船舶轮机系统虚拟仿真实验平台建设 Construction of Virtual Simulation Experiment Platform for Marine Engineering System

万超 WAN Chao 包国治 BAO Guo-zhi

摘要： 船舶轮机系统实验是轮机工程专业一门重要的实践实训课程，通过学习使学生对轮机设备和系统的组成、原理、选型、运行方法有全面的了解，会依照法律、法规和规范进行系统设计，提高学生解决工程设计问题的能力。随着工程教育专业认证和互联网信息技术的普及，建立线上教学实验平台，打破实验条件限制，改革课程教学模式，拓展课程服务面向，更好的为行业人才的培养提供服务。

Abstract： Marine engineering system experiment is an important practical course for the major of marine engineering. Through learning， students will have a comprehensive understanding of the composition， principle， selection， and operation methods of marine equipment and systems， and will be able to design systems in accordance with laws， regulations and specifications， and improve their ability to solve engineering design problems. With the professional certification of engineering education and the popularization of Internet information technology， an online teaching experiment platform has been established to break the experimental conditions， reform the curriculum teaching model， expand the curriculum service orientation， and better provide services for the cultivation of industry talents.

关键词： 船舶轮机系统;虚拟仿真;实验平台

Key words： marine engineering system;virtual reality;experiment platform

中图分类号：TP393                    文献标识码：A                  文章编号：1674-957X（2021）22-0251-02

1  课程建设背景

1.1 符合工程教育要求

工程教育认证现已成为高等教育发展的重要方向，其核心思想是OBE理念，倡导在学生的培养过程中，参照企业需求制定专业培养目标，重构培养方案，组建师资队伍，构建实践教学体系，为大学生能力素质提升服务。走访调研发现，毕业生在“动手能力满足企业岗位需求、工程素养符合企业技术内涵、团队精神适应工作需要、创新意识促进企业发展”与企业需求不相适应[1]。传统的教学目标和手段与工程教育理念、新工科思维脱节，不适应网络信息时代大学生学习行为习惯。

1.2 支撑能力培养平台

渐进式培养方法构建“意识引导、興趣激发、体验增强、荣誉激励、竞争创新”的能力提升路径，实验、实训作为大学生实践创新能力培养方法中的重要部分，在培养过程中发挥重要作用。实验课程模块、实践课程模块、创新课程模块构建了丰富的课程教学体系，工程认知平台、工程实训平台、科技创新平台构建了优良的平台支撑体系，课程与平台相互补充、相互耦合，共同支撑大学生实践创新能力的培养。

1.3 落实以人为本的理念

目前船舶轮机系统实验教学存在以下问题：轮机系统实验设备体积大、费用高。前期投入大，后期维护贵，开设过程受时间、地点等条件制约。现场认知实验，教师分身乏术，难以细致指导每位学生，教学效果难达预期[2]。轮机系统现场实验分组进行，难以保证每个学生动手操作时间，导致学生不能深入了解轮机典型设备，不符合“以人为本”的教育理念。

1.4 满足持续改进的需求

多过程融合的教学体系围绕“课内教学、实践认知、工程实训、科技创新、团结协作”等方面开展建设，促进教学平台间的有效衔接。以企业需求为源点，以能力产出为导向，构建支撑知识、能力、素质达成的闭环式培养体系。课程教学围绕教学资源配置、学习环境改善、教学方法改革来开展，借助信息技术开发实验教学平台，通过运行、监督、反馈机制，实现教育教学质量持续提升。

2  实验平台建设

针对传统船舶轮机系统教学中存在的教学方法单一，知识学习和训练动手操作相互分离，学生缺乏学习主动性和创造性等问题，本文提出围绕实践创新能力培养建设船舶轮机系统虚拟仿真实验平台，包含船舶轮机系统虚拟认知实验和柴油机虚拟仿真实验两部分，平台架构如图1。

2.1 船舶轮机系统虚拟认知实验

实验目标使学生熟悉基于实船实景建立的虚拟实验环境，认知船上主要的轮机设备和位置、掌握设备布置方法和工作原理，掌握主要设备的英文标识。有别于传统的航运驾驶类轮机工程专业，我校的轮机工程专业以船舶动力装置设计制造为方向，专业认知实验的地点通常属于高危作业环境，存在较高的安全隐患，因此开发虚拟仿真实验，可以规避现场风险、节约时间成本、降低教学开销，有利于实验组织和建设。该虚拟实验设置2学时、11步，满足实验认知与考核。

2.2 柴油机虚拟仿真实验

该实验对船舶轮机系统的“心脏”——柴油机进行虚拟拆装及动态仿真，使学生了解零部件结构形式，熟悉柴油机的工作原理和安装工艺。船用设备特点是重量大，体积大，拆装危险程度高。实验用小型柴油机，成本高，损耗大，不发支撑大批量单人操作，限制了学生对拆装工艺的掌握。船舶柴油机虚拟仿真实验，突破各方面条件限制，实现虚拟环境中的无限次拆装，降低了经济成本，消除了安全隐患，增强了训练和能力培养。该虚拟实验设置2学时，涵盖主要柴油机零部件的认知与拆装。

2.3 功能原理

船舶轮机系统虚拟认知实验以典型船舶为对象进行三维全景建模、建数据库，设置交互“热点”按钮，实现实船场景漫游。设置实验考核题库，是学生在漫游中认知船上主要的轮机设备、熟悉轮机设备的位置、掌握轮机设备的布置方法和工作原理，掌握主要轮机设备的英文标签。

柴油机虚拟仿真实验构建虚拟场景，以典型船用柴油机为对象进行建模，其功能可实现360°三维认知、第一视角虚拟拆装、仿真运行展示等，有利于学生掌握柴油机结构、核心零部件、组装工艺和柴油机工作原理。

3  课程创新特色

3.1 教学虚实结合

本实验构建的三维场景来源于散货船、全回转拖轮、滚装船、集装箱船等典型船舶，利用全景相机进行了场景再造，犹如身临其境。构建的柴油机模型来源现实机型，渲染逼真，仿真度、美观度高。全景三维场景实船认知与虚拟认知结合、虚拟拆装与实践竞赛结合、通过实船全景虚拟漫游和柴油机虚拟拆装项目，采用交互式、体验式教学方式，激发学生学习兴趣，培养学生对船舶机舱复杂工程系统的感性认知，有效提升工程实践能力。

3.2 资源在线共享

本实验纳入省级虚拟仿真实验平台共享运行，以服务教学、面向专业为目标。该实验全网在线运行，可满足大用户同时在线学习。网络平台基于因特网和局域网双架构，校外网访问基于阿里云服务器，校内网访问基于校内服务器，具有稳性和快速响应的特点。另外，该实验平台直接为本单位创建的“江苏省内燃机设计与拆装技能大赛”提供赛事组织和训练服务[3]，拓展了实验功能和服务面向。

3.3 支撑人才培养

学校因海而生，因船而兴，是江苏船舶工业最重要的人才培养基地之一、科技创新平台之一、学术交流中心之一，正向“国内一流造船大学”目标奋进。轮机学科是省级重点学科、国防特色学科，支撑学校船舶优势学科发展。轮机工程专业是国家一流专业建设点、国防科工委重点建设专业，具备“本-硕-博”培养体系，为江苏船舶工业输送了大批优秀人才。学校发起成立“江苏船舶与海洋类高校协同发展联盟”，共同促进教学模式、教学方法、教学资源的共享共建，为江苏造船业人才梯队的建立奠定了坚实的基础。

4  课程应用情况

4.1 服务课程教学

面向轮机专业学生，作为理论必修课和实践实训课的辅助学习平台，发挥其虚实结合功能，体现知识要点，支撑课程目标的能力素质达成;面向校内船舶相关专业，提供2学分公选课，开展16学时网络平台学习和16学时在实验室现场操作，考核合格进行学分认定;面向校外学生，开设网络课程，开放在线学习、仿真漫游、虚拟拆装和网络考试等模块，对完成学习与考核的学生提供开放网络课程学习证明，推动不同学校间相关课程的互认互通。

4.2 支撑省级赛事

柴油机虚拟仿真实验所用柴油机原型为四洋柴油机厂生产的380机型，是“江苏省柴油机设计与拆装技能大赛”指定机型，该实验为学生赛前训练服务，在日常教学过程中将理论和实践紧密结合。通过虚拟操作，使每个学生都能执行完整的拆装过程，充分体现了工程教育专业认证“以学生为中心”的理念，响应了教育部“以本为本”的高校定位。项目运行以来每年为校内外3千名课程或参赛学子提供学习和技能训练，共同打造出深受学生喜爱的实践训练与创新竞赛品牌活动，有利促进省内高校间大学生实践创新能力的培养与交流，相关活动受到教育部、人民日报、省教育厅等权威媒体关注与报道[4]。

5  总结展望

工程实践与创新能力是工科专业学生的核心素养，是工程教育的重要目标。实验实训课程作为支撑目标达成的主要平台，在人才培養过程中发挥不可替代的作用。着力于能力培养，改革传统教学模式与方法，建立线上实验平台，开展线上线下相结合的虚拟仿真教学，融合了网络信息技术的时代特征，规避了大型仪器设备现场教学的不利因素。丰富的实验模块，全场景的实验环境，有利于学生沉浸于实践训练，对提高实验认知，提升实践能力，启迪创新思维具有较好作用。后续，将持续开展仿真实验平台的建设与实践，推动江苏船海高校联盟共建共享教学资源，为船舶类人才培养继续探索前行。

参考文献：

[1]万超，杨兴林，温华兵，王军.船舶动力类人才多过程融合渐进式培养探索与实践[J].教育现代化，2020，7（32）：24-27.

[2]包国治，夏兆旺.基于虚拟仿真技术的轮机工程专业认知与实践的探讨[J].价值工程，2017，36（33）：227-228.

[3]肖建昆，温华兵.赛教结合的实践课程网络教学改革与实践[J].教育教学论坛，2018（37）：99-100.

[4]全省首届柴油机拆装技能大赛举行[N].江苏省人民政府网站，2014-11-18.