了虚拟仿真实验教学平台,开展相关教学研究与实践。

1　虚拟仿真实验教学资源建设的必要性

1.1符合船舶动力类专业特点和行业特色

船舶动力类专业实验教学设备多为高温、高压设备和结构复杂、有高速旋转部件的大型动力机械,如大功率柴油机、燃气轮机、蒸汽锅炉、机桨传动设备,学生实际操作设备具有较大的安全风险。由于实验设备台套数少、实验准备时间长、实验费用高等因素的制约,难以将大型设备用于实验教学。因此,开展船舶动力类专业虚拟仿真实验教学具有重要的现实意义。

1.2符合现代船舶动力技术发展趋势

基于船舶动力类专业特点,除热工等基础实验设备外,其他用于实验教学的专业设备成本高、更新换代难,且多为传统机型或分散设备,不能反映现代船舶动力技术发展的最新趋势。同时,传统的专业实验项目多为演示性、验证性实验,缺少设计型、综合型和研究型实验。因此,开展船舶动力技术虚拟仿真实验资源建设,可以进行高危、极端工况的设备性能实验,满足创新型人才培养对现代实验教学条件的需求。

1.3实验教学示范中心内涵建设的延续

在2006年开发的“船舶内燃机结构全虚拟拆装”教学网的基础上,船舶动力技术实验教学中心依托科研资源、发挥科研优势,陆续开发了船舶燃机性能、船舶燃气轮机、船舶联合动力装置、船舶蒸汽动力装置等全虚拟和半物理仿真实验平台,进一步突出了“虚拟仿真与现实设备互动、科研支撑与校企合作联动”的实验教学特色。因此,船舶动力技术虚拟仿真实验中心建设也是国家级实验教学示范中心内涵建设的延续。

1.4提高学生对专业学习的兴趣

将现代虚拟仿真技术用于实验教学,对提升学生的能力和水平具有重要作用。教育部在《关于进一步开展“十二五”高等学校实验教学示范中心建设工作的通知》中,要求创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境。因此,虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和国家级实验教学示范中心建设的重要内容,是学科专业与信息技术深度融合的产物,是创新实验方法和手段的体现。利用虚拟仿真资源,可实现极端工况不可及或不可逆实验项目的操作,有利于提高船舶动力类专业学生专业实验效果和学习兴趣[4-6]。

1.5有利于强化优质教学资源的示范辐射

自主开发或联合开发具有自主知识产权的虚拟仿真实验教学资源,有利于大型开放网络课程(MOOC)的实现,提高MOOC效果,也有利于提高优质实验教学资源的示范和辐射作用,提高国家级实验教学示范中心地位[7-8]。

2　虚拟仿真实验教学平台组成及运行模式

2.1虚拟仿真实验教学平台概述

哈尔滨工程大学船舶动力技术国家级实验教学示范中心开展虚拟仿真实验教学资源建设较早。早在1999年,学院教师就着手开发内燃机虚拟拆装系统,并于2005年成功应用到本科内燃机实验教学中,“内燃机结构”实验教学课程于2007年被评为国家级精品课程。经过多年的建设,哈尔滨工程大学船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心已自主或联合开发了覆盖船舶动力专业所有类型(内燃机、燃气轮机、蒸汽动力、轮机工程)的虚拟仿真实验系统。现有虚拟仿真实验教学资源绝大多数是本校科研成果转化的实验教学资源。随着技术的发展,这些实验教学资源不断进行完善和更新,因此,它们反映了我国船舶动力专业的发展趋势和先进水平[9]。

2.2虚拟仿真实验教学平台组成

船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源分为基础虚拟仿真实验平台和专业虚拟仿真实验平台。基础实验包括热工和测试实验；专业实验包括内燃机方向、燃气轮机方向、热能方向和轮机工程方向的实验(见图1)。其中,热工基础虚拟仿真实验教学系统、内燃机结构虚实互动系统、内燃机性能仿真实验系统、燃气轮机虚拟仿真实验系统(燃气轮机全虚拟演示系统和船舶联合动力半物理仿真系统等)、船舶蒸汽动力虚拟仿真实验系统等资源为自主开发,并具备自主知识产权[10-12]。

图1　船舶动力技术虚拟仿真资源构成及运行

2.3虚拟仿真实验教学平台运行模式

船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源平台的运行模式分为全虚拟运行、虚实结合(互补)运行和半物理仿真运行。全虚拟运行方式为网络终端或单机访问资源,在课前进行网上虚拟预习,在实验课上实物再现,为无教师指导的自主实验方式；虚实结合运行方式是采用仿真方式完成实验,多用于实物台架可以部分实现或无法实现的专业实验,例如高危、高耗、不可逆或不可及实验项目；半物理运行方式为实物在环仿真实验系统,需要联合运行才能实现,方便工况设置和故障模拟。

2.3.1基础实验虚拟仿真实验平台

基础实验仿真平台对应的课程为工程热力学、传热学、动力装置测试技术等。学生可以在课前通过网络访问基础实验虚拟教学资源,实现课前预习、自主学习。网络终端以三维动画演示和精品视频课程为主,完全模拟实验室实际实验台的布局和操作步骤。学生通过网络预习后再到实验室实际动手操作,而教师的作用由讲授变为引导。这种运行模式实现了学生自主实验,拓宽了实验空间、提高了实验教学效率。

2.3.2内燃机专业方向虚拟仿真实验平台

内燃机专业方向虚拟仿真实验平台对应的专业课程为内燃机结构、内燃机设计、内燃机原理、内燃机电控、内燃机增压技术等,实验内容包括内燃机结构拆装实验和内燃机性能实验。内燃机结构拆装实验为虚实互动实验,学生可在网上预习内燃机结构拆装工艺(网址:http://diesel.hrbeu.edu.cn/和http://diesel.hrbeu.edu.cn/english/),到实验室实际操作,并有网络终端辅助,实现虚实互动,取得了很好的教学效果。内燃机性能实验主要在柴油机实际台架上进行,对于故障模拟、柴油机增压匹配等常规工况条件下无法开展的实验,采用虚拟仿真手段辅助完成,实现虚拟与现实结合方式运行。

2.3.3燃气轮机专业方向虚拟仿真实验平台

燃气轮机专业方向的专业课程为燃气轮机结构强度、船舶燃气轮机装置原理、燃气轮机电站等,建设了燃气轮机结构虚拟演示实验系统和燃气轮机性能仿真实验平台。实验平台采用虚实结合和半物理仿真方式运行,可以使学生全面了解燃气轮机动力系统的组成和工作原理等,掌握燃气轮机动力系统常见故障及排除方法,初步了解先进的燃气轮机健康管理技术。

2.3.4热能工程专业方向虚拟仿真实验平台

热能工程专业方向的专业课程为锅炉原理、换热器原理及应用、增压锅炉、船舶动力装置等,建设了船舶蒸汽动力全虚拟仿真实验系统和增压锅炉半物理仿真实验平台。船舶蒸汽动力全虚拟仿真实验系统涉及的船舶动力主机及辅助设备全部采用数学建模,辅以监控界面,以全虚拟数字仿真模型运行。

2.3.5轮机工程专业虚拟仿真实验平台

轮机工程专业虚拟仿真实验平台对应的专业课程为船舶电气设备及系统、船舶辅助机械、轮机自动化,动力装置设计等,建设有轮机装置虚拟系统和船舶动力装置匹配模拟系统。其中轮机装置虚拟系统为全虚拟仿真系统,包括主机遥控系统、机舱监测报警系统、阀门液位遥测系统和控制显示系统,可以实现船舶主机遥测实验、机舱监控报警实验等。船舶动力装置匹配模拟系统主要在Simulink仿真环境中实现,包括主机、轴系、螺旋桨及其他附属设备模型,可以实现性能匹配仿真实验,以全虚拟方式运行。

3　虚拟仿真平台在教学方面发挥的作用

虚拟仿真实验教学平台在实验课程教学中发挥了重要作用。它支持本科生入学教育、通识教育、专业课程教学、专业实践环节教学(包括专业实验、专业实习、课程设计、毕业设计)、大学生科技创新活动,以及研究生专业课程教学、专业实践环节教学。目前,虚拟仿真系统在内燃机结构、内燃机设计以及测试技术等12门课程的教学中得到很好的应用,支持本科生、研究生完成的科研课题达到130余项,在提高教学效率以及学生实践能力的培养方面起到了积极的促进作用。

由于虚拟仿真实验教学平台是由科研设施转化而来,在硬件和软件的配置上与现有科研设施没有实质区别,因而虚拟仿真实验教学平台能够同时兼顾教学和科研的需要,实现资源共享,不但促进了科研工作的顺利进行,也形成了实验教学平台与科学研究的良性互动,为平台向更高层次的发展创造了很好的条件。

4　结束语

船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设体现了实验资源整合、教学科研结合、校企联合的“三合”理念。是科研优势转化为教学资源的很好尝试。本着“能实不虚、虚实结合”的实验原则,船舶动力技术虚拟仿真实验教学平台既有仿真资源的优越性,也兼顾实物实验的不可替代性,并且具有较强的可移植性。虚拟仿真实验教学资源有效地延伸了学生进行实验的空间和时间，提高了实验效率,增强了实验效果。

References)

[1] 严华,郑国杰.海上专业实验教学示范中心建设的探索与实践[J].实验室研究与探索,2013,32(2):127-129.

[2] 冯英忠,卢泽楷,李志光.地方高校实验室建设与创新人才培养的研究和实践[J].实验技术与管理,2012,29(11):26-28.

[3] 谢峻林,冯小平,金明芳.深化改革创新实验教学示范中心建设[J].实验室研究与探索,2013,32(2):123-126.

[4] 景新幸,张国庆.以实验教学创新全面推进国家级实验教学示范中心的探索与实践[J].实验技术与管理,2011,28(12):1-4.

[5] 张文桂.实验教学示范中心建设的思考与实践[J].实验技术与管理,2008,25(1):1-4.

[6] 徐淑玲,蒋必彪,龚方红.实验教学示范中心建设的多功能考量[J].实验技术与管理,2011,28(12):119-120.

[7] 丛蕾,蒋家慧,刘智军.高等学校骨干学科教学实验中心建设的探索与思考[J].实验技术与管理,2012,29(11):119-122.

[8] 夏蔡娟,刘汉臣,张英堂,等.工科院校开放式实验教学模式的探索[J].西安邮电学院学报,2011,16(增刊2):136-138.

[9] 路勇,高峰,马修真.能源动力专业“进阶式”实验教学探索与实践[J].实验科学与技术,2012,8(6):59-61.

[10] 高峰.高校实验室文化建设问题的探讨[J].实验室科学,2012,15(2):128-129.

[11] 路勇,马修真,韩伟.高校能源动力类专业实验教学改革研究与探索[J].理工高教研究,2010,29(6):119-120.

[12] 梁宇涛.虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2006,23(6):81-84.

Study on construction and prictice of virtual simulation experimental teaching resource by using marine power technology

Lu Yong, Ma Xiuzhen, Gao Feng, Li Shuying, Fei Jingzhou

(Marine Power Technology National Experimental Teaching Demonstration Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The Marine Power Technology National Experimental Teaching Demonstration Center of Harbin Engineering University has developed the virtual simulation experimental teaching frame and system based on following the spirit of the Ministry of Education on development of virtual simulation experimental teaching resource, and the concept of “integration of the resources, combination of teaching and research, union of university and enterprise.” The virtual simulation experimental teaching frame and system are an interaction and combination mode on virtual and practical equipment. Thus the high-level teaching and experimental platform can be achieved, as well as the capacity of high quality training for students is improved and the connotation development is promoted.

virtual simulation experiment； teaching resource; marine power technology

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.029

2015- 08- 20

黑龙江省教改项目“高校教师科研团队与科研成果融入创新型人才培养的实效机制探索与实践”(JG2013010202)资助

路勇(1978—),男,吉林洮南,博士,副教授,实验中心主任,主要从事船舶动力装置自动化研究、实验室建设与管理.

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0117- 03