基于虚拟仿真实验室轮机自动化课程教学设计

葛子恒 王帅军 龚雅萍 高超楠

[摘 要]随着科学技术的进步，对于轮机工程课程的教学模式进行深度挖掘已经成为航海类院校教育体系较为重视的问题。基于虚拟仿真实验室进行轮机自动化课程教学成为目前本专业课程的一种新实践。通过对轮机自动化课程应用虚拟仿真实验室开展教学的可行性进行分析，探讨了课程设计的关键问题，进而提出了具体的设计策略。以期提升轮机自动化教学的效率，促进学生的深度学习与发展。

[关键词]虚拟仿真实验室;轮机自动化;课程设计

[基金项目]2019年浙江海洋大学“大学生创新训练计划项目”（xj2019044）

[作者简介]葛子恒（1996—），男，浙江杭州人，浙江海洋大学港航与交通运输工程学院在读本科生，研究方向为轮机工程;王帅军（1987—），男，浙江嵊州人，工学硕士，浙江海洋大学港航与交通运输工程学院讲师（通信作者），主要从事船舶动力装置设计研究。

[中图分类号] U665.1[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-05-19

一、引言

轮机自动化是随着船舶现代化发展而产生的课程，是轮机工程专业的核心课程，该课程有两个显著的特点：一是内容广泛，机舱内有各种机电设备，多数机电设备需要一个或多个控制系统才能正常运行，课程涉及各种类型的自动控制系统。二是理论性极强，轮机自动控制技术的基本是自动控制理论，无论是经典控制理论，还是现代控制理论，都需要复杂的数学工具、逻辑代数、数字电路等基础知识。而虚拟仿真实验室教学的开展，可以提供良好的专业实验条件和实验设施并且对教学平台的利用率高，成为轮机自动化教学新方向。因此，本课程的设计将虚拟技术与轮机自动化实验实践教学相结合，利用现有的船舶机舱虚拟仿真实验构建轮机自动化课程的虚拟仿真实验室，授课内容紧贴前沿技术，在教学方式上推动学生进行虚拟实验的独立操作，可大大提高轮机自动化授课的效果，大幅增强课堂中学生的直观体验。

二、轮机自动化课程现状分析

（一）教学资源现状

“轮机自动化”课程是获得船员适任证的必修科目，在现有的教学体系下，轮机模拟器实训室是教学的关键，主要在于课堂理论知识的实践运用，其教学资源体系主要有校内讲义、课件，校外网课，相关技术实践、轮机模拟器等，虽然在传统的教学资源投入力度都很大，可是在船舶机舱虚拟仿真这一块没有深度涉及。而且这门课程的综合性很强，目前的教学资源并不满足实际需求。还受船舶自动化水平飞速发展的影响，其教学资源面临着世代交替快，缺乏实例等问题，同时实践阶段授课时间比例小，學生数量多，实验教育跟不上船舶设备发展的新趋势，应对能力也偏弱。因此，如何围绕船舶动力装置知识点设计轮机自动化教学内容，使之适应海事专业的课程体系并培养学生在实践中分析问题，解决问题的能力，是教学质量不断提高所要解决的重要问题。

（二）教学模式现状

在理论教学方面，现有的轮机自动化课程分为理论讲授和实践教学两个方面，单独设置轮机自动化教学课程体系设置的缺点是破坏了海事工程系统的整体概念，各课程之间缺乏相互联系性，不利于学生对综合课程的理解，再加上缺乏综合性教学手段，专业课程知识联系不上，学生学习效率明显偏低。

在实践教学方面，轮机模拟器仍是航海类专业训练的重要设备。一般的实践教学模式就是围绕着大型轮机模拟器系统进行，该系统可对船舶柴油机及其遥控系统进行仿真和演示，监控主机情况，并对船舶电站进行集中监测和报警。对燃油，压缩空气和压载水系统等相应的功能进行仿真。学生通过轮机模拟器的操作，掌握轮机自动化理论的具体应用，对于学生实践能力的培养是理论课程无法替代的。但实验时间有限，实验与讲义完全分离，所以轮机模拟器的效果不佳，同时涉及设备的安全问题，实验室开放性不足，学生对实验设计的自由度不够。因此，加强利用实验室教学资源，开发模拟仿真实验室这类更加高效且安全的教学方式，是教学效果优化的关键。

（三）虚拟仿真教学平台现状

随着轮机自动化课程教学的发展，我国的航海院校对虚拟仿真的教学平台建设越发重视，其中大连海事大学发挥了龙头效应，在2012年先研发建立了DMS系列虚拟机舱资源管理系统，并成为国家精品课。随后将此系统推广到其他海事高校并达到了实操阶段。如天津海运职业学院和浙江海洋大学分别向大连海事大学采购了虚拟现实型轮机模拟器。这种轮机操作虚拟仿真实验教学系统由半实物轮机模拟器，二维软件，三维软件与管理软件四个部分组成，以满足学生日常教学训练的需要，因此，基于此现状下，构建虚拟仿真实验室并入轮机自动化课程教学成为可能，为课程设计提供了重要的建设基础。

三、虚拟仿真实验室适用于轮机自动化课程的可行性分析

1.本次教学课程设计的重点在于虚拟仿真实验室的构建，即在网络模块化的基础上进行拓展，网络模块的升级和功能扩展均为原设备上的扩展，各模块可单独训练或在线训练。虚拟仿真实验室的虚拟实验不仅可以再现模拟器实验的所有功能，还可以用于网络模拟实验训练和远程轮机模拟实验教育，因此在本教学设计中，将虚拟仿真实验室导入教学是完全可能的。

2.传统的轮机自动化课堂学习过程分为两个阶段：信息传递和吸收。前者是通过师生之间的互动来实现的;后者是课后由学生自行完成。由于指导和帮助不足，学生在吸收内化阶段往往会出现问题。而虚拟仿真实验室的轮机自动化课堂重建了学习过程。信息传输是基于诸如教师在授课前提供的相关教学资源，然后由学生自主在虚拟仿真实验室内进行自我探索与完善的。而吸收内化是通过授课中的互动以及相关实验体验之后所得，因此，在这个过程中，教师也能够事先理解学生的学习现状以及存在的问题，进而在实验后的授课中进行有效的指导，同时仿真实验进行时学生之间的相互交流也有助于促进知识的吸收内化。

3.关于我校轮机自动化教学引进虚拟仿真实验室也是具有可行性的，学校是海洋运输工程虚拟仿真实验教学中心建设的实际参与者，曾参与过相关实验室的场地落实，功能布局和软硬件系统分采购与安装等工作，因此对于本课程的设计具有一定的基础。另外，学校实验室建设资金充裕，购买相关装置和设备不存在经济上面的困境，因此对于课程设计有较大助力。最后，经过相关调研，轮机自动化相关专业的学生对于虚拟仿真实验室的建设持有很高的热情，完全有利于其后教学工作的顺路开展。

综上所述，基于虚拟仿真实验室的轮机自动化课程教学无论是从师资上，教学设施上，还是教学资源、资金支持等方面都具备一定的可行性，且相关专业学生也对此持有极大的热情，为该课程设计提供了可靠的保证。

四、基于虚拟仿真实验室的轮机自动化课程的教学设计

本课程设计在讲授内容上的框架和结构不仅符合学生综合技能的培育规范，而且更加贴近实际的工作任务或工作场景，通过顺序教学内容和科学设计学习任务，将船舶轮机自动设备工作机理理论和自动控制系统实训的有机结合，使学生具有机舱自动控制系统工作流程分析能力和较强的逻辑思维，故障判断能力，进而培养自动化船舶管理人员一定的分析和解决问题的能力。

（一）多种教学方法的结合利用

运用案例分析法教学。基于虚拟仿真实验室的进行案例分析法教学，即对学生仿真实验中出现的故障现象进行深入分析，然后引出相关理论知识的教学，进而进行分组讨论与分析，得到一定结论后，让学生再次进行仿真实验，验证所思所想，然后在此基础上进行深度知识拓展，引发学生自我探索的欲望，自行探索与寻求答案。

展开角色模拟教学。建立了一个真实的工作环境，开拓了学生的思路，提高了学生的实践技巧，实现了轮机自动化教育的直观性和交互性，推进了自我控制理论与实践的结合。例如，“宏管轮”应该基于与主机启动相关的条件来判断主机启动逻辑条件的满足，能够基于预先设定的故障来解析的判断，并进行与之相应的故障排除。通过情景任务与生产现场环境的有机结合，大力锻炼和培养学生发现问题，分析问题，解决问题的综合能力。

（二）现代教学手段的充分运用

充分利用多媒体教学手段。自主开发和应用的多媒体教材将以往抽象枯燥的说教转变为生动的动态演示和讲课，有效地激发了学生的学习兴趣，为接下来的虚拟仿真实验奠定坚实的基础。

深度进行仿真实验。关于轮机自动化设备的仿真操作，使用和维护等，利用虚拟仿真实验室反复进行训练，直到熟练为止即在教学过程中，实现“教，学，做”一体化的工学结合教学模式，加深对学生所学理论知识的理解，提高实踐能力。最后，把相关教学课程放到网络课堂，以便学生课后进行复习和巩固，也能及时的反馈学生的知识技能掌握情况。具有教学实践路线图（如图3所示）。

（三）构建多元评价体系

一个优秀的课堂教学设计，除了充分利用好教学资源，即虚拟仿真实验室之外，还要注重学生的多元化考核评价体系，这是对于教师教学，以及学生知识掌握度反馈的一个有效手段。因此，建立完善的学生考核评价体系是综合评价本课程教学效果和教学质量的重要准绳之一。这门课的成绩是由专业知识和专业能力两个部分构成的。其中，专业能力的实际操作评价采用卡片提取方式，根据提取的卡片具体内容进行虚拟仿真实验室的随机测试。评估主要从以下几个方面进行综合评估：职业责任感和认真工作的作风能力，独立达成任务的能力，讨论与回答问题的能力，仿真实验中具体项目的协作能力，虚拟仿真实验的实际操作能力。这注重实践能力的评价体系更加有利于课堂教学的深入开展，有利于学生的动手学习能力的提升。相互之间的关联如图4所示。

五、结语

采用虚拟仿真实验室来进行轮机自动化教学的相关改革探索，首先改变了原本传统教学方式枯燥的授课方式，增强了学生对于轮机自动化的学习兴趣，提高了学生的学习效率。其次采用虚拟仿真实验室能使轮机自动化课程更加贴近于实际操作，避免了教学发生闭门造车的情况，使得学生进入工作时可以更快适应。最后通过虚拟仿真实验室轮机自动化课程教学的具体设计，可以有效地掌握学生对所学知识的掌握情况，对学生的最后成绩打分更加客观和多元。这种基于虚拟仿真实验室的教学设计有利于加强学生的兴趣，以及加深理论知识的吸收和动手能力，进而促进课堂的高效展开。

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Research on Teaching Reform of Marine Automation Course Based on Virtual Simulation Laboratory

GE Zi-heng， WANG Shuai-jun， GONG Ya-ping， GAO Chao-nan

（School of Port and Transportation Engineering， Zhejiang Ocean University，

Zhoushan， Zhejiang 316000， China）

Abstract： With the progress of science and technology， it has become an important issue in the education system of maritime colleges to dig the teaching mode of marine engineering course. It has become a new practice to teach Marine Automation course based on virtual simulation laboratory. This paper analyzes the feasibility of the application of virtual simulation laboratory in the teaching of Marine Automation course， then discusses the key issues of course design， and then puts forward specific design strategies， aiming to improve the efficiency of Marine Automation teaching and promote students' in-depth learning and development.

Key words： virtual simulation laboratory; Marine Automation; course design