虚拟现实技术在《船舶辅机》教学中的应用前景分析

朱世伟 任燕落

河北交通职业技术学院，河北 石家庄 050035

2013 年10 月，习近平主席访问东盟时提出的“建设21 世纪海上丝绸之路”战略构想，给我国航运业发展提出了重要指引。航运业的发展对远洋运输船舶的运输效率与安全性能等方面，提出了更高要求。这直接促进了船舶智能化和自动化等技术在船舶建造业的应用。鉴此，这就需要船舶管理人员不断提高船舶理论知识及实操能力。

基于虚拟现实技术开发的船舶动力设备拆装与操作平台，有着逼真的沉浸式场景与良好的人机交互体验，经济、高效且安全，能够有效提升训练人员的业务水平，是虚拟现实技术在船舶领域的重要发展方向之一。

河北交通职业技术学院是经交通部批准的河北省首个航海类教育院校，轮机工程技术专业是培养无限航区甲等船舶轮机员的高等专科教育专业。2010 年6 月，《STCW78/95 公 约2010 修 正 案（马尼拉修正案）》在菲律宾的国际海事组织缔约国大会上正式通过，于2012 年1 月1 日正式生效；2011 年12 月27 日，交通运输部印发了与该公约相适应的国内法规《中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则》，并于2012 年3 月1 日正式实施；交通运输部办公厅印发了《海船船员培训大纲（2016 版）》和《海船船员培训大纲（2021版）》。新的公约、法规和培训大纲对河北交通职业技术学院航海类专业人才的培养，提出了更高的要求，尤其是增加了船舶动力设备拆装与操作技能的实操评估项目，这都要求在教学中必须更加重视学员实操技能的训练。

一、河北交通职业技术学院《船舶辅机》课程的教学现状

（一）课程设置

《船舶辅机》课程的内容主要结合现代船舶技术的发展与轮机设备的现状，以《STCW78/95公约》马尼拉修正案和交通运输部海事局对船舶轮机人员的岗位技能和职业资格的适任要求为根据，编制人才培养计划，《船舶辅机》作为轮机工程技术专业的核心专业课程，是安排在大学一年级《机械制图基础》《流体力学》《工程热力学及传热学》等专业基础课程之后，在大二第一学年完成的。《船舶辅机》是一门学科多、综合性强的课程，教学内容几乎包括所有的船舶辅助机械，又包括泵的基础理论、齿轮泵、叶片泵、离心泵、水环泵、螺杆泵、往复泵、旋涡泵、喷射泵等船用泵系列内容，包括液压基础知识、船用舵机、船舶起货机、锚机、绞缆机、吊艇机等液压甲板机械系列内容，通风机、空气压缩机、船舶伙食冷库系统和船舶空调装置，船用海水淡化装置、船舶辅锅炉等，这些设备彼此联系不紧密，原理各不相同，分属不同系统，实操实训内容大量贯穿每一章节。由于课程内容及课程结构的安排给教学、评估、实操、考核能方面都造成了一定的难度，需要教师认真思考，在实践中不断进行调整。

（二）学情分析

《船舶辅机》作为轮机工程技术的专业核心课程，内容繁杂，牵涉的学科门类多，具有多实践、多操作的教学特点，学生不仅要学习众多动力设备的结构组成、工作原理、性能特点、操作程序以及日常维护保养等知识，还要学习设备故障原因的分析及处理方法措施。国际公约与我国法规都在这方面进行了特别的强化，进一步加大了实操课程所占的比例。而目前，职业院校学生生源质量下降，招生录取文理兼招等因素的存在，学生的基础知识薄弱，学习能力差是普遍现象。在教学过程中，老师不仅需要根据船舶行业的发展动态以及国家海事局的评估要求，进行授课内容调整，还要对某些基础知识导入式讲解。而当前实训室在用辅机台套数难以满足专业在校生需求，实验设备很多都已陈旧，这就使得在设备运行的同时要投入较高的维护费用，辅机设备不能及时维护，学生真正动手操作的设备有限，导致实操教学方式枯燥，学生参与《船舶辅机》实践课程时不能得到保证，对于人才培养方案中的要求的培养高素质，高技能人才的目标难以达到。

（三）实验设备老旧，技术落后

轮机设备属于船舶动力装置，购置设备投入大，资产高度密集，导致更新换代难。实验室的大部分拆装设备、操作设备陈旧，完全不能跟上现在船舶主流设备技术型号，有的设备甚至是船上早已淘汰十几年的，其中一部分设备有的部件缺失，有的操作失灵，有的设备所配套的仪器仪表已经不能读取准确数字且种类不全，在日常使用中也没有做到及时保养维护。在这种情况下，教师和学生在实训等教学环节中不能高质量、高效率完成教学实践任务。另外，近几年，航海类专业招生就业持续向好，河北交通职业技术学院轮机专业招生规模不断扩大，教学实验场地捉襟见肘，跟不上扩招的步伐。

总之，《船舶辅机》是一门内容庞杂，涉及范围广的多科性综合专业课程，对高职学生来说《船舶辅机》的学习内容并不简单，甚至有一定的难度；在这种情况下，以往《船舶辅机》课程存在理论与实践结合不紧密、实践设备与船舶实际相脱节、学生拆装操作技能困难，甚至是重理论轻实践的现象。导致学生上船工作后，出现实习时间长，顶岗适任难，升值慢等问题，并且给船舶安全也带来一定影响。

虚拟现实VR（virtual reality），又被称为灵境技术。是一种可以创建和体验虚拟世界（virtual world）的计算机系统，虚拟世界是全体虚拟环境（virtual environment）或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的灵境系统，需要包括计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等。也正是这些计算机技术，计算机技术才能得以大力发展。虚拟现实技术能够创造一种立体的视觉环境和音效，实现和谐友好的人机交互。所以，VR 技术可以改变人与电脑之间的被动的、枯燥的现状，使人置身于一种更加适宜的工作环境中。

同国外一些发达的国家相比较，我国在虚拟现实技术领域还存在一定差距。国内对于虚拟现实技术非常重视，许多领域都将虚拟现实技术的融入视为行业发展的未来方向，国内诸多科研机构都在进行虚拟现实技术的研究。随着虚拟现实技术与互联网通信技术水平不断融合发展，轮机工程专业船员实操教学模式，可以基于此发展模拟真实环境中仿真操作训练与考核评估。

二、虚拟现实技术在船员实操训练中的意义及其发展前景

在以往的教学过程中，往往认为学生动手实践性较弱，由于专业知识难度较大且理论知识较为枯燥，学生学习专业知识的热情度不高，主动性不强，学生一味被动输入，效果较差。在实验室中将理论知识同VR 技术融合，让学生亲身体验会带来强烈的交互感和真实感，并能沉浸其中，使老师能够灵活变换场景，以学生为主体，教学过程丰富。搭建船员实操虚拟训练与评估系统，改变传统实训评估模式，模拟实船轮机设备，实践操作训练与考核评估具有显著的优点：

第一，依托虚拟现实技术可以实现在机舱中的虚拟漫游，为操作人员提供更好的临场感。由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像所模拟的环境，除视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，使训练学员仿佛置身于真实的船舶机舱环境，沉浸感强，能够激发学员的探索欲，求知欲，学员训练热情和积极性增加，这样既能够提升实训教学环境，使教师获得更好的教学条件，又能让学生增加实操机会获得学习效果。

第二，传统的实践教学环节，由于受实训场地、设备精度、学员知识能力水平、教学课时等因素的影响使实操教学训练成为观摩实操，学员动手能力得不到充分训练，导致上船工作后，船公司普遍反映学员理论知识过硬，而动手能力不足。虚拟现实技术运用于船舶动力设备与拆装实训过程中，虚拟拆装设备，学员在虚拟环境中完成拆装知识的学习和设备拆操作，不受现实环境设备影响，又可以让学员不受实验设备、场地的限制，反复操作演练该设备的拆装操作过程，直至熟练掌握。［1］

第三，传统的实验室建设，购置设备，更新设备，需要花费大笔资金，但由于现代船舶新技术，新设备应用快、更新快，导致实验室设备型号很难跟上船舶主流，致使学校实践教学与船舶实际应用相脱节。虚拟现实技术的应用可以使实践训练不产生任何损耗，减少训练成本有效节约资源，设备的购置更新主要是软件部分，不仅避免了设备维护、保养以及磨损的问题，而且大幅降低了实验室购置硬件设备的投入。

第四，在以往的实践教学中，受设备的笨重新旧程度，工具使用熟练程度，装配质量等因素的影响，教师的教学是把安全放在首位的，虚拟现实技术的应用，使拆装操作虚拟化不必考虑传统实操训练和考核过程中人员和设备的安全问题，教师可以更专注于教，学员也可以更放心大胆地练习，而且不再受时间和空间的约束。采用虚拟实训与评估系统，能将轮机设备的任何故障问题进行仿真模拟，不需要考虑场地、设备、人员及安全等问题，可以让学员体验在模拟真实场景下进行实操，使学员的动手能力、分析能力及解决问题的能力得以提升，达到实物设备拆装训练的同等效果，模拟实际操控环境下，完成规定的轮机工程专业船员在取得适任证书前，必须完成各项实操训练及考核评估，对提升学员的培训质量具有重要的促进推动作用。

第五，运用虚拟现实技术，可以模拟风险事故场景。可以模拟人体触电、船舶碰撞，机舱火灾项目的安全事故，在虚拟环境中进行真实的故障解决情景演练，通过事故的沉浸感体验，使学员真实体验各类安全风险的后果。可通过现场互动，考核学员发生事故时采取的应急处置方法与措施的正确性，提高其现场应急处置能力，可以大大提升人员的心理承受力。这是传统实操训练无法比拟的。［2］

第六，基于虚拟现实技术的船舶动力设备拆装与操作过程自动评阅模块，可以更加准确、公平、迅速地考核及评估学生的实践动手操作能力，降低人工评估的成本和其他因素的影响，评估结果能客观地反映学员真实的技术技能水平，通过考核评估能够全面全过程地将学员的综合素质反映出来，能够使考试主管机关科学系统、公平、公正地对学员进行评价。老师的教学可以更有针对性地对学员掌握薄弱环节进行强化。［3］

三、结语

虚拟现实技术应用于《船舶辅机》教学中，可以将抽象复杂、晦涩难懂的《船舶辅机》拆装操作知识，以更直观、生动、全面的方式呈现出来，践行了“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的实践教学理念，降低了安全事故风险，加深理论知识的理解与掌握程度，使学生的理论知识与拆装操作等实践技能更好融合，提高学生的适任能力，提升学校的人才培养水平。

从教学方面来讲，确实为传统教学注入了新鲜血液，能够为实践教学提供了更多更新、更实用的虚拟设备。但是虚拟现实技术在制作中存在所涉及的知识是否专业问题，受课程知识体系的复杂因素、实验场地限制因素、所需设备价格较高等影响，如何突破限定，优化虚实结合的教学方法，以实现更好的教学实训效果，这些问题需要我们反复研究探讨，不断改进。虚拟现实技术当前在各领域都开始运用，但都还不够成熟。随着科学技术水平的不断向前发展，虚拟现实技术日趋成熟并不遥远。在今后的实践教学中，通过虚拟现实技术的充分应用，必将丰富教学资源，开拓新的教学方法及教学环境，启发学生对知识的探索兴趣，使学生更好地掌握实际技能。