虚拟现实技术在船电专业实践教学中的应用探索*

□ 张学俊，刘红晶，林 华

(浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021)

虚拟现实技术，简称VR，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，同时，也是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域[1]。随着VR技术实现方式的不断成熟，其在各个领域的应用越来越广泛，其中就包括高校实践教学。以VR技术为代表的虚拟仿真实践教学方式，因其广泛的跨学科适应性、良好的沉浸体验效果、系统搭建的快速性和基本不受场地和资金限制的特点，为高校虚拟仿真实践教学提供了一种建设性的解决方案，尤其在理工学实验实训实习等教学中的应用范围和应用价值十分巨大。

1 高职院校船舶电气专业实践教学的现状

随着现代船舶配套设备的技术发展，船舶电子自动化设备的应用愈发广泛。尤其STCW新公约出台之后，拥有船舶电气相关知识和技能的船舶电子电气船员已经成为大型船舶的强制配员。与此同时，他们的负责范围在原有的基础上，增加了通信与导航设备等电气设备的使用和维护。由于以前的船舶电气专业教学是以强电为主，电力拖动及电站这方面的设备一般具备，但对网络、导航、雷达、无线电话等有关导航设备则相对较少，甚至根本没有[2]。新规的出现给高职院校船舶电气专业实践教学和培训提出了不小的挑战。

在高职院校船电专业的传统教学过程中，教师普遍采用图片、视频和理论讲解相结合的方式来开展生产过程认知类课程的教学工作。这种教师占主导地位的讲述型教学方式，很难激发高职学生的学习兴趣和积极性，教学效果较差。也有部分高职院校依托校外实训基地和合作企业进行参观教学，但因交通时间过长而学习时间较短，往往沦为走马观花。船厂工作环境复杂，现场教学组织容易被生产活动的噪音打断，很难形成完整的课堂氛围，也就违背了参观学习的初衷。因此，高职院校船电专业实践教学急需引入新的教学手段来提升教学质量，改善教学效果。

随着我国对虚拟仿真实验实训教学的建设进入规模化、系统化、标准化、可持续化发展阶段，VR技术可以为高职院校实验实训教学提供先进手段，开放平台和丰富资源。通过VR技术和3D建模的结合，以交互式、沉浸式的形式将船厂布局、船电设备和相关生产过程呈现，以达到实践教学资源优化目的。在船电专业教学过程中，学生可以依托VR技术反复进行“现场”观摩，配合实训设备和老师的讲解，能更好地完成认知框架的搭建，提高学习的主动性。这种新的教学方式在提升教学质量的同时，也避免了外出参观学习组织协调难、安全隐患大的弊端。

2 虚拟船厂、船舶和船电资源的建模

船厂、船舶和船电资源作为船电专业学生毕业后主要的工作场所和工作内容，对其认知框架的搭建、专业知识的理解和职业认同感的建立有着巨大的促进作用。所以，虚拟船厂和船舶的建模需要尽量贴近实际，以保证一定程度的沉浸教学效果。最佳方案莫过于利用相关合作单位的厂区规划图和船舶设计图进行精确比例的3D建模，并将3D模型导入虚拟现实软件中，同时添加场景漫游、碰撞检测、系统界面等功能。从而使学生能够在虚拟船厂和船舶中，以第一人称视角观察厂区布局、生产流程、工作场景等，增加其对工作场所的认知，提升教学效率。

而虚拟船电资源的建模工作量巨大，典型船舶电气资源主要有电气设备固定件、电缆紧固件、电缆贯穿件、船舶灯具、船用蓄电池、船舶通信无线电及助航设备、船舶发电机组、配电板、舵机、锚机、起重设备、船舶辅助锅炉、冷藏系统与空调系统等。将其每一个细节都进行建模不切实际，所以，船电资源建模的原则是简化细节，保留主要生产流程和船电设备。而保留的船电资源模型需要符合设计规范且保证其逼真性。

图1 虚拟船舶外观效果图

图2 虚拟船舶驾驶台效果图

3 虚拟工作场景及教学内容设计

船电专业教学的特殊性在于知识点需要同时兼顾船舶结构、品类和电气系统的设计建造。学校很难搭建足够丰富的实践教学平台，而船厂参观实习又容易影响船厂的正常工作，同时存在安全隐患，无法作为常规教学手段。通过搭建符合各课程内容和特点的虚拟工作场景，可以一定程度上扭转目前船电专业教学的尴尬局面。

图3 虚拟船舶机器舱效果图

船舶电气的建造主要分为内场作业和外场作业。内场作业主要包括安装件、设备制作、调试、材料工装的准备工作。外场作业主要包括在船台或在船上进行电气安装调试等工作。以《船舶电工工艺》课程为例，可以通过设计表1中的虚拟工作场景，将船舶电工工艺的主要内容和工艺标准融入各个虚拟工作场景的教学内容中，注重学生对实践的体验、领悟，培养学生动手能力的同时，更好地理解和掌握相关的理论基础知识。这样的教学设计方式同样适用于其他船电专业课程中的认知类、工艺类、装配类的教学内容，例如《船舶电站》、《船舶电气控制》、《船舶电气生产设计》等。

表1 《船舶电工工艺》课程虚拟工作场景及教学内容设计

4 基于虚拟仿真系统的教学方式改革

将虚拟工作场景整合后，生成一个完整的船舶电气虚拟仿真系统PC端软件，安装在学校机房或者学生个人电脑上。学生通过电脑的输入输出设备进行控制和体验，并以第一人称视角在虚拟船厂和船舶内部漫游。主要生产过程以动画的方式在虚拟工作场景中循环展示，学生可以在漫游的过程中观摩生产流程，完成虚拟船舶电气系统装配训练，配上教师的讲解，可以达到事半功倍的效果。而原有的船舶电工工艺、船舶电站等实训室虽有一定的场景局限性，但胜在可以让学生进行实操训练。将虚拟仿真系统里的漫游观摩和虚拟装配与实际的实验室实训室里操作演练穿插进行，把学生对船舶电气设计及工艺类课程的操作与利用虚拟仿真系统对认知和操作的模拟结合起来。达到促使学生真实与虚拟经验相互融合的目的，在“虚”与“实”的经验交互中，实现新旧知识的同化，完成认知框架建构。

通过虚实结合、互相补充的模式，丰富课堂教学方式，激发学生主观能动性；提升教师教学能力，鼓励开发创新教学项目；完善课程内容架构，帮助学生形成整体性思维。

5 结语

本文设计了一种基于VR技术的高职院校船电专业虚拟仿真实践教学方案，通过VR技术结合3D建模，将整个船厂布局、电气设备以及主要生产流程通过交互式的、沉浸式的形式展现出来，实现船厂第一人称视角虚拟漫游、生产流程交互仿真、制造工艺流程虚拟仿真。将潮流前沿的VR技术应用到高职院校船电专业的实践教学中，结合船舶电气专业课程中的相关认知类、工艺类、装配类的教学项目和内容设计，改善船电专业实践教学条件，帮助学生更好地搭建完整的专业认知框架，提高其学习主动性和积极性，进而提升课堂教学质量。其应用方式和探索经验同样适用于船舶工程、港口机械与自动控制等其他大型工程类专业的实践教学、技能培训和工程应用规划，具有一定的可复制性。