船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源建設與實踐研究

路　勇, 馬修真, 高　峰, 李淑英, 費景洲

(哈爾濱工程大學 船舶動力技術國家級實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱　150001)

?

船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源建設與實踐研究

路勇, 馬修真, 高峰, 李淑英, 費景洲

(哈爾濱工程大學 船舶動力技術國家級實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱150001)

哈爾濱工程大學船舶動力技術國家級實驗教學示范中心依托動力與能源工程學院強大的科研優勢和學科特色,以資源整合、科研結合、校企聯合為建設思路,構建了虛實互動、虛實互補的船舶動力技術虛擬仿真實驗教學體系,搭建了虛擬仿真實驗教學平臺。平臺的運行增強了學生專業學習興趣和實驗效果,促進人才培養質量,體現了國家級實驗教學中心的內涵建設要求。

虛擬仿真實驗；教學資源； 船舶動力技術

哈爾濱工程大學船舶動力技術實驗教學中心依據“實驗室資源有效整合,教學科研緊密結合,學校與科研院所、行業、企業密切聯合”的“三合”理念[1-3],開展國家級實驗教學示范中心的建設,形成了“虛擬仿真與真實設備互動、科研支撐與校企合作聯動”的實驗教學特色。為進一步落實2014年教育部關于虛擬仿真實驗教學資源建設的意見,加強船舶動力技術國家級實驗教學示范中心內涵建設,船舶動力技術國家級實驗教學示范中心構建了虛實互動、虛實互補的船舶動力技術虛擬仿真實驗教學體系,并搭建了虛擬仿真實驗教學平臺,開展相關教學研究與實踐。

1　虛擬仿真實驗教學資源建設的必要性

1.1符合船舶動力類專業特點和行業特色

船舶動力類專業實驗教學設備多為高溫、高壓設備和結構復雜、有高速旋轉部件的大型動力機械,如大功率柴油機、燃氣輪機、蒸汽鍋爐、機槳傳動設備,學生實際操作設備具有較大的安全風險。由于實驗設備臺套數少、實驗準備時間長、實驗費用高等因素的制約,難以將大型設備用于實驗教學。因此,開展船舶動力類專業虛擬仿真實驗教學具有重要的現實意義。

1.2符合現代船舶動力技術發展趨勢

基于船舶動力類專業特點,除熱工等基礎實驗設備外,其他用于實驗教學的專業設備成本高、更新換代難,且多為傳統機型或分散設備,不能反映現代船舶動力技術發展的最新趨勢。同時,傳統的專業實驗項目多為演示性、驗證性實驗,缺少設計型、綜合型和研究型實驗。因此,開展船舶動力技術虛擬仿真實驗資源建設,可以進行高危、極端工況的設備性能實驗,滿足創新型人才培養對現代實驗教學條件的需求。

1.3實驗教學示范中心內涵建設的延續

在2006年開發的“船舶內燃機結構全虛擬拆裝”教學網的基礎上,船舶動力技術實驗教學中心依托科研資源、發揮科研優勢,陸續開發了船舶燃機性能、船舶燃氣輪機、船舶聯合動力裝置、船舶蒸汽動力裝置等全虛擬和半物理仿真實驗平臺,進一步突出了“虛擬仿真與現實設備互動、科研支撐與校企合作聯動”的實驗教學特色。因此,船舶動力技術虛擬仿真實驗中心建設也是國家級實驗教學示范中心內涵建設的延續。

1.4提高學生對專業學習的興趣

將現代虛擬仿真技術用于實驗教學,對提升學生的能力和水平具有重要作用。教育部在《關于進一步開展“十二五”高等學校實驗教學示范中心建設工作的通知》中,要求創建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境。因此,虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和國家級實驗教學示范中心建設的重要內容,是學科專業與信息技術深度融合的產物,是創新實驗方法和手段的體現。利用虛擬仿真資源,可實現極端工況不可及或不可逆實驗項目的操作,有利于提高船舶動力類專業學生專業實驗效果和學習興趣[4-6]。

1.5有利于強化優質教學資源的示范輻射

自主開發或聯合開發具有自主知識產權的虛擬仿真實驗教學資源,有利于大型開放網絡課程(MOOC)的實現,提高MOOC效果,也有利于提高優質實驗教學資源的示范和輻射作用,提高國家級實驗教學示范中心地位[7-8]。

2　虛擬仿真實驗教學平臺組成及運行模式

2.1虛擬仿真實驗教學平臺概述

哈爾濱工程大學船舶動力技術國家級實驗教學示范中心開展虛擬仿真實驗教學資源建設較早。早在1999年,學院教師就著手開發內燃機虛擬拆裝系統,并于2005年成功應用到本科內燃機實驗教學中,“內燃機結構”實驗教學課程于2007年被評為國家級精品課程。經過多年的建設,哈爾濱工程大學船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心已自主或聯合開發了覆蓋船舶動力專業所有類型(內燃機、燃氣輪機、蒸汽動力、輪機工程)的虛擬仿真實驗系統?，F有虛擬仿真實驗教學資源絕大多數是本校科研成果轉化的實驗教學資源。隨著技術的發展,這些實驗教學資源不斷進行完善和更新,因此,它們反映了我國船舶動力專業的發展趨勢和先進水平[9]。

2.2虛擬仿真實驗教學平臺組成

船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源分為基礎虛擬仿真實驗平臺和專業虛擬仿真實驗平臺?；A實驗包括熱工和測試實驗；專業實驗包括內燃機方向、燃氣輪機方向、熱能方向和輪機工程方向的實驗(見圖1)。其中,熱工基礎虛擬仿真實驗教學系統、內燃機結構虛實互動系統、內燃機性能仿真實驗系統、燃氣輪機虛擬仿真實驗系統(燃氣輪機全虛擬演示系統和船舶聯合動力半物理仿真系統等)、船舶蒸汽動力虛擬仿真實驗系統等資源為自主開發,并具備自主知識產權[10-12]。

圖1　船舶動力技術虛擬仿真資源構成及運行

2.3虛擬仿真實驗教學平臺運行模式

船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源平臺的運行模式分為全虛擬運行、虛實結合(互補)運行和半物理仿真運行。全虛擬運行方式為網絡終端或單機訪問資源,在課前進行網上虛擬預習,在實驗課上實物再現,為無教師指導的自主實驗方式；虛實結合運行方式是采用仿真方式完成實驗,多用于實物臺架可以部分實現或無法實現的專業實驗,例如高危、高耗、不可逆或不可及實驗項目；半物理運行方式為實物在環仿真實驗系統,需要聯合運行才能實現,方便工況設置和故障模擬。

2.3.1基礎實驗虛擬仿真實驗平臺

基礎實驗仿真平臺對應的課程為工程熱力學、傳熱學、動力裝置測試技術等。學生可以在課前通過網絡訪問基礎實驗虛擬教學資源,實現課前預習、自主學習。網絡終端以三維動畫演示和精品視頻課程為主,完全模擬實驗室實際實驗臺的布局和操作步驟。學生通過網絡預習后再到實驗室實際動手操作,而教師的作用由講授變為引導。這種運行模式實現了學生自主實驗,拓寬了實驗空間、提高了實驗教學效率。

2.3.2內燃機專業方向虛擬仿真實驗平臺

內燃機專業方向虛擬仿真實驗平臺對應的專業課程為內燃機結構、內燃機設計、內燃機原理、內燃機電控、內燃機增壓技術等,實驗內容包括內燃機結構拆裝實驗和內燃機性能實驗。內燃機結構拆裝實驗為虛實互動實驗,學生可在網上預習內燃機結構拆裝工藝(網址:http://diesel.hrbeu.edu.cn/和http://diesel.hrbeu.edu.cn/english/),到實驗室實際操作,并有網絡終端輔助,實現虛實互動,取得了很好的教學效果。內燃機性能實驗主要在柴油機實際臺架上進行,對于故障模擬、柴油機增壓匹配等常規工況條件下無法開展的實驗,采用虛擬仿真手段輔助完成,實現虛擬與現實結合方式運行。

2.3.3燃氣輪機專業方向虛擬仿真實驗平臺

燃氣輪機專業方向的專業課程為燃氣輪機結構強度、船舶燃氣輪機裝置原理、燃氣輪機電站等,建設了燃氣輪機結構虛擬演示實驗系統和燃氣輪機性能仿真實驗平臺。實驗平臺采用虛實結合和半物理仿真方式運行,可以使學生全面了解燃氣輪機動力系統的組成和工作原理等,掌握燃氣輪機動力系統常見故障及排除方法,初步了解先進的燃氣輪機健康管理技術。

2.3.4熱能工程專業方向虛擬仿真實驗平臺

熱能工程專業方向的專業課程為鍋爐原理、換熱器原理及應用、增壓鍋爐、船舶動力裝置等,建設了船舶蒸汽動力全虛擬仿真實驗系統和增壓鍋爐半物理仿真實驗平臺。船舶蒸汽動力全虛擬仿真實驗系統涉及的船舶動力主機及輔助設備全部采用數學建模,輔以監控界面,以全虛擬數字仿真模型運行。

2.3.5輪機工程專業虛擬仿真實驗平臺

輪機工程專業虛擬仿真實驗平臺對應的專業課程為船舶電氣設備及系統、船舶輔助機械、輪機自動化,動力裝置設計等,建設有輪機裝置虛擬系統和船舶動力裝置匹配模擬系統。其中輪機裝置虛擬系統為全虛擬仿真系統,包括主機遙控系統、機艙監測報警系統、閥門液位遙測系統和控制顯示系統,可以實現船舶主機遙測實驗、機艙監控報警實驗等。船舶動力裝置匹配模擬系統主要在Simulink仿真環境中實現,包括主機、軸系、螺旋槳及其他附屬設備模型,可以實現性能匹配仿真實驗,以全虛擬方式運行。

3　虛擬仿真平臺在教學方面發揮的作用

虛擬仿真實驗教學平臺在實驗課程教學中發揮了重要作用。它支持本科生入學教育、通識教育、專業課程教學、專業實踐環節教學(包括專業實驗、專業實習、課程設計、畢業設計)、大學生科技創新活動,以及研究生專業課程教學、專業實踐環節教學。目前,虛擬仿真系統在內燃機結構、內燃機設計以及測試技術等12門課程的教學中得到很好的應用,支持本科生、研究生完成的科研課題達到130余項,在提高教學效率以及學生實踐能力的培養方面起到了積極的促進作用。

由于虛擬仿真實驗教學平臺是由科研設施轉化而來,在硬件和軟件的配置上與現有科研設施沒有實質區別,因而虛擬仿真實驗教學平臺能夠同時兼顧教學和科研的需要,實現資源共享,不但促進了科研工作的順利進行,也形成了實驗教學平臺與科學研究的良性互動,為平臺向更高層次的發展創造了很好的條件。

4　結束語

船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源建設體現了實驗資源整合、教學科研結合、校企聯合的“三合”理念。是科研優勢轉化為教學資源的很好嘗試。本著“能實不虛、虛實結合”的實驗原則,船舶動力技術虛擬仿真實驗教學平臺既有仿真資源的優越性,也兼顧實物實驗的不可替代性,并且具有較強的可移植性。虛擬仿真實驗教學資源有效地延伸了學生進行實驗的空間和時間，提高了實驗效率,增強了實驗效果。

References)

[1] 嚴華,鄭國杰.海上專業實驗教學示范中心建設的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2013,32(2):127-129.

[2] 馮英忠,盧澤楷,李志光.地方高校實驗室建設與創新人才培養的研究和實踐[J].實驗技術與管理,2012,29(11):26-28.

[3] 謝峻林,馮小平,金明芳.深化改革創新實驗教學示范中心建設[J].實驗室研究與探索,2013,32(2):123-126.

[4] 景新幸,張國慶.以實驗教學創新全面推進國家級實驗教學示范中心的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(12):1-4.

[5] 張文桂.實驗教學示范中心建設的思考與實踐[J].實驗技術與管理,2008,25(1):1-4.

[6] 徐淑玲,蔣必彪,龔方紅.實驗教學示范中心建設的多功能考量[J].實驗技術與管理,2011,28(12):119-120.

[7] 叢蕾,蔣家慧,劉智軍.高等學校骨干學科教學實驗中心建設的探索與思考[J].實驗技術與管理,2012,29(11):119-122.

[8] 夏蔡娟,劉漢臣,張英堂,等.工科院校開放式實驗教學模式的探索[J].西安郵電學院學報,2011,16(增刊2):136-138.

[9] 路勇,高峰,馬修真.能源動力專業“進階式”實驗教學探索與實踐[J].實驗科學與技術,2012,8(6):59-61.

[10] 高峰.高校實驗室文化建設問題的探討[J].實驗室科學,2012,15(2):128-129.

[11] 路勇,馬修真,韓偉.高校能源動力類專業實驗教學改革研究與探索[J].理工高教研究,2010,29(6):119-120.

[12] 梁宇濤.虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2006,23(6):81-84.

Study on construction and prictice of virtual simulation experimental teaching resource by using marine power technology

Lu Yong, Ma Xiuzhen, Gao Feng, Li Shuying, Fei Jingzhou

(Marine Power Technology National Experimental Teaching Demonstration Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The Marine Power Technology National Experimental Teaching Demonstration Center of Harbin Engineering University has developed the virtual simulation experimental teaching frame and system based on following the spirit of the Ministry of Education on development of virtual simulation experimental teaching resource, and the concept of “integration of the resources, combination of teaching and research, union of university and enterprise.” The virtual simulation experimental teaching frame and system are an interaction and combination mode on virtual and practical equipment. Thus the high-level teaching and experimental platform can be achieved, as well as the capacity of high quality training for students is improved and the connotation development is promoted.

virtual simulation experiment； teaching resource; marine power technology

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.029

2015- 08- 20

黑龍江省教改項目“高校教師科研團隊與科研成果融入創新型人才培養的實效機制探索與實踐”(JG2013010202)資助

路勇(1978—),男,吉林洮南,博士,副教授,實驗中心主任,主要從事船舶動力裝置自動化研究、實驗室建設與管理.

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0117- 03