船舶轮机设备在线虚拟训练课程建设

2021-06-23韩中建

航海教育研究 2021年2期

韩中建

(武警海警学院机电管理系，浙江宁波 315801)

一、引言

随着经济全球化的进程，船舶向大型化、专业化、高速化、现代化方向发展，新技术的应用越来越广泛与深入，对轮机人员培训要求越来越高[1]。当前国内海事院校及培训机构已广泛将轮机模拟器应用于教育培训之中，以提高轮机人员设备操作能力，并取得显著的教学效果。但轮机人员在岗位任职后的理论和训练资源还比较缺乏，进一步学习的途径还有待进一步拓宽。

随着我国职业教育改革的不断深入推进，“网络+学习+训练”等现代学习训练方式成为现代职业教育的重要手段，基于互联网背景下虚拟训练课程逐渐受到教育工作者的青睐[2]。在线虚拟训练课程是以虚拟沉浸式、互动式、游戏化等方式实施专业岗位的原理示教、设备操作、工作运用、应用创新等网络化训练课程，能够使轮机人员不受时间和地点限制完成轮机设备训练和考核，也可应用于院校教学、短期培训、文化宣传等不同层面的人才培养需求[3]。因此，在线虚拟训练课程建设将拓宽船舶轮机人员岗位任职后进一步学习的途径，对加速轮机人员设备操作技能生成有着重要的补充和助推作用。

二、课程建设目标

船舶轮机设备在线虚拟训练课程主要面向岗位任职轮机人员、海事类院校及相关培训机构培训学员及相关专业人员线上学习使用。课程建设目标是根据轮机设备教学特点，结合轮机工程专业岗位实际应用，以典型船舶轮机设备训练为模拟对象，制作一套贴近工作实际应用的虚拟训练软件和与之配套的教学视频。课程具有理论讲解、机舱漫游、虚拟训练、工作应用、考核评估等功能，能将轮机设备工作原理、操作使用、管理维护等知识以直观、形象、生动、可交互方式供学生在线学习训练，从而有效提高船舶轮机设备教学效果。学生通过课程的学习和训练，能够熟悉船舶轮机设备各系统的组成及工作原理，掌握典型船舶主要轮机设备操作使用方法和各类环境下的工作应用，从而为轮机工程专业相关岗位任职打下坚实的理论和实践基础。

三、课程建设原则

在线虚拟训练课程建设是一项系统且复杂的工程，特别是虚拟训练软件开发工作。在制定课程建设方案时，应该从不同方面考虑并制定课程建设原则，做好全局谋划。以下从课程建设的实用性、沉浸感、交互性、构想性、整体性、可靠性、可扩展性、开放性和标准化八个方面进行阐述。

1.实用性

课程侧重于典型船舶轮机设备的操作使用训练及各类环境下的工作应用训练，辅以系统组成和工作原理的理论讲解。训练科目及教学内容必须根据实际工作情况设置，尽可能做到理论联系实际，层次分明、突出重点。

2.沉浸感

虚拟训练软件中轮机设备的实际外观、系统组成、安装位置和运行环境要求与典型船舶轮机设备实际情况保持一致。

3.交互性

为简化学生在线虚拟训练条件，虚拟训练软件应对客户端交互设备性能要求较低，一般市场主流电脑配置就能满足软件的运行，只需要通过鼠标、键盘、耳麦等简单设备即可完成人机交互。

4.构想性

虚拟训练软件中各轮机设备运行数学模型要求基于实时动态模式进行编程，能真实反映典型轮机设备的动态运行过程以及各系统之间的相互作用。

5.整体性

虚拟训练软件的研制本着统一规划、分步实施原则，要求做到统一界面、统一用户管理、统一认证、统一交换、统一标准、统一管理，以应用为导向、以网络为基础、以数据资源共享为核心，达到远程化训练与考核功能[4]。

6.可靠性

考虑到系统之间的交互主要通过数据交换来完成，为了确保数据能够安全、完整、快速地到达，系统要求采用安全传输层协议来保证数据传输管道的安全。[5]

7.可扩展性

根据项目建设的目标和面向未来的原则，为了保证系统具有较好的可扩展性，整个系统的构建过程整体上要求采用基于构件的技术和配置化的技术实现，以便于系统后续进一步升级扩展。

8.开放性和标准化

要求选择当前业界主流的成熟的已经得到广泛应用的技术进行开发，以保证系统建设的稳定性。采用标准化的XML技术、Socket协议、J2EE体系等技术与规范，确保系统建设的开放性[6]。

四、课程虚拟训练软件系统架构

船舶轮机设备在线虚拟训练软件部署在互联网教育平台上运行使用，能够满足200人以上同时在线训练。整个软件系统架构采用高效分布式模式，主要由管理系统、登录系统、在线学习系统、集成管理平台、虚拟训练模块、工作应用模块、考核评估模块、三维客户端、二维客户端、扩展功能接口等部分构成，系统架构如图1所示。

图1 课程虚拟训练软件系统架构

管理系统主要负责系统服务器端管理工作，包括系统更新、权限设置、账户管理等；登录端口主要负责系统管理员、教师、学生、考官等角色的登录系统，主要功能有用户登录、状态监控、考试管理、变量故障设置、数据下载等；在线学习系统负责课程的视频教学工作，包括视频讲解、在线答疑、视频更新等功能；服务器端负责提供统一平台的基础支撑数据，实现实时统计数据、加载状态文件、同步客户端、存储系统文件等功能；集成管理平台负责交互、协调、接收、转发各功能模块的数据，以达到数据参数同步的目的，同时与服务器端进行数据传输；二维客户端是学生主要模拟训练平台，包括船舶轮机设备运行系统图、控制箱操作面板、机舱监控报警参数、系统参数设置等内容，受训人员可以在二维客户端上对船舶各轮机设备进行模拟操作；三维客户端主要通过3D建模技术将机舱环境以漫游的形式展现给学生，用于了解轮机设备实际外观、组成、安装位置和运行环境，另外还要求三维客户端机舱环境与二维客户端状态参数保持一致；模拟训练、操作应用、考核评估三个模块负责受训人员操作训练和考核评估，通过集成管理平台数据传输使二维和三维客户端加载相应的运行状态。[5]

五、课程角色架构

为实现教考分离、教学互动等功能，船舶轮机设备在线虚拟训练课程建设根据任务分工，将直接或间接参与教学过程的人员分为系统管理员、教员、考官、学生四类角色，从而更便于课程的管理。

1.系统管理员

系统管理员登录平台，能够完成系统更新、人员管理、文件操作、故障排除、应急状况处理等操作，并可对其他角色进行分组或独立的监控，拥有系统中最高的执行权限。

2.教师

教员具有仅次于系统管理员的权限，能够进行课程视频更新、在线答疑、题库管理、出题组卷等工作，从而全面掌控课程的整个过程。

3.考官

考官能够进行出题组卷、题库管理、题库编辑、考试组织、考分统计、成绩分析、查询汇总等工作，也可以按照任意学生的视角对该学生的训练操作进行监控，并对学生操作进行评分。

4.学生

学生是整个系统使用的主体，学生登录系统后，可以通过平台的入口自主进行视频学习和训练，学生完成不同场景的训练任务，解锁下一级学习任务，从而达到循序渐进的学习效果。在考试模式下，只能完成考官设置的考试任务。[6]

六、课程训练模式

为提高学生虚拟训练的自主性和灵活性，课程根据训练内容和虚拟训练软件操作特点，通过设置软件参数，实现自主、预定目标和应急故障三个训练模式。

1.自由训练模式

在自由训练模式下轮机设备各参数默认为关闭状态，船舶处于瘫船状态，学生可以对各轮机设备进行任意操作。

2.预定目标训练模式

在预定目标训练模式下通过预先设置虚拟训练软件参数，使轮机设备在某一固定状态下运行，学生根据预定目标完成相应设备的模拟操作。

3.应急故障模式

在应急故障模式下，虚拟训练软件通过参数设置一处或多处故障点，模拟某一轮机设备故障现象。学生根据故障现象，分析故障原因，排查出故障点，并做出相应的应急处置[7]。

七、课程内容设置

船舶轮机设备在线虚拟训练课程主要内容包括船舶主动力装置系统、船舶电力系统和船舶辅助机械系统三章，每章通过虚拟训练软件和教学视频建立以在线学习、虚拟训练、工作应用、考核评估四个模块为核心的课程教学体系。

1.在线学习模块

在线学习模块的教学目标是为了学生在使用软件进行虚拟训练前掌握必要的专业理论知识和软件操作要点。该模块以微视频集的形式展现，并嵌入虚拟训练软件之中与虚拟训练对应科目实现链接。单个视频内容由专业知识点讲解和操作演示两部分组成，以理论讲解为主，配合系统原理图和动画，就船舶轮机设备的工作原理、系统组成和操作方法进行讲解。本课程共设置18课次的学习视频，每课次约10分钟。另外，在线学习模块还应具有课程咨询、辅导答疑、理论测试、研讨互动等功能。以船舶电力系统章节部分知识点为例，具体内容、教学目标和时间安排见表1。

表1 船舶电力系统章节教学内容设置

2.虚拟训练模块

虚拟训练模块的教学目标是使学生掌握单个设备或系统在一般情况下的操作使用方法。该模块是整个课程的主体，也是进行工作应用模块训练的基础。虚拟训练模块内容设置按照船舶系统组成划分为船舶主动力装置系统、船舶电力系统和船舶辅助机械系统三个章节，各章节再根据装备特点细分为27个训练科目。每个科目预设好运行条件，操作人员根据理论学习模块的示范讲解，利用鼠标、键盘、耳麦等设备与虚拟软件进行交互操作，实现船舶轮机设备各科目的训练目标。以船舶电力系统章节部分知识点为例，具体科目、内容和训练目标见表2。

表2 船舶电力系统章节部分训练科目设置

3.工作应用模块

工作应用模块的教学目标是使学生掌握船舶在不同任务背景下轮机设备的操作使用方法。该模块是虚拟训练模块训练内容结合船舶实际工作的具体应用，是涉及多个设备或系统的综合训练，能够培养学生对整个船舶轮机设备的综合分析能力和应急操作能力。工作应用模块根据任务类型划分为航行准备、正常航行、应急处置、故障排除和维护保养等。部分工作应用训练科目的具体任务背景和要求见表3。