基于虚拟海图室的航线设计教学与评估系统设计

郑尚龙， 曹宝根， 杨神化， 周建文

(集美大学 航海学院， 福建 厦门 361021)

为有效履行《1978年海员培训、发证和值班标准国际公约》(简称“STCW”)公约)及其马尼拉修正案，进一步规范海船船员的培训行为，加强学员实际操作能力培养，提升船员的岗位适任能力，促进其综合素质的提高，交通运输部编制了《海船船员培训大纲(2016版)》[1-2],其中对于航线设计而言，通过理论学习、实操训练和评估考核等环节，培养并检验学员正确使用和管理航海图书资料，设计安全、经济航线的综合能力。由于航线设计的实践性和综合性较高，知识涵盖面较广，且在教学评估实践中存在学员积极主动性不高、教学培训效果不良，实操能力培养不佳和评估客观公正性不足等问题，难以符合航海职业的现实需求。[3]因此,对航线设计教学与评估进行创新具有十分重要的现实意义。

结合计算机图形图像和网络技术，构建虚拟海图室作为教学与评估的平台界面，以电子化图书资料为资源支撑，以虚拟作图辅助工具为操作载体，设计科学合理自动评分模型。构建基于虚拟仿真海图室的航线设计教学与评估系统(以下简称“系统”)，以解决在教学与评估中存在的问题。

1 航线设计教学与评估现状

航线设计教学通常集中于7 d内进行讲解演示、实操指导和操作训练，评估考试采用纸质题卡的形式，学员根据试题要求进行操作并作答，由评估员采用人工阅卷给分。[4]该模式在实践过程中主要存在以下几个弊端。

1.1 学员兴趣不浓，积极性不高

在7 d的系统学习和训练过程中，面对枯燥乏味的海图图书，学员会产生厌倦怠慢的心理，内容讲解不认真听，操作演示不同步练，实操训练不踏实做。最后为使评估考试顺利通过，采用押题、背题和突击等手段，从而出现分数上通过评估，但实际操作能力并未得到有效提高的“分数适任，能力不适任”现象。

1.2 教学集中密集、强度大、效率低

由于学员数量众多，教学任务跨度周期长，工作集中强度大，教师在培训阶段持续性地重复相同的教学内容，难免会产生身心疲惫，授课的精力投入和专注度会明显下降。以海图图书为基础辅材的教学方式，教师较难脱离讲台，难以兼顾课堂纪律、跟踪授课效果。

1.3 航海图书资料损耗严重，版本难以更新

纸质航海图书资料在教学与评估过程中的高频次使用，容易出现磨损老旧、损毁丢失等现象，影响纸质资料的使用效果。图书配备数量上有时也难以满足大批量学员的相应需求，会出现教学与评估共用图书资料的局面。图书资料中时常遗留有航线痕迹、文字标识和页码记号等情形，直接影响教学与评估效果。同时,由于教学经费投入因素，图书资料难以得到及时更新和替换，导致培训内容或图书版本信息与实船不符，产生培训知识上的脱钩和断层。

1.4 学员巩固复习条件受限

海图室日常由试验人员统一管理，学生完成集中培训后，就较难有机会使用海图图书对所学知识进行实操性的复习与巩固。由于培训和评估时间安排上通常有一定的跨度，随着时间的推移，学员难免在知识的记忆和操作的理解上存在一定的模糊或丢失。

1.5 评估的客观公正性难以保障

评估员在较短时间内需完成大量学员的评估考试任务和试卷批阅工作，在此过程中工作效率和客观公正性大打折扣，难以真实检验和反映每位学员的学习收获和能力水平。同时,评估员自身资历经验、实操水平和评估认知不同，必然存在评判的主观性、评分标准的差异性和个人情感的随意性。

1.6 缺少教学与评估的标准统一

各航海类院校、培训机构针对航线设计课程采用的教学方法、评估模式和题卡建设不尽相同，从而出现培训标准不一、培训效果参差不齐评估考试难易程度不同等现象。

上述主客观问题和不足势必影响航线设计的教学效果，制约学员实操能力的训练培养。

2 系统构建目的及意义

2.1 增强实船场景意识，提高学员的学习兴趣

交通运输部于2017年3月7日发布了《海船船员培训大纲(2016版)》(交办海〔2017〕33号)，其中,实践技能与要求环节明确提出部分实践性训练项目在船上(实习)或实验室(航海模拟器)中开展。[5-6]建立三维虚拟海图室，仿真实船航线设计的工作环境、空间布局、交互操作和作业程序。学生在学习训练过程中能了解、体验实船海图室环境与布局，并融入场景意识，能激起学生的学习兴趣，有助于改善训练效果和提高能力培养。尤其对于部分高职院校学生，能有效弥补在船实践机会缺失带来的体验和认知不足。[7]

2.2 提高教学和评估效率，增进培训效果

采用单机电脑和局域网进行规模化配置，满足大批学生的同步教学、训练和评估，日常可开放更多时间给予巩固复习，同时可降低教师的工作强度，提高工作效率。在教学过程中，教师在主控台的内容讲解和操作演示可同步显示于学生端，有效实现点对面的实时教学信息传输，为教学互动、疑难解答提供更多机会。[8]

2.3 电子化图书资料的低成本、高效率使用

通过导入电子化海图和图书，大大降低教学辅助资源的资金投入，并可高频次、无损坏地使用；图书资料版本也可及时替换更新，保障学员所学理论知识不断层，实操技能不脱节；同时,规避纸版图书资料中标注、文字和记号等残留痕迹对训练与评估效果的影响。

2.4 综合评估试题的丰富多样性

系统中综合试题编辑器以航次命令为主线，各项评估内容和评估要素都在既定的同一航次任务框架下进行，更符合船舶航线设计实际情况。同时,在各评估要素的固定试题框架下，对预留选择项的不同设定可编辑任意所需试题，满足训练知识涵盖面广和评估试题多样性的需求，可杜绝学员对传统有限评估题卡死记硬背的现象。

2.5 系统自动评判更能满足实际需求

确立科学合理、实际可行的自动评分模型，大幅度降低评估员的工作量，降低主观因素的影响，保障评估考核的及时正确性和客观公正性，同时为评判过程增加监管力度和提供评估过程与结果可追溯性。此外，系统还可对大量评估结果进行数据挖掘和统计分析，反馈航线设计教学中的难点、易错点等信息，指引日常教学。

综合考虑以上因素，研究构建基于虚拟海图室的航线设计教学与评估系统，对培养学员的航海实操技能，提高其综合专业素养等具有一定的实用价值和现实意义。

3 系统设计方案

为实现系统框架构建和功能应用，系统设计方案需含虚拟海图室的操作平台、电子化航海图书资料、虚拟作图工具、综合试题的编辑与调用和评估结果的自动评判等。系统总体设计框图见图1。

图1 系统总体设计框图

按照标准规范性、操作可行性和系统完整性原则，整体设计、分步研发，最终构建集课程训练端、试题编辑端和评估考试端于一体的综合性系统，即基于虚拟海图室的航线设计教学与评估系统。系统构建组织框架见图2。

图2 系统构建组织框架

3.1 虚拟海图室构建与交互

采用C++的Qt界面和OSG(Open Scene Graph)三维虚拟引擎技术，依据实船海图室结构布局构建虚拟海图室，作为系统的操作平台界面，在构建过程中，围绕图形的逼真性、布局的合理性、功能的完整性和操作的可行性展开。虚拟海图室主要包括海图桌、海图柜、航海书架作图工具。

为贴近实船的操作环境，视觉空间性、可移动性和海图图书所需交互性是整个系统功能实现的基础与前提。通过鼠标左键、右键和中间滚轮，以键盘相应操作键实现虚拟海图室内全方位漫游，海图抽选、查阅、作业图书抽选、查阅、作业等动态交互。虚拟海图室和交互见图3。

图3 虚拟海图室和交互

为满足海图图书作业的需求，创建相应虚拟辅助工具。海图工具菜单包括海图改正工具、航线绘制工具、航迹绘算工具和纯文本编辑；图书工具菜单包括文字编辑和图片编辑；辅助工具菜单能随同所抽取的海图或图书，在全屏阅览模式下自动显示，以供作业选择。

3.2 电子化图书资料管理

为满足航线设计试题编辑和教学与评估过程中所需海图与图书资料的要求，在虚拟海图室中设计电子化图书资料管理。可将电子化海图与图书资料数据导入虚拟海图室，并放置在海图柜和书架上，作为教学与评估的资源数据库，为整体系统功能实现提供重要的资源支撑。电子化图书资料管理包括航海图书管理、纸质海图管理和矢量海图管理，可实现电子化海图图书资料的添加、删除和替换，以及基本信息的编辑、保存和调用等功能，以实现海图图书资料的增加补充、版本更新、内容改正和分类管理等。

3.3 综合试题编辑器设计

综合试题编辑器是系统中进行综合试题编辑制作的核心平台，更是航线设计教学培训、考核评估试题的关键支撑。根据航线设计培训大纲和评估规范的要求，整理评估要素，分析评估指标，设置评分标准，确立指标权重。综合试题编辑器包含评估内容和评估要素分级选择；各评分指标、答案标准和指标权重的编辑与设置，实现试题的创建、编辑、保存和调用。主菜单模块包括模拟航次任务、查阅图书资料、抽选航次图书、图书资料改正、绘制航线及制表和航迹绘算等5大模块评估内容。试题编辑器设计方案见图4。

图4 试题编辑器设计方案

3.4 自动评分模型确立

对学员的评估过程和结果的自动评判是构建整个系统的核心，确立科学合理、实际可行的评分模型尤为重要。

根据航线设计评估内容和试题的特点，评价指标答案大部分为定量数值，如抽选海图的图号与图书的书号、查询某个灯标的射程和灯质和获取推荐航线的转向点等。但是，航线绘制模块评估中依然存在一些非定量评分指标，且影响因素具有不确定性和模糊性。因此，为更科学合理、客观公正地对航线设计进行评判，需按定量评价指标和定性评价指标分别进行选择和确立模型。

据资料显示，我国政府有出台相关条例和通知要求高校加强对大学生应急救护教育。早在1990年，我国教育部及卫生部就在《学校卫生工作条例》中指出“学校应当把健康教育纳入教学计划,普通高等院校应当开设健康教育选修课或讲座”；2014年，江苏省教育厅发布了《关于实施我省百万大学生应急救护提升行动的通知》。政府在医疗改革方面也注意到了应急救护的重要性，《江苏省深化医药卫生体制改革规划(2018-2020年)》文件中关于重点任务里提及要健全完善医疗卫生服务体系，其中落实急救等医疗卫生事业专项规划，以及要进一步完善卫生应急体系。

3.4.1定量评价指标评分

为实现航线设计科目中定量评价指标的自动评判，需综合考虑学员作答结果的准确度和操作过程的熟练度。准确度可通过比对学员作答结果和试题编辑时设置的参考答案进行评价；熟练度通过分析学员操作步骤的记录和完成试题的时间进行评价。[6]评分算法模型设计如下：

假设：X为评估大纲中的各项评估要素，F(X)为学员完成评估试题的最终得分；x1,…,xm为容易与试题要求的内容混淆的操作、参数以及功设置相对应的指标;xm+1,…,xm+n为其他系统参数指标；t为学员作答试题的时间。

(1) 学员操作结果函数为

FX(x1,x2,…,xm,xm+1,…,xm+n)

(1)

(2) 参考答案函数为

GZ(z1,z2,…,zm,zm+1,…,zm+n)

(2)

(3) 学员作答结果准确度评分运算函数为

(3)

(4)

(4) 学员作答步骤熟练度评分运算函数为

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：i=m+1,m+2,…,m+n；C2为作答熟练度占总分的权重。

(5) 学员作答时间熟练度评分运算函数为

(7)

式(7)中：N为试题总数;C3为时间熟练度占总分数权重;ti为学员第i题实际作答时间;T为标准用时或平均完成时间。

(6) 学员最后总得分为

F(X)=F1(x,z)+F2(x,z)+F3(t)

(8)

3.4.2定性评价指标评分

在同一航次任务下，每个学员都会根据不同考虑侧重点绘制不同的航线，以船舶安全、经济为前提条件很难确定唯一的标准航线。因此，理论上规避一些涉及影响船舶安全和明显不合理性的因素，如何判定一条航线是否为最佳是一个模糊概念，更没有明确统一的标准。通过参阅文献[9]和文献[10]，采用“模糊综合评价方法”作为航线绘制中定性评判指标的评估模型，并最后通过计算机得出综合评估结果。

(1) 确立因素集。影响航线绘制评估的因素很多，根据学校培训过程中学员平时训练和考试成绩分析，导致航线计划与绘制失分的主要因素在于查阅航线资料和航线绘画过程中的安全性、经济性、准确性、规范性和时效性。

(2) 评价集。根据我国海事局评判等级要求，划分为优、良、中、及格和不及格等5个等级。

(3) 单因素模糊判断并建立因素权重集。在实践过程通常采用层次分析法和德尔菲法。

(4) 确定评价指标的隶属度。非定量评价标准可通过航海理论知识和通常良好习惯做法，结合学员调查报告等确定。

(5) 确定评价指标的权重。采取直接定权法进行数值量化，通过对航线设计培训教师和船长进行调研，结合其自身航海经验和专业认识确定每个指标的权重，最后取平均值作为最终指标权重值。

在确定评价指标的隶属度和权重的基础上，利用加权平均型模糊算子对因素权重集和评判矩阵集进行矩阵相乘，即可求得综合评判结果，同时，根据加权平均原则即可得到考生航线设计的最后评估结果。

4 结束语

本文基于虚拟海图室的航线设计教学与评估系统的设计研究为下一步实现系统开发与应用提供了方向指导与方案支撑。系统的设计与研发是对现有航线设计的教学平台、培训方法和评估模式的改革与创新，使现代科技与传统航海完美结合，以弥补教学评估与实际需求方面存在的断层与脱钩问题，改善航线设计的培训效果和评估的客观公正性，提高我国船员的专业素养和实践能力，更加符合行业发展的现实要求。