新工科背景下轮机工程专业实验实训平台建设

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

一、引言

基于“中国制造2025”、“一带一路”倡议等国家重大战略背景，以及船舶智能制造和海洋工程装备等高新技术的发展，航运产业依托创新驱动发展迅速。能否在当前局势下完成转型，做到资源整合、特色鲜明、优势互补，真正成为支撑交通运输事业快速发展下的科学技术与高素质人才的坚强后盾，在规模和质量上适应国际开放式创新型高级航运人才培养的要求，这是中国航海教育面临的严峻挑战。为推进轮机工程多学科交叉融合，本科航海院校应加快新工科建设，加快智能航运人才布局，实现轮机工程传统专业向智能船舶及海运技术综合发展的升级转型。

作为首批进入国际海事组织(IMO)航海教育白名单的院校，武汉理工大学致力于探索与实践高质量轮机工程航运人才培养模式[1]。目前航运业正在向智能航海方向发展，因此航运教育已经开始以海事、航运科学为核心，融合了载运工具、动力工程、交通运输规划与管理、运输经济与管理、海洋生物科学、水利工程、海洋环境与安全、信息科学与应用等学科方向，正在转型为复合型国际化人才培养模式。专业学科向多学科复合交叉趋势发展，办学层次由单纯的本科航海教育教学型向高级引领型航运人才培养和海事系统科学研究并重的方向发展。协同陆上专业对海上专业发展的促进和提升作用，通过不断开拓新的研究领域并最终为“交通强国”“海洋强国”等国家战略服务。

从武汉理工大学轮机工程专业发展现状出发，对轮机工程人才培养模式中实验实训机制进行研究，深入开展轮机工程专业人才素质内涵建设和人才培养模式探索，对在新工科视域下的轮机工程专业实践育人机制及平台建设进行研究，做实“卓越工程师教育培养计划”。

二、实验实训人才培养现状分析

轮机工程专业面对船舶大型化、智能化、自主化发展的挑战，遵照教育部“卓越工程师教育培养计划”精神和学校“宽口径、厚基础、强能力、高素质”人才培养要求，培养能胜任轮机操纵与维护、监修与监造、检验与管理等岗位工作的高级工程技术人才。

近年来，受全球航运业和造船业低迷的影响，整个国内航运市场持续不景气。轮机工程专业的招生规模缩减，伴随专业发展方向的改革，规模有进一步缩小的趋势[2]。轮机工程专业学生的培养目标和就业方向已不局限于传统水上就业，正在向岸基支持、智能运维、智能管控等方向拓展，新的行业发展及就业需求倒逼轮机工程专业培养方案向具有国际视野和跨文化交流与合作能力的高端航海人才方向改革。轮机工程专业复合型人才的内涵应为具有创新精神和较强实践能力，能够引领交通运输与船舶行业内智能航海与先进制造新技术的卓越人才。通过对轮机工程专业2016版(2020届)培养方案的教学模式和培养方案中的实验实训课程和实施过程进行分析对比，发现现有培养体系中关于创新能力培养以及实践教学实施存在如下问题：

(1)平台支撑不足，实践教学配置不够完善

科研成果服务于教学仅仅体现在指导学生申报节能减排、“挑战杯”和创新创业类项目等，科研和专业教学之间缺乏紧密联系，没有科研应用教学、教学促进科研的循环机制，专业教学的内容落后于当今科学技术的发展水平。实验室建设不够连续，实验实训教学场地和手段革新不足。实验管理人员应根据专业未来的发展和社会需求，建立动态建设机制，保证实验室基础设备的台套数，建设开放计算平台，为虚实结合实验、虚拟仿真实验、综合设计实验等提供软硬件支持。

(2)实验实训没有形成闭环的评价机制

实验室开放度低限制了实验室使用频率和效率。如何提升实验室开放度，同时保证实验室安全管理、秩序稳定，是目前实验实训人才培养中亟待解决的课题。专业实验实训课程没有与其他基础课程区分开，仍按照统一批次进行实操，过程结束后没有完整的体系对整个流程进行评价和反馈；现行实验实训教学实施中，没有闭环的评价机制导致实验实训教学不能与理论教学深度交叉结合起来，双向促进、协同发展；轮机工程专业学生的创新能力培养不够踏实和深入。

轮机工程专业学生的培养必须符合STCW公约马尼拉修正案，也必须符合交通运输部海事局2011年12月通过的新《中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则》和《海船船员适任考试大纲》的要求[1]，接受航海质量管理体系监控，定期进行校内质量办内审、交通运输部外审、欧盟和国际海事组织评估。现行实践教学环节培养体系以STCW公约的技能和适任要求为目标，其中实验实训教学机制已经与现今新工科背景下的专业发展需要严重脱节，亟须探索新的实验实训实施机制，以保障实践教学质量。“卓越工程师培养计划”中对学生的实践能力和创新能力培养主要通过实验实训教学环节实施，改革实验实训教学是深入践行“以学生为中心、目标导向和持续改进”的工程教育认证闭环机制的重要手段。

三、新工科背景下实验实训平台建设

为了适应国家各项海事政策、海洋开发、海上运输业和国防事业的需求，中国履约以及船员大国向船员强国转变的战略方向，应利用校企协作基地资源，加强实验实训中心建设。

实验实训中心通过优化整合实验实训资源，实现教学、科研资源的高效利用。首先借助计算机技术提升实验室开放度，引进优秀人才队伍优化实验教学师资。其次对现有的实验教学课程体系进行改革，从教学内容和教学方法方面着手提升实验教学效率和质量，完善实验教学的过程监控和实验后的评价。由教学办和实验中心统一对实验体系进行设计划分，构建专业基础实验、创新创业实训、科研拓展研究等多层次的平台体系，该机制的实施可以对整体的实验实训课程进行统一管理、统筹安排、注重基础、综合发展，整个轮机工程专业实验实训内容可形成统一整体。

在新工科的背景下，围绕国家对轮机工程专业复合型人才的要求和培养目标，以实验实训教学全局性问题为突破口，着力构建轮机工程专业完善的综合性高水平的实践教学创新体系。从课程内容、平台统筹、运行机制、过程监控评价等方面，整体设计，分层推进，形成持续改进的闭环系统[3]。

1.基于多源的实验实训运行机制

多源复合是指信息的互相匹配复合，在遥感影像、检测诊断、健康管理等综合和系统分析方面进行多向研究，目的是达到多种信息源互相补充、互相印证，提高系统分析和判断效果。培养应用能力和创新意识的学生，就需要配套齐全的实验环境和资源，引领和驱动学生开展创新研究和实践活动[4]。将实践教学内容贯穿人才培养全过程，轮机工程专业的实践教学主要分为与理论课程相关的集中实践型教学内容和海上实习实践教学环节，在人才培养全过程中有必要突出人才培养体系中实践教学的关键地位。

本课题对轮机工程专业实验实训育人机制进行研究，引入多源信息融合方法，建立理念引领、顶层设计、组织实施、评价反馈和改进完善等五个环节组成的“五维一体”的闭环式完整运行体系。新工科背景下轮机工程专业实验实训运行机制模型如图1所示。

(1)通过“五维一体”实验实训平台的建设，运用GIS空间信息技术、Web技术和移动平台技术等，实现数据资源的集中管理，可实现多源实验实训平台数据存储一体化。

(2)围绕人才培养对实验实训育人机制的反馈影响，通过对校内外实验实训平台多方、多层次功能或职责的梳理和分析，分类分时优化数据结构，形成基于平台数据的“高校主导、多方参与、资源整合、优势互补、协同运作、创新共赢”的多源运行与协同模式。

(3)通过多源数据复合管理、计算、二次开发，针对教师与学生等不同对象建立评价模型，对实验实训平台运行和使用效果以及实验实训教学质量进行评价。

图1 轮机工程专业实验实训运行机制总体模型

在顶层设计上为轮机工程专业学生的专业意识与专业能力的养成规划出蓝图是构建创新型实践教学模式的引领方向。该运行机制能够动态获取行业需求、高校技术革新，并结合国家政策的示范引领，生成引导师生教学和学习的管理策略。依托国家级船舶运输实验实训教学中心的支撑，整合教学科研资源高效转化和合作共享，建立可视化的系统平台。针对不同用户对象和需求，提供多平台或项目选择，利用互联网手段改革实验教学手段，完善过程质量评价和监控。轮机工程专业特色机制的稳定运行是建设具有高水平、优质、稳固的实训平台的基础。

2.实验实训可视化路径

高校实践育人指标体系复杂，评价机制仍处于相对滞后、不够成熟的阶段，也尚未形成系统性、普适性的标准体系[5]。从实验实训“事前、事中、事后”三阶段多层面可视化视角的研究还比较少，缺乏评价反馈和实证支持案例。

本研究内容以武汉理工大学能源与动力工程学院实验中心为对象，对实验实训可视化路径进行设计研究，本路径将实验实训环节分为“事前—事中—事后”三个主要阶段，建立预约机制、实验实训过程监控机制、实验实训评价机制，形成优化改进的持续闭环机制。实验实训可视化路径模型如图2所示。

图2 实验实训可视化路径模型

实验实训可视化路径将实验实训过程分为预约机制(事前)、实验实训过程监控机制(事中)、实验实训评价机制(事后)三个阶段。在预约阶段通过微信端的实验实训管理系统选择实验平台类型预约时间、教师和座位，通过系统确认后生成预约信息发送给过程监控系统平台进入下一步流程。在过程监控机制中，通过实体台架、虚实结合实验、虚拟实验等结合，提升实验室开放度，实验指导可根据实验的类型不同，进行专职教师和系统引导监控两种不同的过程教学。在过程监控机制中，通过移动端和PC端对学生、指导教师以及平台过程信息进行手动记录和后台记录，在实验流程结束后保存在数据库中，用于后期实验实训评价计算。在实验实训评价模块，通过智能控制、环境监控和数据库系统协同作用，得到动态监测的分析结果以及整个平台运行的管理决策，用于支撑对学生端、教师端以及实验室的评价。该机制运行可对在线使用的教师和学生进行评价，通过多因素权重分析，得到实验实训评价结果。评价结果反馈给预约流程和实验实训过程形成持续改进的闭环系统，整个机制的运行遵循工程教育认证的OBE理念[6]。

可视化运行路径的研究可实现实验实训系统的有效集成，减少当前数据的繁杂冗余，提高系统服务效率和质量；实现数据的共享，解决现有的数据共享性、可用性差的问题，使得多系统联合运作时数据访问和管理更加便捷和安全。实验实训可视化路径研究与实践有利于人才培养模式和培养机制的改革。依托水上专业行业优势，通过监测真实环境下的船舶动态数据、实验平台数据等，提供逼真、沉浸、精确的三维场景，实现 “数据输出—二维显示—三维场景—数据复合”多层次浏览、监控及反馈模式。

3.基于多源的实验实训可视化平台建设

武汉理工大学轮机工程专业2019年已获批“国家级一流本科专业建设点”，荣获“湖北高校省级优秀基层教学组织”，已完成《基于全景漫游的船舶认知》等10余项虚实结合、虚拟仿真实验项目，获批两项湖北省虚拟仿真实验项目(船舶辅机虚拟仿真实验，2017年；船舶轮机实训虚拟仿真实验，2018年)。

实验实训平台具备大型的规模化设备群，包括二冲程柴油机实验教学平台、液货作业仿真系统、“船舶虚拟机舱漫游及操作平台”“航标船三维仿真系统”和WMS型船舶轮机模拟器等设备，以及大型服务器集群、高性能计算机等多种硬件设备。搭建了武汉理工大学能源与动力工程学院虚拟仿真实验教学平台以及深入学习的运行环境，实现可视化资源共享，拓展实验实训课程内容，使用虚拟仿真实验、虚实结合实验、远程监控、数字孪生系统等手段，让教师学生在时间、空间领域有更多灵活选择，为师生提供全天候开放的实验环境。

平台建立了基于Web的三维虚拟仿真支撑环境，实现了实验实训过程中的知识学习模块、交互式模块、数据统一管理模块、全天候开放模块、“事前—事中—事后”评价模块等。针对师生用户习惯使用移动设备的特点，开发了一套基于手机微信端的实验实训管理系统，以PHP为后端框架，MySQL作为后端数据库，前端采用AngularJS、JQuery进行页面交互[8]。师生用户可通过微信端进行设备、实验实训项目的预约和知识学习。本系统已在校园服务器和云端服务器完成部署，根据用户需求的不同，面向校内校外受众群体。根据实验实训操作体验及用户接入需求的不同，平台引入VR/AR/MR技术，通过个人PC机、HTC VIVE头戴式显示系统、微软HOLOLENS增强现实眼镜、智能手机APP应用等进行交互。基于多源的实验实训可视化平台框架如图3所示。

图3 基于多源的实验实训可视化平台框架

实验实训可视化平台依托轮机工程国家级特色专业、长江黄金水道绿色和安全技术协同创新中心(简称“协同创新中心”)、国家级船舶运输实验实训中心以及湖北省第八届教学成果奖一等奖等教育资源和教研成果[7]，开发实验实训可视化系统，校企协同实现专业教学与科研成果的有机结合，针对水上专业特色，辐射陆上专业。激发学生学习的主动性，通过实验实训可视化机制引导师生开展实验学习、综合实训、创新创业项目、科技竞赛等实践活动，培养学生主动思考、积极探索、强化提升的创新协作精神。

(1)该平台可通过系统集成和数据共享，真实展现数据传输过程，建立基于WebGIS的全天候开放机制。对实训基地、实验平台的数字化、可视化提供支持。基于三维虚拟场景，实现船舶机舱、管系多功能实验等平台信息和状态数据实验实训“事前、事中、事后”三阶段全天候可视化开放及运行管理。

(2)多源复合的实验实训可视化体系的构建将有利于课堂理论教学、实践教学和教学管理进行线上线下综合互动，有利于开展教师展示案例—学生学习提问—师生互动交流—教学管理在线监控，提升教师产学研实践能力，培养学生自主学习兴趣，提高教学管理水平。

(3)通过平台体系的建立，有效提升科研—教学资源的转化、利用与评价。将科研成果转化为教学资源可以丰富课程资源，提升教学质量，培养创新型人才。

武汉理工大学以校内专业实验室为基础、校外实习基地为拓展、企业行业对象为联系纽带，遵循轮机工程专业复合型人才培养的内涵，推行研究型学习方法，构建了基于多源的实验实训可视化平台系统，建立了大学生实训和科技创新平台，弥补了创新创业教育体系的缺失，切实培养轮机工程专业大学生的创新意识和创新能力。

四、结语

学院依托“协同创新中心”、实验室条件建设、修购计划、中央高校教育教学改革专项、省级虚拟仿真实验等，对接智能航运需求，建立开放共享的教学平台，聚焦做实复合型轮机工程专业人才培养方案。通过近四年的综合实验实训教学的探索和实践，总结出一套基于多源的实验实训可视化运行机制和管理模式，培养学生的思维能力和创新意识，提高人才培养质量。创新了管理体制、运行机制、过程考核和评价指标，依托平台建设将实践教学改革成果制度化。

(1)弥补实验教学资源的不足，提升学校教学模式现代化水平。采用虚拟仿真教学资源和手段，减少人为操作失误带来的损失，创新实验室管理机制，提高实验室开放度和实验室使用效益，提升实验室教师的专业水平，保障实验实训教学效果和质量。优化实习实践环节和实习实践组织管理模式，提高学生的动手实践能力，巩固课堂知识，培养专业素质与技能。

(2)以培养适应社会发展和行业需求的复合型高素质人才为宗旨，以实验实践教学改革为契机，突出学院水上专业特色优势，不断开发实践教学资源，提高实验实践教学水平和效果，营造有利于学生创新思维、工程素养培养的学术氛围，为人才培养质量的稳步提高提供有力支撑。