舰船机电装备类课程实训条件与实训模式构建

杨占录，李卫宁，刘吉军

（海军潜艇学院，山东青岛266100）

职业技术教育院校机电类专业直接面向各类技能型岗位培养人才，毕业生的实作实操技能是评价教学水平的重要标尺，因此各院校普遍非常重视实作教学条件的建设[1]。大型工业类企业中，技能型岗位数量多，为了培养新入职员工的操作技能和提高在岗人员的实操技能水平，一般也设置专门的培训部门，建设与本企业各技能型岗位培训需要高度匹配的训练器材。例如，大型地下变电站中辅机系统设备多，操作复杂，易出现故障，通过运行在PC机上的虚拟仿真装备的训练，能够加快操作管理人员的培训进程。

多年来，军事职业技术教育机电类专业也非常重视教学条件建设。有的在舰船动力系统、推进装置的培训中采用了虚拟设备进行操作流程的培训[2]，有的采用虚拟系统训练学员的维修能力[3]。但是由于虚拟训练设备与系统无法完整地给学员提供操作真实装备的感官输入，因此外部结构和实际装备一致的半实物仿真装备应运而生，成为了一种有效的维修训练方法[4]。为了充分发挥虚拟装备与模拟装备的优点，也有的在一套系统中同时包含虚拟训练设备和模拟训练设备[5]。

舰船机电专业实训教学与其他专业有很多相似之处，可以借鉴其实训教学条件的建设经验，丰富完善现有的实训装备，形成分层次的、完整的实训教学条件。

1 岗位能力需求分析

舰船机电部门包括轮机、电工等多个专业，机电专业人员执掌的装备数量多、种类繁杂。机电专业人员能否高标准完成操作管理职责，关系到使命任务能否完成。因此，学员在校学习期间必须习得以下能力。

1.1 正常操作使用

机电专业每个岗位的人员都执掌一定数量的设备，其中部分设备的操作流程还比较复杂，操作过程中需要监测的设备参数比较多。熟练操作自己执掌的设备，并且在操作过程中能根据设备的状态参数、设备外在表现判断其技术状态是每个学员的基本技能。

1.2 维护保养

机电设备存在参数漂移、正常老化等过程，因此在其寿命周期内，为保持设备的技术状态，必须按照相应的规定对设备进行定期的维护保养。维护保养一般是在全面检查的基础上进行清扫、擦拭、紧固、润滑、调整等工作，根据检查的结果，也可以对老化的部件进行预防性维修或更换。

1.3 应急处置

海上航行过程中，舰船上有大量的机电设备在工作，如果有设备出现状态异常，操作人员必须能够在短时间内进行应急处置，一方面要快速转换设备的工作状态，限制住单个设备的异常程度，使其尽可能不影响全舰的状态和任务的执行，如果异常设备不得不停机，则要启用替代手段。另一方面要保证异常设备不能影响艇员及周边其他设备的正常工作，防止不利态势扩大。

1.4 故障排除

机电设备使用过程中，由于设备老化、操作失误、设计欠佳、工作环境恶化等原因都可能引发故障。对于维修困难的故障，无法短期内完成维修工作的，可以在舰船靠码头后由相关单位实施维修；对于维修难度不大，或者不维修就会对任务的执行产生重大影响的，艇员必须能够依靠自身力量完成故障的诊断和排除工作。这就要求机电专业人员必须具备海上航行期间的维修能力。

2 训练系统的类型

理论学习是学员形成上述岗位任职能力的基本方式，但还远远不够，必须通过训练系统展开实作、实操训练，学员才能形成有效的岗位任职能力。

2.1 虚拟训练系统

由于舰船装备造价昂贵、维护费用高，院校不可能批量配备。同时，部分装备的关键部件寿命是以工作次数或工作总时间计算的，也不适合频繁操作训练。而院校学员数量多，操作过程需要反复训练，舰船装备无法满足要求，因此虚拟训练系统应运而生。

虚拟训练系统是采用计算机仿真、多媒体、虚拟现实等技术开发出虚拟训练设备并通过显示器上显示出来的，学员通过鼠标等操作设备控制虚拟训练设备实现训练。其中，针对机电装备的虚拟训练系统可以分为由多个二维虚拟设备构成的训练系统、由多个三维虚拟设备构成的训练系统、三维空间沉浸式多岗位协同训练系统。

早期的虚拟训练系统一般是由多个二维虚拟设备构成的[6]。随着技术进步，可以采用数个独立的三维虚拟设备构成训练系统，这种系统的优点是开发快，成本低。例如，动力系统包括主机、控制台等多个操作岗位的训练设备，每个岗位的设备对应一台虚拟设备、使用一套数学模型并运行于一台计算机上。多台虚拟设备组网，通过网络通信和模型计算，保证各虚拟设备的状态同步，就可以形成完整的虚拟训练系统。与上述两类系统不同，三维空间沉浸式多岗位协同训练系统整体采用一套三维设备模型和数学模型，三维设备模型可以根据需要显示在多个显示器上，操作人员可以实现机舱漫游，行走到自己执掌的设备前进行操作，可以采用鼠标、数据手套等设备进行操作，也可以配合头盔显示器进行场景展示。具有极强的沉浸感，配合设备工作声音的模拟，可以保证取得良好的训练效果。除用于操作训练外，虚拟设备还可以展示设备的内部构成、部件间的连接关系、机械部件间的连锁关系等。

2.2 半实物模拟训练系统

虽然纯虚拟训练系统具备经济、安全、可反复训练、不受场地空间限制、乘训能力强等优势，但由于其操作是使用鼠标、手套等输入控制设备，与实际设备的操作方式存在显著差别，操作人员无法体会大型操作部件的真实阻力矩、阻尼等操作特性，在学员已经熟练掌握操作流程后，进一步提高学员的操作水平就应当采用半实物模拟训练系统。

半实物模拟训练设备在尺寸、外观、操作方式、显示方式、操作后的响应过程等方面与实际设备完全一致，学员操作过程中的体验与操作实际完全相同。但是模拟训练设备内部没有与实际装备相同的部件，因此造价远低于实际装备。其内部一般布置有接口设备，通过接口设备的输入模块采集开关、按钮等操作部件的状态来检测操作人员的动作，将操作数据发送给服务器，服务器中的数学模型软件根据输入数据计算出输出部件应有的显示状态，将显示数据发送给模拟设备内的接口设备，接口设备的输出模块控制仪表、指示灯等显示部件进行状态输出。该类训练设备内部结构简单，因此操作使用寿命远长于实际设备，可以用于反复训练。但是由于体积较大，一般一个型号的设备只配置一套相应的模拟训练设备。学员在此类设备上进行正常操作流程训练、应急处置训练，可以获得与实际装备接近的训练效果。

2.3 全实物模拟训练系统

采用计算机控制的模拟训练设备虽然能满足操作流程训练，但无法满足结构展示、工作原理演示、故障排除等方面的教学。对于电气类设备，可以采用全实物模拟训练设备满足上述教学需求。全实物模拟设备的结构组成、工作原理与实际设备相同，但是在器件等级上采用一般民用标准器件，部分器件用小功率器件代替大功率器件，因此造价远小于实际装备。设计全实物模拟训练系统时，关键步骤是要认真研究如何在装备上设置故障，统筹安排典型故障的类型与数量，让教练员能够方便地在设备上设置故障。设置的故障被触发后，故障现象、故障的演进过程必须与实际装备完全一致。为方便电气故障的诊断，可以在易于操作的位置加装测量端子，便于操作人员采用测量工具测量电气参数，进行故障的诊断与排除训练。

2.4 实际装备训练系统

实际装备训练系统中的设备与舰船上的装备完全相同，根据需要也可以营造与舰艇相同的环境氛围。训练时，一旦受训人员操作失误，有可能造成事故，产生经济损失，因此在实际装备上开展训练，受训人员会承受较大的心理压力，只有在一定心理压力下展开的训练才是最贴近实际的训练，才能形成各岗位协同操作的能力，才能显著提升学生工作后操作装备的自信心。

另外，对装备进行规范的维护保养是维持其良好技术状态的必要手段，是日常工作的重要内容。只有在结构组成与实际装备完全相同的设备上开展维护保养训练，才能增强训练的针对性和有效性。

3 逐级提升式的训练模式

舰船机电专业学生必须具备的四种能力的生成是有先后顺序的，对应不同的能力培养应当采用不同的教学条件。

学习初期，学员应当学习设备的结构组成、工作原理。虚拟训练设备能够展示设备的内部结构、详细展示出设备工作过程中各部件电气与机械状态的变化，因此，通过观察虚拟设备，学员可以通过形象直观的方式掌握相关知识。

对于正常操作训练、应急操作训练，通过反复操作虚拟训练设备，学员可以熟记操作流程及注意事项。然后再采用实物模拟训练设备进行训练，体会操作设备的直观感受，初步克服操作过程中的心理压力。学员基本形成操作技能后，可采用实际装备建立与舰艇上相同的操作环境，包括命令下达与回复、各操作岗位间的配合操作等。完成实际装备训练的学员就真正具备了装备的操作管理能力。

学员必须要具备排除实际装备发生故障的能力，但在实际装备上设置故障比较困难，甚至有些故障无法设置，因此故障排除训练主要在模拟操作设备上开展。模拟训练设备具备故障设置功能，教员设置故障后，学员操作过程中会触发故障，使设备呈现故障状态，学员利用理论知识分析出所有可能的故障点，再用测量工具逐一测量相关电气参数，综合判断，逐步定位出故障点，最终排除故障。

在实际装备上进行维护保养训练，可以营造出与实际工作时相同的操作环境，维护保养的方法、步骤及注意事项等与实际装备也完全相同，掌握相关技能后，可以直接对舰艇实际装备进行维护保养。

机电专业人员是保证舰艇完成使命任务的重要群体，院校和舰艇都非常重视机电专业人员综合能力的培养。建设由上述四种类型训练设备构成的实训教学条件有助于系统培养、快速形成机电人员的专业能力。限于经费、场地等因素，可以针对装备的特点，选择建设某一种或某几种训练设备。