虚拟现实技术在“机舱资源管理”教学实践中的应用

商 蕾，程惠芳，孙 俊

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院 b.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

虚拟现实技术在“机舱资源管理”教学实践中的应用

商 蕾，程惠芳，孙 俊

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院 b.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

考虑到船舶产业的快速发展，海员的培训要求越来越严苛，针对海员对技能培训的需求，推出将虚拟现实技术应用于“机舱资源管理”课程的教学模式，分析该教学模式的可行性并介绍其模型的建立，旨在为学员建立一个与真实教学环境无差别的“机舱资源管理”虚拟教学实验平台。

机舱资源管理;虚拟现实技术;虚拟教学实验平台

“机舱资源管理”课程已成为必备的船员培训及考核科目。而轮机模拟器作为这门课程实操环节的必备设备，也被研究人员广泛关注并深度挖掘其应用的更多可能性。由于配备轮机模拟器、主机拆装实验室等硬件教学设备和设施费用昂贵，一些拥有航海类专业的大中专院校及专职培训机构没有配备这些设施的能力。与此同时，受到硬件台套数、教学场地及外界环境等的制约，机舱资源管理的培训效率和效果也受到一定的影响。因此，有必要提供给学生一种全新的，在电脑桌面上就可以全景展示机舱的内部构造、模拟实验操作，实现随时随地可完成机舱内各项目和应急演练的教学模式。

1 “机舱资源管理”课程教学现状

目前，“机舱资源管理”课程在实践教学中主要有3种教学方式：理论学习、操作训练、团队练习。理论学习用以掌握机舱资源管理的基本原理和操作规程；操作训练用以掌握设备操作技能，进行基础的实践训练;团队练习用以培养学员的团队合作能力和判断处理复杂局面的综合能力[1]。在这3种教学方式中，理论学习一直受到高通过率的青睐，但真正涉及到“机舱资源管理”实操课程的教学目标，实际效果存在很大的差距。

本校“机舱资源管理”培训课程自2013年开设，每年都有上千人进行这门课程的学习。2013—2014年期间机舱资源管理培训统计数据见表1[2]。

表1 武汉理工大学“机舱资源管理”培训统计

由表1可见，“机舱资源管理”的理论考试通过率都不错，但在实操课程上，在校学生的实操评估考试通过率明显低于社会船员。究其原因，主要还是在校学生缺乏实际机舱管理的工作经验，几乎没有机舱资源管理的情景意识。而“机舱资源管理”这门课程又相对来说比较特殊，其学习的最终目标就是结合船舶机舱可能发生或遇到的紧急情况，要求机舱值班人员根据实际情况有效的利用船舶机舱现有的各种机械动力设备、安全设备，合理调度人员，通过机舱组织和程序执行发挥每个人在团队工作中的作用，从而有效执行并完成相关工作的操作程序，以保证船舶的安全航行[3]，这对学员的实操技能有很高的要求。而且在“机舱资源管理”这门课程的考核中，实操技能相对来说占的比重较大，学员如果实操考核无法通过，将影响其是否能顺利拿到学位证。

针对以上情况，拟将三维虚拟现实技术引入“机舱资源管理”课程教学中。通过虚拟现实技术的融合，提供高沉浸感的虚拟场景，使学生能够身临其境的感受船舶机舱布局，了解各个主要设备的运行状态等，从而更好地对机舱资源进行合理配置与管理，提升课程教学效果。

2 虚拟现实技术应用的可行性

目前，国内外将虚拟现实技术与教育相结合的实验项目，大体上有以下几种表现形式：其一是实验仿真。最具代表性的是“仿真物理实验室”，这是一款面向物理课堂、物理教师和学生的、一个全开放性的物理实验仿真软件，可以提供一个实验器具完备的综合性实验室，学生不仅可以“亲身体验”实验操作的全过程，还可以实时获取相关实验数据。这种利用虚拟现实技术打造的实验仿真平台，学生在学习的过程中既可以避免实验器材和实验环境的局限性，也可以预防实验过程中可能出现的危险并减少经费的投入。其二是工程漫游。例如，现在的大型网游，使用者通过计算机网络在虚拟环境下对人物角色及场景按照一定的规则进行操作以达到娱乐和互动目的的游戏产品，其主要特点就是允许玩家对虚拟设备自行分配，并实现人机交互。其三是空间仿真，这一技术在建筑的教学中有着较多的应用。现在比较热门的虚拟校园漫游系统，就是以真实校园为整体蓝本，利用三维技术和虚拟现实技术(VR)，还原校园的地理空间，并实现其与校园属性信息的融和。用户可以利用计算机网络远程访问这个全新的校园景观，通过终端计算机在虚拟校园中漫游，而且还可以进行查询、搜索等操作[4]。

但是虚拟现实技术并非在任何课程中都适用，对于理论和计算知识相对集中(数学、会计、语言类等)的课程，其没有针对性的实际意义。而“机舱资源管理”这种理论与实操相结合的特殊课程，要求学员不仅能够熟练操作机舱内的各项设备，还需根据突发状况安排人员做好应急处理。针对这一情况，提出将虚拟现实技术与网络技术相结合，制作出可交互的“机舱资源管理”课程虚拟系统，与此同时，采用多种实验设备的同步交互，使学生在课下不仅能对船舶机舱的各机械动力设备、安全设备进行全景展示，也可以通过鼠标和键盘等操作对系统中预置应用进行实时的演练。此外，通过模拟各种对设备的错误操作，不仅能让学生客观的感受不符合规程的操作带来的后果，也可以让学生综合理解并实时反应遇到各种紧急情况的预处理方案。通过这种预置操作的模拟方式，让学生随学随用的同时，也避免了实际实践课程中实验设备的损耗，对学生实践能力的培养和实验设备的维护具有重要的意义。

3 虚拟实验环境的建立

3.1 虚拟实验系统的框架

根据“机舱资源管理”课程对虚拟实验系统的需求，收集实船数据，在通用的计算机系统上，利用3DS Max，Photoshop等软件制作实船实体以及内部各系统的模型，Unity3D等软件实现桌面虚拟实践教学系统的实时交互，建立一个可以提供给学生设备操作的练习以及预置应急处理的多层次、多目标可持续的模拟练习平台。该虚拟实验系统的构成如图 1所示[5]。

图1 “机舱资源管理”虚拟教学实验系统结构

3.2 平台开发流程

为了创建一个与实际教学无差别的“机舱资源管理”虚拟现实教学实验平台，从4个阶段介绍该平台开发流程。该平台开发流程图见图2。

图2 “机舱资源管理”虚拟教学系统平台开发流程

第一阶段。系统设计与资料的收集与整理。根据“机舱资源管理”课程的教学目标收集实船资料。 如船体、机舱总览、主推进装置及其推进系统、 发电柴油机、自动化电站系统、舵机系统、锅炉蒸汽系统、压载水系统、火灾报警和灭火系统(包括二氧化碳系统)、舱底水系统、燃油柜系统(包括燃料柜、沉淀柜和日用柜)、空气系统，以及冷却水系统等的结构图和数据，对这些细节进行真实还原使学员在实际的轮机驾驶过程中能实现无差别操作。另一方面，还需要收集各种预置操作的数据资料。如在多人协作完成机舱各种应急处理演练时，所设计的机舱资源管理模拟器实现机舱进水时船舶吃水和横倾变化的检测以及设备的自动启停、机舱失火和全船失电的应急处理等训练内容的数据。

第二阶段。制作三维模型。利用三维建模软件3DS Max的多边形建模技术，实现三维场景模型的制作，并结合Photoshop软件中已有素材合成模型的固有色和3dsmax中的材质进行贴图，真实还原机舱内部构造及各系统的360°全局演示。

第三阶段。进行灯光处理和贴图的烘焙以达到模型的优化。

第四阶段。虚拟交互设计。Unity3D是利用交互的图形化开发环境为首要方式来实现多平台的呈现。运用Unity3D的诸多特点，制作系统的运行界面，包括背景界面元素、交互按钮和背景音乐的制作，以及各预置操作流程及实现的代码，并加入视频和flash等媒体实现模型和按钮的交互

链接，建立相关预置操作的资料库。

第五阶段。发布输出。此阶段是把最终完成的“机舱资源管理”虚拟教学试验系统发布成网页文件或者打包成可执行文件，实现PC端和移动端的同步发行，达到随学随用的新型教学模式。

4 虚拟教学系统应用效果

首先，学员根据线上对这门课程的介绍以及各零部件各系统基本构成的讲解，从理论基础开始了解其教学目标。使学员在掌握各设备原理的同时，也能将其实际构成对号入座。

其次，通过线上平台提供的交互式操作，不仅可以能让学员快速掌握各个设备的运行轨迹，实时了解整艘船的运行布局，还能给学员想象的空间，充分调动学习的积极性，发掘创造潜力。

最后，在线下进行实操环节的应急演练，调动各学员的实体感知能力和判断处理复杂局面的综合能力，并培养学员之间的团队合作团队精神。再进行线上的补充练习，使学员在巩固知识的同时，也能自主地尝试各项操作，更好地掌握机舱各设备整体的配合效果。

[1] 胡贤民.基于虚拟机舱桌面系统的高职小班化教学实施研究[J]．船海工程，2014(1)：114-116．

[2] 成春祥.机舱资源管理的理论教学与实操培训[J].船海工程，2015(2):99-103.

[3] 蒋德志，赵晓玲.基于轮机模拟器的“机舱资源管理”研究与实践[J].中国航海，2011(1)：22-25．

[4] 李建荣.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].实验室科学，2014，17(3):98-102.

[5] 邢辉，吴建潘.机舱资源管理培训内容的履约探讨[J].航海教育研究，2011(1):34-37.

Application of Virtual Reality in Teaching Practice of the Engine Room Resource Management

SHANG Leia,b, CHENG Hui-fanga,b, SUN Juna,b

(a School of Engine and Power Engineering;b Engineering Research Center for Transportation Safety, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

With the rapid development of shipping industry, the training requirements of the seafarers become more and more strict. In order to meet the needs of seafarers for skills training, the virtual reality technology was applied in the course of engine room resource management. The feasibility of this teaching mode was analyzed and the establishment of the model was introduced, so as to build a virtual teaching experiment platform for the course of engine room resource management, which is indiscriminate with the real environment.

engine room resource management; virtual reality technology; virtual teaching experimental platform

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.034

2016-04-07

湖北省教研资金(2014120)

商 蕾(1974—)，女，博士，副教授

G642.0

A

1671-7953(2016)06-0144-03

修回日期：2016-05-17

研究方向:虚拟现实与系统仿真

E-mail:630314449@qq.com