船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革*

施 騫

（浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院 浙江舟山 316022）

前言

教育部早在2017年就計(jì)劃全國(guó)涵蓋60多個(gè)專業(yè)相繼建設(shè)完成1000多個(gè)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，并通過這些實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)以實(shí)現(xiàn)我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和信息化建設(shè)，但針對(duì)于船舶動(dòng)力裝置專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，在較多涉海大學(xué)中仍在建設(shè)和探索過程中。教育部同樣在一流本科課程建設(shè)規(guī)劃中也把虛擬仿真作為一個(gè)重要目標(biāo)，在2021年共建設(shè)了1500多國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。可以看出，國(guó)家大力支持高校建設(shè)專業(yè)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并在未來仍將把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室作為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的核心工程。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)主要包含兩個(gè)方面，一方面是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行三維模型的建立，反映的是仿真對(duì)象的物理特性和行為特征，側(cè)重的是外在的表現(xiàn)形式。另一方面是系統(tǒng)仿真技術(shù)，根據(jù)仿真對(duì)象的原理、結(jié)構(gòu)等抽象出知識(shí)模型、數(shù)學(xué)模型，從而真正反應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)兩者相輔相成。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬仿真系統(tǒng)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的兩個(gè)重要組成部分。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過三維建模技術(shù)構(gòu)建出仿真對(duì)象模型，進(jìn)而模擬仿真對(duì)象的表面特征、結(jié)構(gòu)特征、物理運(yùn)動(dòng)特征、表現(xiàn)形式等特性。另一方面，仿真系統(tǒng)能夠提取和獲得仿真對(duì)象的知識(shí)模型、數(shù)學(xué)模型、力學(xué)模型等，進(jìn)一步通過學(xué)習(xí)和模仿現(xiàn)實(shí)世界中仿真對(duì)象的基本規(guī)律。

相關(guān)文獻(xiàn)和書籍已經(jīng)發(fā)表了有關(guān)推進(jìn)裝置的虛擬仿真建模的研究，其中推進(jìn)動(dòng)力裝置主要是柴油機(jī)，通過建立燃燒模型、瞬態(tài)模型、容積法模型，重點(diǎn)分析熱傳遞特性，多缸柴油機(jī)的瞬態(tài)燃燒特性，氣缸燃燒特性，渦輪增加采油機(jī)燃燒特性等，這些研究均為船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真技術(shù)的研發(fā)和投入使用奠下扎實(shí)的基礎(chǔ)[1-4]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于內(nèi)燃機(jī)和柴油機(jī)系統(tǒng)仿真的研究也取得了相當(dāng)可觀的成果。《內(nèi)燃機(jī)工作過程仿真技術(shù)》書中詳細(xì)介紹了內(nèi)燃機(jī)的工作原理、基本理論和研究方法，以及如何開發(fā)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)。其中核心內(nèi)容主要包括柴油機(jī)燃燒過程、燃燒機(jī)理、多維燃燒等與柴油機(jī)整體性能的仿真建設(shè)方法，為后續(xù)內(nèi)燃機(jī)虛擬仿真技術(shù)的研究和開發(fā)提供了建設(shè)性的理論和非常完善的基礎(chǔ)介紹。大連海事大學(xué)孫建波教授為了改進(jìn)現(xiàn)有增壓器仿真系統(tǒng)的不足，以集裝箱推進(jìn)系統(tǒng)為虛擬仿真的主要模板，構(gòu)建了國(guó)內(nèi)外首批MAN B&W L90MC主機(jī)的零維仿真模型，為涉海專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)開創(chuàng)了先河。低速柴油機(jī)系統(tǒng)的非線性仿真一直存在技術(shù)難題，上海交通大學(xué)王長(zhǎng)林教授通過不斷試驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)研究成果開發(fā)了該條件下的柴油機(jī)虛擬仿真，并在3.5萬噸油船推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行仿真中得到了有力展示[5]。無獨(dú)有偶，大連海事大學(xué)王海燕博士，借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)動(dòng)力裝置虛擬仿真的諸多方法（平均值法、容積法、狀態(tài)空間方法等），構(gòu)建了輪機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)，能夠模擬多個(gè)型號(hào)柴油機(jī)的工作狀態(tài)[6]。

近年來，虛擬仿真技術(shù)備受青睞，高校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)均把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和裝備技術(shù)開發(fā)作為新型實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的核心工程。如波蘭UNITEST，挪威KONGSBERG，英國(guó)TRANSAS等諸多企業(yè)和機(jī)構(gòu)均把船舶動(dòng)力裝置的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)作為船舶實(shí)驗(yàn)室的必備項(xiàng)目。波蘭UNITEST公司自主開發(fā)了船舶機(jī)艙系統(tǒng)的三維仿真，船員能夠使用立體圖像的模擬軟件在機(jī)艙實(shí)際訓(xùn)練中進(jìn)行非常真實(shí)的學(xué)習(xí)和探索機(jī)艙的基本操作。挪威KONGSBERG和英國(guó)TRANSAS也都推出了自己的相關(guān)機(jī)艙虛擬產(chǎn)品，功能和技術(shù)大同小異，主要包括漫游、巡查和操作，主要存在的技術(shù)難題還是在二維和三維建模上[7-8]。三維的交互操作對(duì)硬件和軟件的要求都要高。

結(jié)合我校“一流學(xué)科”建設(shè)、教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目、國(guó)家卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計(jì)劃改革項(xiàng)目試點(diǎn)高校，國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心等平臺(tái)。以本次申報(bào)為契機(jī)，進(jìn)一步加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)全方位合作，積極爭(zhēng)取引入企業(yè)的設(shè)備和技術(shù)等相關(guān)資源，進(jìn)一步深化教學(xué)改革，利用虛擬仿真技術(shù)，提升教育信息化水平，努力為學(xué)生工程實(shí)踐能力提升與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力發(fā)展平臺(tái)創(chuàng)造條件。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究?jī)?nèi)容

船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革應(yīng)全方位設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。主要包括：一是建設(shè)以我院本專業(yè)老師為核心的課改項(xiàng)目，為船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程提供課程所需素材和仿真課程腳本；二是邀請(qǐng)合作企業(yè)翰林匯為我院提供免費(fèi)的技術(shù)支持，共同開發(fā)基于船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，并且支持知識(shí)三維可視化編輯的工具軟件感知Studio，配合培訓(xùn)、指導(dǎo)教師完成三維仿真腳本和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的搭建。

實(shí)現(xiàn)教育手段現(xiàn)代化，并對(duì)其進(jìn)行推廣和創(chuàng)新，是開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的硬件基礎(chǔ)，也是提升學(xué)生課堂參與程度的關(guān)鍵。因此，應(yīng)依據(jù)學(xué)生的參與程度，對(duì)智能化的操作方式進(jìn)行劃分。一是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室智能操作。主要是指在特定的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，依據(jù)現(xiàn)代信息技術(shù)作為工具和手段，將其置于特定的船舶動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)中開展仿真實(shí)驗(yàn)。借助特定的虛擬軟件，“真實(shí)”地呈現(xiàn)出來，使學(xué)生在生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，深刻理解實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)知識(shí)，如量變知識(shí)、質(zhì)變知識(shí)。另外，在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師還應(yīng)緊緊圍繞學(xué)生的實(shí)際情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)自動(dòng)生成化學(xué)方程式，并在其中將船舶動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)過程中所需要的藥品的性質(zhì)、特點(diǎn)等全面地展示出來。二是在“真實(shí)”情境中，指導(dǎo)學(xué)生親自參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。教師要指導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)的情境中，遵循科學(xué)的實(shí)驗(yàn)流程，借助虛擬場(chǎng)景中的藥品、儀器等開展虛擬實(shí)驗(yàn)，在保證安全的前提下參與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。在虛擬情境中的學(xué)生選擇這種模式可以借助虛擬的實(shí)驗(yàn)器材展開各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)?，F(xiàn)如今，很多發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)校都已將“DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室等與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間進(jìn)行了深入融合。相關(guān)的科研單位應(yīng)加大研發(fā)工作，大力發(fā)展虛擬“實(shí)驗(yàn)”。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究方法

如何激發(fā)學(xué)生在虛擬仿真課程中產(chǎn)生非常濃郁的學(xué)習(xí)興趣和發(fā)揮主觀能動(dòng)性非常關(guān)鍵，要體現(xiàn)基本要求基礎(chǔ)上的研究與探索，凸顯高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探究的能力，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)新問題，在新問題中尋找解決方法。主要有以下要求和特點(diǎn)：

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容要突出學(xué)科專業(yè)特色，發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)，符合學(xué)校的定位及專業(yè)人才培養(yǎng)特點(diǎn)。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要符合客觀規(guī)律，有明確的科學(xué)依據(jù)。仿真模型有科學(xué)性、推演性和交互性。

3.實(shí)驗(yàn)過程要體現(xiàn)探究知識(shí)和解決問題，要有生生、師生互動(dòng)的教學(xué)機(jī)制；實(shí)驗(yàn)考核要突出對(duì)實(shí)驗(yàn)核心知識(shí)和能力要素的過程考核，以便評(píng)價(jià)學(xué)生的達(dá)成度，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生能力結(jié)構(gòu)分析，并達(dá)到以此基礎(chǔ)不斷持續(xù)完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。具有沉浸式、可視化、情境化教學(xué)效果。

4.一般的使用流程主要包括：場(chǎng)景塑造—促使學(xué)生積極主動(dòng)進(jìn)入構(gòu)建完成的教學(xué)模式—學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)和總結(jié)自我虛擬場(chǎng)景學(xué)習(xí)過程中獲得的基本感受。此教學(xué)方法能夠促使學(xué)生把具備的基本理論知識(shí)與實(shí)踐緊密結(jié)合，從而在虛擬實(shí)操中進(jìn)一步鞏固和加深理論知識(shí)的理解。這些是該教學(xué)模式的最大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，針對(duì)每位學(xué)生都會(huì)有多樣化的教學(xué)場(chǎng)景和應(yīng)用過程。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本模塊應(yīng)該包含以下多個(gè)方面：一是學(xué)習(xí)目標(biāo)，集中上課通過對(duì)各個(gè)學(xué)習(xí)模塊的介紹，使學(xué)生熟悉互動(dòng)模塊的學(xué)習(xí)目標(biāo)；二是前言和背景介紹，船舶動(dòng)力裝置的工程背景、機(jī)艙結(jié)構(gòu)工作原理、虛擬實(shí)操中的歷史知識(shí)和基本理論；三是實(shí)驗(yàn)?zāi)康模凰氖谴皠?dòng)力裝置的運(yùn)行；五是船舶動(dòng)力裝置運(yùn)行過程的動(dòng)畫結(jié)果；六是運(yùn)行后的相關(guān)理論公式計(jì)算和運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)；七是結(jié)果討論和分析；八是重復(fù)實(shí)驗(yàn)；九是實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫和格式要求。這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本模塊中最重要的一點(diǎn)是，學(xué)生要在每一個(gè)學(xué)習(xí)模塊中完成內(nèi)嵌的問題做出正確的答案，進(jìn)而評(píng)估學(xué)生對(duì)相關(guān)理論和實(shí)操的理解、掌握情況。該評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)允許暫停和暫存功能，以方便學(xué)生多次嘗試和多次練習(xí)。

在傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和器具、設(shè)備的局限性，還有時(shí)效性，必須以小組的形式進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)操，比如船舶動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)需要至少1.5個(gè)小時(shí)。本文將推出一種新型的實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后互動(dòng)學(xué)習(xí)模塊，可以更加聚焦實(shí)驗(yàn)全班進(jìn)行討論學(xué)習(xí)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前通過實(shí)驗(yàn)前模塊學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)流程、實(shí)驗(yàn)的必備條件和工具，而后高效進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)。已做過實(shí)驗(yàn)的學(xué)生與未做過實(shí)驗(yàn)的學(xué)生同時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)后互動(dòng)模塊，通過相互交流，完善注意事項(xiàng)，同時(shí)鞏固理論、確認(rèn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)后互動(dòng)模塊可以采用Computer Assisted Learning（CAL）即計(jì)算機(jī)輔助學(xué)習(xí)。CAL有很多優(yōu)點(diǎn)：一是很多船舶動(dòng)力裝置在燃燒的過程中材料準(zhǔn)備價(jià)格高、有安全問題、工況不易重復(fù)等；二是提升學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)熱情；三是學(xué)生可以隨時(shí)暫停和暫存自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容，不拘泥于實(shí)驗(yàn)課時(shí)間；四是教師能夠分析和監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)時(shí)間；五是可以解決真實(shí)大型機(jī)械和動(dòng)力裝置的場(chǎng)地和建設(shè)成本問題。當(dāng)然，虛擬仿真和CAL并不能完全替代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前期培訓(xùn)和后期復(fù)習(xí)、反復(fù)演練的手段進(jìn)行使用。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究意義

對(duì)教學(xué)的重要意義：通過對(duì)船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，能夠使船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加具有主觀能動(dòng)性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、參與實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)的積極性，為常規(guī)試驗(yàn)教學(xué)課程提供更便捷的服務(wù)。在此項(xiàng)目成果的支撐下，使學(xué)生能夠充分利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間更多地掌握試驗(yàn)原理、儀器設(shè)備的操作、數(shù)據(jù)處理的方法，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正等。

對(duì)科研工作的重要意義：通過對(duì)船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，能夠使科研項(xiàng)目的實(shí)施更為便利，科研團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)的相應(yīng)軟件對(duì)試驗(yàn)設(shè)備有更深的了解，大大縮短實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備的時(shí)間、試驗(yàn)時(shí)間，減少不必要資源的浪費(fèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，使科研結(jié)果更具參考價(jià)值。

本項(xiàng)目可產(chǎn)生的社會(huì)效益：與企業(yè)共同建設(shè)基于三維建模、VR等技術(shù)的船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成省、國(guó)家級(jí)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程平臺(tái)的對(duì)接，雙方配合開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定工作，開展認(rèn)證虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的認(rèn)定工作，為高校船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展起到良好的推動(dòng)作用。

結(jié)語

本文針對(duì)船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革方面提出了高校建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的主要內(nèi)容、研究方法、研究意義。指出：一是課程建設(shè)應(yīng)以相關(guān)專業(yè)老師為核心設(shè)立課改項(xiàng)目，為船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程提供課程所需素材和仿真課程腳本；二是聯(lián)合相關(guān)企業(yè)為高校教師提供技術(shù)支持和技術(shù)培訓(xùn)，共同開發(fā)基于船舶動(dòng)力裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，并且支持知識(shí)三維可視化編輯的工具軟件感知Studio，配合培訓(xùn)、指導(dǎo)教師完成三維仿真腳本和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的搭建；三是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容要突出學(xué)科專業(yè)特色，發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)，符合學(xué)校的定位及專業(yè)人才培養(yǎng)特點(diǎn)；四是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要符合客觀規(guī)律，有明確的科學(xué)依據(jù)。仿真模型有科學(xué)性、推演性和交互性。五是實(shí)驗(yàn)過程要體現(xiàn)探究知識(shí)和解決問題，要有生生、師生互動(dòng)的教學(xué)機(jī)制；六是改革的新教學(xué)方法能夠促使學(xué)生把具備的基本理論知識(shí)與實(shí)踐緊密結(jié)合，從而在虛擬實(shí)操中進(jìn)一步鞏固和加深理論知識(shí)的理解。這些是該教學(xué)模式的最大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，針對(duì)每位學(xué)生都會(huì)有多樣化的教學(xué)場(chǎng)景和應(yīng)用過程。