船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與發(fā)展

馮 峰，孫 聰，曲先強(qiáng)

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，早在“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃中便有虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境相關(guān)課題研究的重點(diǎn)項(xiàng)目。2013年8月，為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》精神，教育部決定開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，這一決定標(biāo)志著我國(guó)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)進(jìn)入了規(guī)模化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、可持續(xù)發(fā)展階段［1－2］。哈爾濱工程大學(xué)根據(jù)國(guó)家和教育部有關(guān)文件精神，以“科學(xué)規(guī)劃、資源共享、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想，組織開展船舶與海洋工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，取得了顯著的成效。

1 建設(shè)的必要性

船舶與海洋工程（簡(jiǎn)稱船海）類實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)具有其特殊性，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨3個(gè)方面的難題：一是實(shí)驗(yàn)室的大型設(shè)備與特種設(shè)備多，多功能深水池、船模拖曳水池、循環(huán)水槽以及結(jié)構(gòu)多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)等大型試驗(yàn)設(shè)備操作復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行消耗的能源大，每次上課前都要花費(fèi)較多的時(shí)間講解如何操作使用設(shè)備，開展多班次大批量的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)極為不便；二是我校地處哈爾濱，相比沿海城市高校而言，遠(yuǎn)離船廠以及船舶設(shè)計(jì)單位，學(xué)生無法親自了解船舶設(shè)計(jì)與生產(chǎn)流程，專業(yè)實(shí)習(xí)又面臨著耗費(fèi)資金大、外出時(shí)間長(zhǎng)、組織協(xié)調(diào)困難、存在不安全因素等難題，實(shí)習(xí)效果較差；三是用于實(shí)驗(yàn)的大型特種設(shè)備和深水池等實(shí)驗(yàn)環(huán)境承擔(dān)涉密科研項(xiàng)目，部分實(shí)驗(yàn)室屬涉密單位，為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來不便。

面臨以上種種困難，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)便成為較好的解決方案。虛擬仿真作為一種通用技術(shù)，目前已應(yīng)用于許多領(lǐng)域。基于虛擬仿真技術(shù)所開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)，因其所固有的直觀性、高效性及經(jīng)濟(jì)性，從發(fā)展之初就首先被應(yīng)用到了教育培訓(xùn)領(lǐng)域，尤其對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無法開展的具有高危險(xiǎn)性、大型綜合的復(fù)雜系統(tǒng)以及模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本較高的系統(tǒng)，利用虛擬仿真技術(shù)可以有效解決當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所面臨的困難。

2 搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，建設(shè)與應(yīng)用共享虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)資源，組建了以提高教學(xué)能力、拓展實(shí)踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［3－4］。平臺(tái)由虛擬仿真系統(tǒng)軟件、工具軟件和虛擬仿真網(wǎng)站3個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成

該平臺(tái)具有如下功能：

（1）運(yùn)行自行研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛仿系統(tǒng)，包括“虛擬船廠仿真系統(tǒng)”、“艦船操控模擬系統(tǒng)”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)”、“船舶智能查詢系統(tǒng)”，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真教學(xué)軟件系統(tǒng)

（2）運(yùn)行船舶與海洋工程領(lǐng)域?qū)Ｓ霉ぞ哕浖?，包括Tribon、Catia、Ansys、Fluent、AutoCAD等。

（3）船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站，依托該網(wǎng)站，船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將虛擬軟件資源掛于網(wǎng)站運(yùn)行，發(fā)布實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息，搭建了基于船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化平臺(tái)。

3 虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 虛擬船廠仿真系統(tǒng)

該系統(tǒng)將一所現(xiàn)代化的造船廠完整地搬進(jìn)了計(jì)算機(jī)中，廠房、設(shè)備、船塢、各種吊車、船舶等一應(yīng)俱全，如圖3所示。系統(tǒng)真實(shí)再現(xiàn)了船舶企業(yè)以物流流動(dòng)方向?yàn)閷?dǎo)向的布局模式，近距離、多角度地觀察船廠的地理位置、布局、主要設(shè)備設(shè)施、生產(chǎn)過程和管理情況，使用者可以身臨其境地參觀和游弋，也可以進(jìn)入車間內(nèi)部觀察具體的零部件加工步驟和方法，近距離欣賞船舶制造的全過程。它沒有空間和時(shí)間的限制，解決了日常教學(xué)中缺少整體感官體驗(yàn)，同時(shí)可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖3 虛擬船廠仿真系統(tǒng)效果圖

3.2 艦船操控模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)以船舶水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型為核心，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和多媒體技術(shù)，實(shí)時(shí)再現(xiàn)船舶航行與海洋工程作業(yè)過程，如圖4所示。系統(tǒng)有助于提高訓(xùn)練的質(zhì)量、效益和安全系數(shù)，解決訓(xùn)練周期長(zhǎng)和訓(xùn)練受氣候、環(huán)境等因素影響的難題，同時(shí)有助于減少實(shí)船訓(xùn)練消耗，延長(zhǎng)船艇使用壽命，對(duì)推進(jìn)軍事訓(xùn)練向基地化、網(wǎng)絡(luò)化、模擬化方式轉(zhuǎn)變起到積極的作用。

圖4 艦船操控模擬系統(tǒng)

基于該仿真平臺(tái)，可以開展水動(dòng)力環(huán)境下船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型研究，對(duì)船舶操縱性能、船載設(shè)備性能等進(jìn)行驗(yàn)證與分析，被廣泛應(yīng)用于仿真實(shí)驗(yàn)、技能模擬訓(xùn)練、海洋工程作業(yè)方案評(píng)估領(lǐng)域，具有成本低廉、安全、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［5］。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)

該系統(tǒng)以多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，開發(fā)了數(shù)字化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)三維視景仿真平臺(tái)，導(dǎo)入三維仿真軟件生成的實(shí)驗(yàn)所需的各種部件、輔助工裝和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)試件，實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)與考核等功能。并可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，隨時(shí)添加新型輔助工裝與各種實(shí)驗(yàn)試件等，達(dá)到學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)加載測(cè)試方案的目的，如圖5所示。

圖5 某船舶典型結(jié)構(gòu)疲勞加載實(shí)驗(yàn)方案

3.4 船舶查詢服務(wù)系統(tǒng)

本科生在畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)過程中缺乏船舶設(shè)計(jì)的第一手資料，難以找到設(shè)計(jì)對(duì)象和參考資料，各種設(shè)計(jì)缺乏參考和驗(yàn)證，這是困擾工程設(shè)計(jì)類人才培養(yǎng)的共性難題之一。船舶查詢服務(wù)系統(tǒng)共有完整的船型資料300余項(xiàng)，港口與碼頭工程資料近百項(xiàng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于我院本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)、大學(xué)生科技創(chuàng)新、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)活動(dòng)，首頁如圖6所示。

圖6 船舶智能查詢綜合服務(wù)平臺(tái)

3.5 工具軟件

除了上述虛擬仿真軟件外，各個(gè)工具軟件，包括Tribon船體三維建模軟件、Catia船體三維建模軟件、Ansys船體建模與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算軟件、Fluent船體建模與流體力學(xué)分析計(jì)算軟件、AutoCAD船體制圖繪制軟件等也廣泛地用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課題研究，為學(xué)生提供了強(qiáng)大的學(xué)習(xí)手段與工具。

4 虛實(shí)并舉，互為補(bǔ)充

虛擬仿真系統(tǒng)并不是一味追求虛擬，不可能以虛仿代替所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們盡可能地讓學(xué)生接觸實(shí)際，充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則［6－8］。

為此我們總結(jié)出“5個(gè)相結(jié)合”：船廠實(shí)習(xí)與虛擬船廠相結(jié)合；三維模型設(shè)計(jì)制作與虛擬船廠相結(jié)合；流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)、船舶水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)與艦船操縱模擬系統(tǒng)相結(jié)合；大型結(jié)構(gòu)加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)相結(jié)合；船舶博物館船模與船舶智能查詢綜合服務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合。其中有實(shí)物與虛仿結(jié)合，也有半物理模型與虛仿結(jié)合，這些結(jié)合方式虛實(shí)并舉，互為補(bǔ)充，為學(xué)生提供了安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的綠色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

作為范例，在虛擬船廠教學(xué)中，教師指導(dǎo)學(xué)生以大作業(yè)的形式設(shè)計(jì)某一作品，學(xué)生將設(shè)計(jì)方案導(dǎo)入到快速成型機(jī)打印成三維零件，再將三維零件組合成作品，使設(shè)計(jì)課程不再僅僅體現(xiàn)為抽象的圖紙，而是以模型作品再現(xiàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)，完成作品如圖7所示。事實(shí)上，三維模型具有半物理仿真特點(diǎn)，虛擬船廠和半物理仿真結(jié)合，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新特色。

圖7 學(xué)生設(shè)計(jì)完成的作品

5 建設(shè)成效

5.1 科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)

船海虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心圍繞教學(xué)與科研并重的方針，在建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的同時(shí)也注重科學(xué)研究［9－10］。通過仿真平臺(tái)完成科研項(xiàng)目數(shù)十項(xiàng)，創(chuàng)造了豐碩的科研成果，依托科研項(xiàng)目已開發(fā)出數(shù)套科研設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如艦船操控模擬系統(tǒng)即是由科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來并用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)；基于某型船所設(shè)計(jì)的艦船操控模擬系統(tǒng)直接應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)；某船舶典型結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目直接應(yīng)用在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)仿真典型項(xiàng)目中；某核電站蒸汽管道防甩件抗沖擊試驗(yàn)直接應(yīng)用在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)仿真典型項(xiàng)目中。

5.2 改進(jìn)教學(xué)模式

虛擬仿真教學(xué)使教學(xué)模式發(fā)生變化，學(xué)生可以更深入地理解相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，打破時(shí)間和地域的限制完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可自擬、自選實(shí)驗(yàn)題目，自行組織實(shí)驗(yàn)，摒棄傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方式，讓學(xué)生自主參與到教學(xué)中來，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性［11－13］。自主探索的學(xué)習(xí)活動(dòng)，可使學(xué)生的個(gè)性得到發(fā)展，創(chuàng)造能力得到提高，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5.3 校企合作開發(fā)虛擬仿真資源

我院與船舶制造企業(yè)、科研院所具有良好的合作基礎(chǔ)，目前已與上海江南造船廠、廣船國(guó)際、中遠(yuǎn)船務(wù)、中集煙臺(tái)來福士、江蘇熔盛造船、中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院等多家單位積極聯(lián)合開發(fā)資源，取得了較好的效果。例如虛擬船廠仿真系統(tǒng)即是中心與有關(guān)船廠合作，以現(xiàn)代化的造船企業(yè)為背景制作的。中心將充分利用造船企業(yè)與設(shè)計(jì)院所在虛擬仿真方面的人才優(yōu)勢(shì)與資源優(yōu)勢(shì)，共同開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源，搭建全面的、可視化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)。

6 結(jié)束語

船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心通過統(tǒng)籌規(guī)劃、資源整合、重點(diǎn)建設(shè)，以現(xiàn)代化的教學(xué)手段拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。中心將以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，始終堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)、求一流的發(fā)展目標(biāo)，發(fā)揮學(xué)校船舶與海洋工程學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢(shì)，使船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成為高顯示度的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

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