艦船機電裝備類課程實訓條件與實訓模式構建

楊占錄，李衛寧，劉吉軍

（海軍潛艇學院，山東青島266100）

職業技術教育院校機電類專業直接面向各類技能型崗位培養人才，畢業生的實作實操技能是評價教學水平的重要標尺，因此各院校普遍非常重視實作教學條件的建設[1]。大型工業類企業中，技能型崗位數量多，為了培養新入職員工的操作技能和提高在崗人員的實操技能水平，一般也設置專門的培訓部門，建設與本企業各技能型崗位培訓需要高度匹配的訓練器材。例如，大型地下變電站中輔機系統設備多，操作復雜，易出現故障，通過運行在PC機上的虛擬仿真裝備的訓練，能夠加快操作管理人員的培訓進程。

多年來，軍事職業技術教育機電類專業也非常重視教學條件建設。有的在艦船動力系統、推進裝置的培訓中采用了虛擬設備進行操作流程的培訓[2]，有的采用虛擬系統訓練學員的維修能力[3]。但是由于虛擬訓練設備與系統無法完整地給學員提供操作真實裝備的感官輸入，因此外部結構和實際裝備一致的半實物仿真裝備應運而生，成為了一種有效的維修訓練方法[4]。為了充分發揮虛擬裝備與模擬裝備的優點，也有的在一套系統中同時包含虛擬訓練設備和模擬訓練設備[5]。

艦船機電專業實訓教學與其他專業有很多相似之處，可以借鑒其實訓教學條件的建設經驗，豐富完善現有的實訓裝備，形成分層次的、完整的實訓教學條件。

1 崗位能力需求分析

艦船機電部門包括輪機、電工等多個專業，機電專業人員執掌的裝備數量多、種類繁雜。機電專業人員能否高標準完成操作管理職責，關系到使命任務能否完成。因此，學員在校學習期間必須習得以下能力。

1.1 正常操作使用

機電專業每個崗位的人員都執掌一定數量的設備，其中部分設備的操作流程還比較復雜，操作過程中需要監測的設備參數比較多。熟練操作自己執掌的設備，并且在操作過程中能根據設備的狀態參數、設備外在表現判斷其技術狀態是每個學員的基本技能。

1.2 維護保養

機電設備存在參數漂移、正常老化等過程，因此在其壽命周期內，為保持設備的技術狀態，必須按照相應的規定對設備進行定期的維護保養。維護保養一般是在全面檢查的基礎上進行清掃、擦拭、緊固、潤滑、調整等工作，根據檢查的結果，也可以對老化的部件進行預防性維修或更換。

1.3 應急處置

海上航行過程中，艦船上有大量的機電設備在工作，如果有設備出現狀態異常，操作人員必須能夠在短時間內進行應急處置，一方面要快速轉換設備的工作狀態，限制住單個設備的異常程度，使其盡可能不影響全艦的狀態和任務的執行，如果異常設備不得不停機，則要啟用替代手段。另一方面要保證異常設備不能影響艇員及周邊其他設備的正常工作，防止不利態勢擴大。

1.4 故障排除

機電設備使用過程中，由于設備老化、操作失誤、設計欠佳、工作環境惡化等原因都可能引發故障。對于維修困難的故障，無法短期內完成維修工作的，可以在艦船靠碼頭后由相關單位實施維修；對于維修難度不大，或者不維修就會對任務的執行產生重大影響的，艇員必須能夠依靠自身力量完成故障的診斷和排除工作。這就要求機電專業人員必須具備海上航行期間的維修能力。

2 訓練系統的類型

理論學習是學員形成上述崗位任職能力的基本方式，但還遠遠不夠，必須通過訓練系統展開實作、實操訓練，學員才能形成有效的崗位任職能力。

2.1 虛擬訓練系統

由于艦船裝備造價昂貴、維護費用高，院校不可能批量配備。同時，部分裝備的關鍵部件壽命是以工作次數或工作總時間計算的，也不適合頻繁操作訓練。而院校學員數量多，操作過程需要反復訓練，艦船裝備無法滿足要求，因此虛擬訓練系統應運而生。

虛擬訓練系統是采用計算機仿真、多媒體、虛擬現實等技術開發出虛擬訓練設備并通過顯示器上顯示出來的，學員通過鼠標等操作設備控制虛擬訓練設備實現訓練。其中，針對機電裝備的虛擬訓練系統可以分為由多個二維虛擬設備構成的訓練系統、由多個三維虛擬設備構成的訓練系統、三維空間沉浸式多崗位協同訓練系統。

早期的虛擬訓練系統一般是由多個二維虛擬設備構成的[6]。隨著技術進步，可以采用數個獨立的三維虛擬設備構成訓練系統，這種系統的優點是開發快，成本低。例如，動力系統包括主機、控制臺等多個操作崗位的訓練設備，每個崗位的設備對應一臺虛擬設備、使用一套數學模型并運行于一臺計算機上。多臺虛擬設備組網，通過網絡通信和模型計算，保證各虛擬設備的狀態同步，就可以形成完整的虛擬訓練系統。與上述兩類系統不同，三維空間沉浸式多崗位協同訓練系統整體采用一套三維設備模型和數學模型，三維設備模型可以根據需要顯示在多個顯示器上，操作人員可以實現機艙漫游，行走到自己執掌的設備前進行操作，可以采用鼠標、數據手套等設備進行操作，也可以配合頭盔顯示器進行場景展示。具有極強的沉浸感，配合設備工作聲音的模擬，可以保證取得良好的訓練效果。除用于操作訓練外，虛擬設備還可以展示設備的內部構成、部件間的連接關系、機械部件間的連鎖關系等。

2.2 半實物模擬訓練系統

雖然純虛擬訓練系統具備經濟、安全、可反復訓練、不受場地空間限制、乘訓能力強等優勢，但由于其操作是使用鼠標、手套等輸入控制設備，與實際設備的操作方式存在顯著差別，操作人員無法體會大型操作部件的真實阻力矩、阻尼等操作特性，在學員已經熟練掌握操作流程后，進一步提高學員的操作水平就應當采用半實物模擬訓練系統。

半實物模擬訓練設備在尺寸、外觀、操作方式、顯示方式、操作后的響應過程等方面與實際設備完全一致，學員操作過程中的體驗與操作實際完全相同。但是模擬訓練設備內部沒有與實際裝備相同的部件，因此造價遠低于實際裝備。其內部一般布置有接口設備，通過接口設備的輸入模塊采集開關、按鈕等操作部件的狀態來檢測操作人員的動作，將操作數據發送給服務器，服務器中的數學模型軟件根據輸入數據計算出輸出部件應有的顯示狀態，將顯示數據發送給模擬設備內的接口設備，接口設備的輸出模塊控制儀表、指示燈等顯示部件進行狀態輸出。該類訓練設備內部結構簡單，因此操作使用壽命遠長于實際設備，可以用于反復訓練。但是由于體積較大，一般一個型號的設備只配置一套相應的模擬訓練設備。學員在此類設備上進行正常操作流程訓練、應急處置訓練，可以獲得與實際裝備接近的訓練效果。

2.3 全實物模擬訓練系統

采用計算機控制的模擬訓練設備雖然能滿足操作流程訓練，但無法滿足結構展示、工作原理演示、故障排除等方面的教學。對于電氣類設備，可以采用全實物模擬訓練設備滿足上述教學需求。全實物模擬設備的結構組成、工作原理與實際設備相同，但是在器件等級上采用一般民用標準器件，部分器件用小功率器件代替大功率器件，因此造價遠小于實際裝備。設計全實物模擬訓練系統時，關鍵步驟是要認真研究如何在裝備上設置故障，統籌安排典型故障的類型與數量，讓教練員能夠方便地在設備上設置故障。設置的故障被觸發后，故障現象、故障的演進過程必須與實際裝備完全一致。為方便電氣故障的診斷，可以在易于操作的位置加裝測量端子，便于操作人員采用測量工具測量電氣參數，進行故障的診斷與排除訓練。

2.4 實際裝備訓練系統

實際裝備訓練系統中的設備與艦船上的裝備完全相同，根據需要也可以營造與艦艇相同的環境氛圍。訓練時，一旦受訓人員操作失誤，有可能造成事故，產生經濟損失，因此在實際裝備上開展訓練，受訓人員會承受較大的心理壓力，只有在一定心理壓力下展開的訓練才是最貼近實際的訓練，才能形成各崗位協同操作的能力，才能顯著提升學生工作后操作裝備的自信心。

另外，對裝備進行規范的維護保養是維持其良好技術狀態的必要手段，是日常工作的重要內容。只有在結構組成與實際裝備完全相同的設備上開展維護保養訓練，才能增強訓練的針對性和有效性。

3 逐級提升式的訓練模式

艦船機電專業學生必須具備的四種能力的生成是有先后順序的，對應不同的能力培養應當采用不同的教學條件。

學習初期，學員應當學習設備的結構組成、工作原理。虛擬訓練設備能夠展示設備的內部結構、詳細展示出設備工作過程中各部件電氣與機械狀態的變化，因此，通過觀察虛擬設備，學員可以通過形象直觀的方式掌握相關知識。

對于正常操作訓練、應急操作訓練，通過反復操作虛擬訓練設備，學員可以熟記操作流程及注意事項。然后再采用實物模擬訓練設備進行訓練，體會操作設備的直觀感受，初步克服操作過程中的心理壓力。學員基本形成操作技能后，可采用實際裝備建立與艦艇上相同的操作環境，包括命令下達與回復、各操作崗位間的配合操作等。完成實際裝備訓練的學員就真正具備了裝備的操作管理能力。

學員必須要具備排除實際裝備發生故障的能力，但在實際裝備上設置故障比較困難，甚至有些故障無法設置，因此故障排除訓練主要在模擬操作設備上開展。模擬訓練設備具備故障設置功能，教員設置故障后，學員操作過程中會觸發故障，使設備呈現故障狀態，學員利用理論知識分析出所有可能的故障點，再用測量工具逐一測量相關電氣參數，綜合判斷，逐步定位出故障點，最終排除故障。

在實際裝備上進行維護保養訓練，可以營造出與實際工作時相同的操作環境，維護保養的方法、步驟及注意事項等與實際裝備也完全相同，掌握相關技能后，可以直接對艦艇實際裝備進行維護保養。

機電專業人員是保證艦艇完成使命任務的重要群體，院校和艦艇都非常重視機電專業人員綜合能力的培養。建設由上述四種類型訓練設備構成的實訓教學條件有助于系統培養、快速形成機電人員的專業能力。限于經費、場地等因素，可以針對裝備的特點，選擇建設某一種或某幾種訓練設備。