轮机自动化配套实验实践课程的多模式教学设计

甘辉兵，张均东，郭蒙，李燕彪

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

一、引言

轮机自动化课程是轮机工程专业的核心专业课程，也是理论性、实践性很强难度较高的一门课程。课程中很多艰深的理论知识需要借助对应的实验实践操作来达到深入认识和掌握的目标；同时，强化轮机自动化控制系统的实践操作，可加强学生的实践动手能力，为未来更好地服务于实船工作奠定坚实的基础。

目前，航海院校一般是通过购置相关的轮机自动化实验装置来完成配套的实验实践教学。由于设备购置成本高、更新慢、易损耗及维护成本高等原因，很难做到与机舱自动化技术更新同步配套，也难以达到让所有学生都动手实验实践的要求，这势必影响学生实践动手能力的培养及岗位适任能力的提升。

我国海事局在船员适任能力方面做了明确要求，并在《<中华人民共和国船员培训管理规则>实施办法》中明确规定，航海院校和培训单位必须配备相关的实训设备。这些实训设备价格较高，平均每套价值达十万或几十万元人民币[1]；相关文件要求的配置1套或2套设备的最低要求仅能满足观摩性教学的需要，无法做到让所有学生动手操作。

经过多年持续不断的投入和建设，大连海事大学轮机自动化课程先后被评为国家精品课程、国家精品资源共享课程和国家精品在线开放课程(首批国家级一流本科线上课程)，该课程的高阶性、创新性、挑战度也得到业内的广泛认可，同时，轮机自动化课程引入网络化、信息化手段进行教学模式改革已取得一定成果[2-3]。但是，相关资源的建设和改革偏向于理论教学部分，实验实践部分仍然缺乏系统的设计与建设。文献[4]尝试利用虚拟仿真实验室来设计轮机自动化课程内容，但是利用整套庞大的虚拟实验来进行相关内容教学，一方面对教师提出更高的要求，另一方面有一些实验实践内容难以达到课程设计要求或不能满足主管机关的相关要求。

随着计算机虚拟仿真技术和网络技术的发展，在实训领域采用基于网络的虚拟仿真技术辅助教学已有较多成功案例。采用三维手段在计算机中构建虚拟的实船场景并进行轮机操作教学，可以给学员提供虚拟的学习环境，避免实物操作造成的安全风险和故障。尽管虚拟轮机操作训练不能完全替代实船操作，但它有助于提高实船操作中对控制系统原理与参数调整引起的结果的认知，不仅能模拟反馈控制、流程操作及参数调节等正常操作过程，还可以反复模拟实际难以演练的故障定位与排除、安全保护与应急操作。这些技术的发展都给轮机自动化课程的实验实践教学带来了机遇。

基于以上背景，本文结合相关实验实践教学设备的研发及教学实践，探讨一种轮机自动化配套实验实践课程多模式教学设计，针对不同的实验实践内容，采用不同的技术手段和策略来设计实验教学环节，从而实现在有限的成本投入下通过使用技术领先、高效耐用的实验设备完成实践教学，实现学生实践能力提升产出的最大化。

二、轮机自动化课程配套实验教学内容及设备情况

依照轮机工程专业培养方案及交通运输部海事局对船员适任能力培养的要求，各航海院校开设的轮机自动化课程配套实验教学内容大同小异。以大连海事大学轮机工程专业轮机自动化课程配套实验教学为例，其主要教学内容包括反馈控制系统认识实验、自动化仪表实验(变送器及调节器)、冷却水温度自动控制系统实验、主机燃油黏度自动控制系统实验、燃油辅锅炉时序自动控制系统实验、主机遥控系统实验及机舱监控报警系统实验等。

反馈控制系统认识实验属于通用性较强的演示性实验内容，几乎所有自动化类专业都能涉及，所以这部分的实验教学一般是通过购买通用的自动化教学实验系统来实现相关的演示性教学。

自动化仪表实验(变送器及调节器)主要是对船舶机舱中常用的传感器、变送器及调节器进行结构和功能了解及性能验证实验教学。由于船舶机舱工作环境的特殊性，这些仪表又不同于陆上通用的自动化仪表实验，所以通常需要专业定制自动化仪表实验台来完成相关的实验教学或船员评估以满足海事局对船员适任能力的要求。这部分实验内容虽然属于验证性实验，但是需要对相关仪表进行动手实践操作，而且船舶机舱自动化仪表属于精密仪表，高频次的实践操作会导致实验仪器维护困难和损坏严重，直接关系到实验教学成本投入的多少和教学效果的优劣。

主机燃油黏度自动控制系统、燃油辅锅炉时序自动控制系统、主机遥控系统及机舱监控报警系统实验都属于典型的船舶机舱自动控制实例的验证和设计实验，也是轮机自动化配套实验教学重点讲授和动手实践操作的内容。完成这些实验的教学设备属于船舶机舱自动控制系统特有的专用设备，因此需要专门的研发或定制。按照目前海事局有关规定的实验设备台套数的最低配置要求，在有限的实验学时内很难实现人人动手操作实践。同时，由于专门定制的实验设备还存在着更新速度慢和维护成本高的问题，很难与最新的船舶机舱自动化技术同步。这些因素势必影响到学生实践动手能力的培养。

三、多模式配套实验教学设计

针对轮机自动化配套实验课程中三类不同特征的实验教学内容及目前存在的问题，设计一种多模式的实验教学策略，见表1所列。

表1 多模式实验教学策略设计

针对第一类实验教学，主要采用“实体现场教学演示”的教学模式。为了达到高效的实验演示效果，授课团队首先录制基于实体实验台的标准教学演示视频供学生实验前反复观看与预习，让学生了解实验设备的基本组成、功能及实验目的，为现场实验教学奠定基础。然后学生进入实验室认识实际实验设备，由教师简要介绍和演示实验过程，进一步加深理解反馈控制系统组成的几大要素。在现场教学时，授课教师可以通过提问的方式了解学生理论联系实际的掌握情况。这种模式可以在有限的实验设备资源和时间内做到实验教学的高效有序。

针对第二类实验教学，主要采用“虚实结合，以实为主”的教学模式。“虚实结合，以实为主”是将虚拟和实体的自动化仪表实验台结合起来，以实体实验为主，而虚拟实验用于实体实验前的虚拟练习以辅助实体实验教学。由于这一类实验需要每个学生在实体实验台上进行实践操作，因此，有必要录制教学视频供实验前学习，以便事先了解实验设备的组成与原理、注意事项和实验目的。同时学生可以借助虚拟自动化实验仪表软件系统，自主进行反复的操作练习，达到熟练操作的程度，接下来进入实验室进行实际操作。由于实验前已经安排了虚拟操作预习，因此教师只需对实验操作注意事项进行简单讲解，学生便可以开展实验操作。在这种教学模式下，学生可以快速掌握实际操作技巧，从而有效避免实验中无从下手或实验设备损坏的问题。教师不用花费大量时间重复讲解，而是将更多的精力用于指导实践中学生遇到的重点难点问题，通过启发交流寻找解决方案。这种教学模式进一步改进了“以学生为中心”的实验教学模式，既能提高实验实践效果和效率，又能有效延长精密实验设备的使用寿命，节约实验成本。

针对第三类实验教学，主要采用“虚实结合，以虚为主”的教学模式。很显然，这类实验教学与第二类相比不同之处在于“以虚为主”。之所以采用这样的教学模式，一方面在于这类实验内容是轮机自动化实验课程的重点和精华，而定制的实体实验设备又不能完全做到和实船一致，多数设备功能类似，只适合演示；另一方面是这类实验设备成本较高，往往各院校只按照相关规定的最低要求进行配置，不能满足人手一套进行实验操作，而且这类实体实验设备的更新速度无法同步于日新月异的船舶机舱自动化技术。“以虚为主”的实验教学模式在这类实验教学中可凸显优势、弥补不足。教师录制的教学视频包括实体实验设备操作和虚拟软件操作两部分，但是更侧重于虚拟部分。学生实验前可以在网络上进行预习，观看实验视频，反复虚拟操作和预测试，达到教师设定的教学目标后，随时可以进入实体实验室进行现场实验设备认识与分组操作实验。教师不需要花太多时间讲授操作过程，而是把重点放在虚拟软件对应实体部分的操作技巧的点拨上，从而做到虚实结合。这一类实验教学中的虚拟部分与第二类实验有很大的区别，这一部分内容专业性更强，涉及的知识点多，借助虚拟实验系统可以有效解决时间和空间上对实验教学的限制，学生可以随时随地通过网络来进行虚拟实验，还可以完成自测。在现场实验完成后，还可以再进一步将实体实验中遇到的重点难点问题反馈到虚拟实验教学系统中，通过与教师、同学的互动来进一步巩固加深实践知识，再在虚拟实验系统中进行知识内化性实验操作。这种教学模式对提升学生的实践能力有重要帮助。

四、多模式实验教学的可行性分析

多模式实验教学设计需要相关实验设备和技术支撑才能有效完成。

第一类实验所需要的实体实验设备通用性较强，可以选购优质企业生产的实验产品满足实验需求。而实体教学视频部分，既可以自行录制，也可以找专业公司录制。由于这部分内容通用性强，不需要频繁更新，请专业机构制作效果更佳。

第二类和第三类实验所需要的实体实验设备及虚拟操作软件系统均需专门定制。大连海事大学、武汉理工大学及上海海事大学等院校都具有开发和研制这些专用设备的能力和技术储备。以大连海事大学轮机自动化教学团队为例，该团队自主研发的轮机自动化实验设备得到业内较为广泛的应用。尤其是该团队的“轮机操作虚拟仿真实验教学项目”于2018年获评国家虚拟仿真实验教学项目，2020年被认定为国家虚拟仿真实验教学一流课程。该项目采用虚拟仿真的手段来加强实践教学，通过网络应用解决数量上的限制，通过自动化评分机制与反复练习来提升专业水平，最终与现有的理论教学和实船操作配套，实现理论指导实践、实践验证理论，达到理论与实践的深入融合，探讨虚实结合的最有效的教学过程搭配。该项目的相关技术为轮机自动化课程配套实验教学奠定了坚实的基础，从技术层面来看实现多模式配套实验教学是切实可行的。

五、多模式实验教学应用实践

近年来，多模式实验教学模式在轮机自动化实验教学中进行了应用实践，取得了较好的效果。

(1)从学生角度看：在“虚”的方面，采用二维与三维虚拟仿真和网络信息技术，不受时空限制，人人都能实现反复的实践操作练习，学生的学习兴趣更加浓厚，学习效果更佳；在“实”的方面，由于课前观看视频进行预习和虚拟演练，因此实践操作更加高效有序。

(2)从教师角度看：课前布置视频学习或网上虚拟操作练习，在实验室现场教学中可以节约大量重复讲授的时间，从而能够更多地关注学生现场实践中的重点难点问题，并增加了交流的机会；而课前课后的网络虚拟练习，教师可以更多关注学生实践的反馈情况，并及时进行线上辅导和交流，有利于提高教学质量。

(3)从实验设备管理者角度看：实验设备的损坏和更换率降低，维护成本降低，对虚拟化实验部分的管理更加方便快捷。

六、结语

培养具有国际竞争力的轮机工程专业人才离不开实践能力的培养，尤其是随着船舶智能化进程的加快，轮机自动化与智能化技术的重要性日益凸显，轮机自动化系统的实践教学的重要意义不言而喻。本文通过分析轮机自动化课程配套实验实践教学现状，根据不同类型的实验特征，探讨多模式的实验实践教学策略，做到能实不虚、虚实结合、各有侧重，从而更好地发挥各个教学模式的优势，充分体现“以学生为中心”的教学理念，有助于进一步增强学生实践动手能力的培养。随着这种教学模式的进一步深入应用与实践，研发相应的教学资源并与轮机自动化国家级一流线上课程配合使用，对完善和丰富一流线上课程资源，突破传统配套实验实践教学的时空限制，以及轮机自动化课程的一体化建设，奠定相关理论和实践基础。

虽然在实践中针对三类不同实验教学采用了不同的教学模式，但在实践考核上还需要进一步完善和优化。下一步需要在实践考核中注重形成性评价的过程化考核，除了在各个类型实验的现场教学中的教师主观评价外，还需要在网络虚拟实验系统中统一不同类型实验的考核指标，以客观机器批阅为主，可以设置课前和课后的网络考核，从而有效避免主观考核的随意性。