新工科背景下船體裝配實訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)探討

摘" 要" 新工科建設(shè)背景下，傳統(tǒng)課堂講解結(jié)合船廠參觀實習(xí)的船體裝配實訓(xùn)課程教學(xué)模式已無法適應(yīng)當(dāng)前船舶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和教育發(fā)展的要求。借助當(dāng)前先進(jìn)的計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)開展實訓(xùn)課程建設(shè)與改革，有助于解決船舶與海洋工程類專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)面臨的諸多問題，是培養(yǎng)具有科技創(chuàng)新思維、實踐能力以及國際競爭力的高素質(zhì)人才的必然趨勢。對船體裝配實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上論述虛擬仿真技術(shù)在船體裝配實訓(xùn)教學(xué)中的重要性，探討將虛擬仿真技術(shù)融入船體裝配實訓(xùn)課程的建設(shè)方法。

關(guān)鍵詞" 新工科；虛擬仿真教學(xué)；船體裝配實訓(xùn)；船舶與海洋工程

中圖分類號：G642.44" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）08-0044-04

Research on Virtual Simulation Teaching of Ship Assembly"Training Course Under Background of Emerging Engi-neering Education//YANG Yuntao， GAO Hui

Abstract" Under the background of Emerging Engineering Education， the traditional teaching mode of classroom teaching combined with visiting shipyard for Ship Assembly"Training course can not meet the requirements of current ship-building industrial structure and educational development. The construction and reform of this practical training course with the help of the current advanced virtual simulation tech-nology is an inevitable trend to solve the problems in practi-cal training teaching of Naval Architecture and Ocean Engi-neering speciality and cultivate high quality talents with inno-vation thinking， practical ability and international competiti-veness. In this paper， we first analyze the problems existing in"the practical teaching of ship assembly training course. Then，"the importance of virtual simulation technology in the teach-ing of ship assembly training course is discussed. Finally， the construction method of integrating virtual simulation techno-logy into ship assembly training course is discussed.

Key words" emerging engineering education; virtual simula-tion teaching ; ship assembly training; naval architecture and ocean engineering

0" 引言

在新一輪的科技、產(chǎn)業(yè)革命背景下，教育部提出在高等學(xué)校推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展戰(zhàn)略[1-2]。新工科對學(xué)生的科技創(chuàng)新思維、實踐能力以及國際競爭力等提出前所未有的高要求，它的內(nèi)涵除了在新技術(shù)革命背景下產(chǎn)生的新工科型專業(yè)（如智能科學(xué)與技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、云計算、區(qū)塊鏈等相關(guān)工科專業(yè)）外，還包括對傳統(tǒng)專業(yè)的升級改造[3]。船體裝配實訓(xùn)作為高等學(xué)校船舶與海洋工程類專業(yè)的核心課程之一，旨在使學(xué)生在完成專業(yè)理論知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過實訓(xùn)掌握船體裝配的工藝知識和基礎(chǔ)技術(shù)，熟悉裝配的基本流程[4]。該課程實踐性強(qiáng)，存在成本高、安全風(fēng)險大以及難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果等問題。在新工科發(fā)展戰(zhàn)略的驅(qū)動下，計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)為解決當(dāng)前船體裝配實訓(xùn)課程建設(shè)和發(fā)展中存在的問題提供了一個新的方向。

虛擬仿真技術(shù)作為一種人機(jī)接口技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種技術(shù)融合的新興技術(shù)[5]，以仿真的方式通過計算機(jī)生成一個實時反映實體對象變化與相互作用的虛擬世界，在創(chuàng)新實訓(xùn)課程教學(xué)方式上具有很大的優(yōu)勢。針對傳統(tǒng)船體裝配實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題，借助虛擬仿真技術(shù)探索改革實訓(xùn)教學(xué)的方式，以提升實訓(xùn)教學(xué)的質(zhì)量，跟上新工科建設(shè)的步伐。

1" 船體裝配實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)存主要問題

1.1" 仍以傳統(tǒng)教學(xué)模式為主

目前，船體裝配實訓(xùn)課程教學(xué)模式以傳統(tǒng)課堂大量掛圖、生澀講解并配合船廠參觀實習(xí)為主，學(xué)生只是簡單地按照教學(xué)要求熟悉船體裝配的基礎(chǔ)知識和裝配過程。傳統(tǒng)課堂教學(xué)能加強(qiáng)科學(xué)方法和思想的教育，提供具體的教學(xué)信息，對學(xué)生理解船體裝配過程是必不可少的，但缺點(diǎn)是缺乏動感，學(xué)生只能被動接受知識，難以將理論知識與工程實際聯(lián)系起來，傳遞教學(xué)信息速度慢、效果差，無法吸引學(xué)生的注意力[6]。船廠的參觀實習(xí)雖然能夠比較直觀地展示船體裝配的具體流程，但是存在一定的安全隱患，場地的限制也會使多數(shù)學(xué)員不在最佳視角，影響學(xué)習(xí)質(zhì)量。另外，每輪船體裝配實訓(xùn)課程都會有船舶與海洋工程專業(yè)的幾十甚至上百名學(xué)生的參與，教師與學(xué)生間無法有很深入的互動，不利于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及達(dá)到既定的教學(xué)目標(biāo)。這種傳統(tǒng)的大班教學(xué)模式既不能保證教師在教學(xué)過程中掌握所有學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，也難以滿足不同學(xué)生的需求。

1.2" 實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容不夠深入，教學(xué)效果差

傳統(tǒng)船體裝配實訓(xùn)教學(xué)活動大多是圍繞課程教材開展的，這些教材中的內(nèi)容大多已比較陳舊。隨著船舶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，現(xiàn)有的船體裝配實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容明顯滯后于造船技術(shù)現(xiàn)狀，難以滿足未來船舶工業(yè)發(fā)展的趨勢。如在裝配測量中，以全站儀為代表的先進(jìn)測量裝備已經(jīng)在國內(nèi)外的船廠中得到非常普遍的應(yīng)用，但在高等學(xué)校校船舶與海洋工程專業(yè)的船體裝配實訓(xùn)課程中的應(yīng)用還沒有開展起來[7]。此外，目前船體裝配實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容缺乏新技術(shù)、新工藝項目案例，創(chuàng)新性和實用性等都需要提高。實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容只有不斷推陳出新，基于企業(yè)對人才技術(shù)、技能的需求進(jìn)行設(shè)計，才能培養(yǎng)出符合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的人才；否則不僅會浪費(fèi)學(xué)生的時間和精力，更會導(dǎo)致所學(xué)知識與實際生產(chǎn)實踐脫節(jié)，難以滿足船舶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展需求。

1.3" 實訓(xùn)教師缺乏工程經(jīng)驗

船體裝配實訓(xùn)課程最為顯著的一個特點(diǎn)是實踐性強(qiáng)，因而這門課程的任課教師需要具有豐富的工程現(xiàn)場經(jīng)驗。然而，我國大部分高等學(xué)校的專業(yè)課任課教師是在博士畢業(yè)后直接進(jìn)入學(xué)校任教，沒有進(jìn)入相關(guān)企業(yè)工作的經(jīng)歷，普遍存在實際工程經(jīng)驗不足的現(xiàn)象。另外，國內(nèi)各個高校在教師培養(yǎng)和考核時，往往過度重視科研考核，而對教師的教學(xué)和工程實踐要求偏低。這就導(dǎo)致船體裝配實訓(xùn)課程任課教師很難將具體的船體裝配施工流程講解透徹和清楚，進(jìn)而增加學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容理解的難度，影響教學(xué)效果。

1.4" 實訓(xùn)成本高，存在安全性問題

船體裝配實訓(xùn)是一門實用型課程，學(xué)生親臨現(xiàn)場參觀實習(xí)并且自己動手操作是最好的教學(xué)方式。但是這些實訓(xùn)項目需要消耗大量的人力和物力，而很多高等學(xué)校（尤其是其中的職業(yè)學(xué)校）經(jīng)費(fèi)來源有限，存在經(jīng)費(fèi)不足的問題。這就導(dǎo)致船體裝配實訓(xùn)教學(xué)流于形式，學(xué)生難以有實際操作的機(jī)會，大多走馬觀花，無法掌握必需的工作技能，實訓(xùn)效果差。除此之外，船體裝配實訓(xùn)的現(xiàn)場實習(xí)會接觸到大量的機(jī)械設(shè)備，還存在一定的安全風(fēng)險。實訓(xùn)學(xué)生數(shù)量過多而教師配置不足，學(xué)生缺乏安全和防范危險意識等，都有可能誘發(fā)安全事故。

2" 虛擬仿真教學(xué)在船舶裝配實訓(xùn)中的重要性

上述船體裝配實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題，極大地阻礙了船舶與海洋工程專業(yè)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。近年來，計算機(jī)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展為解決這些問題提供了一個新的方向。在新工科背景下，探討虛擬仿真技術(shù)對船體裝配實訓(xùn)教學(xué)的影響具有重要意義。

2.1" 推動船體裝配實訓(xùn)教學(xué)改革

虛擬仿真技術(shù)具有觀賞和游戲的特征，能促進(jìn)船體裝配實訓(xùn)教學(xué)改革，推動實訓(xùn)教學(xué)方式創(chuàng)新，提高教學(xué)的趣味性和生動性。在新工科教育背景下，虛擬仿真技術(shù)被廣泛用于教育教學(xué)活動，極大推動了教學(xué)改革。船體裝配實訓(xùn)作為一門實用型課程，理論知識學(xué)習(xí)、實訓(xùn)操作與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，能夠使得教學(xué)活動更貼近企業(yè)現(xiàn)實工作場景，有助于學(xué)生在短時間內(nèi)進(jìn)入工作情境，真實地體驗在現(xiàn)實船廠中進(jìn)行船體裝配操作的感覺，提高學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮主觀能動性，改變被動學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，從而更快地掌握專業(yè)知識和操作技能。虛擬仿真技術(shù)在一定程度上能夠真實還原船體裝配實訓(xùn)流程，這對增強(qiáng)任課教師教學(xué)的規(guī)范性和嚴(yán)謹(jǐn)性也具有重要意義。

2.2" 增強(qiáng)船體裝配實訓(xùn)教學(xué)效果

傳統(tǒng)船體裝配實訓(xùn)教學(xué)主要通過播放視頻、現(xiàn)場演示等方式向?qū)W生展示分段裝配的具體流程。然而受場地條件的限制，在這一教學(xué)方式下，多數(shù)學(xué)員不在最佳觀察視角，學(xué)習(xí)效果較差；并且現(xiàn)場實際裝配教學(xué)還存在特殊工況難以呈現(xiàn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀察等缺陷。如果能夠利用虛擬仿真技術(shù)使學(xué)生通過交互式、沉浸式的方式參與船體裝配過程，不僅能夠使學(xué)生感覺置身其中，保證能在最佳視角觀察船體裝配以及激發(fā)自主操作的興趣，還可以幫助沒有及時掌握的學(xué)生利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行重復(fù)操作學(xué)習(xí)。此外，任課教師還可以結(jié)合具體的教學(xué)目標(biāo)，利用虛擬仿真技術(shù)立體、逼真地完成船體裝配實訓(xùn)的教學(xué)過程，大大增強(qiáng)實訓(xùn)教學(xué)的效果。

2.3" 降低實訓(xùn)教學(xué)成本，保證安全性

船體裝配實訓(xùn)的現(xiàn)場教學(xué)成本較高，而運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)模擬船體裝配過程的教學(xué)方式，既可以節(jié)約人力，又能節(jié)約物力，可以自由選擇上課時間和地點(diǎn)，實訓(xùn)資源的更新?lián)Q代只需在計算機(jī)中更新軟件即可，不消耗器材，降低實訓(xùn)教學(xué)成本。此外，在計算機(jī)上采用虛擬仿真技術(shù)模擬裝配過程，不受場地條件限制[8]，無須到船廠接觸實際設(shè)備，這樣就可以改變部分危險實訓(xùn)項目無法在現(xiàn)場開展的現(xiàn)狀，解決安全和實訓(xùn)間的矛盾，避免可能出現(xiàn)的安全問題，保證學(xué)生可以大膽放心地進(jìn)行實訓(xùn)操作[9]。

3" 虛擬仿真融入船體裝配實訓(xùn)課程建設(shè)方法

盡管虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為船體裝配實訓(xùn)教學(xué)提供了新方向、新方法，但目前基于虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行船體裝配實訓(xùn)教學(xué)的課程建設(shè)還處于初級階段，下面從更新教材、豐富教學(xué)案例、打造教學(xué)團(tuán)隊、引入先進(jìn)授課模式以及增加實際操作等方面探討課程建設(shè)方法。

3.1" 更新船體裝配實訓(xùn)教材

教材是教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的基礎(chǔ)，因此，選擇一本適合于船體裝配實訓(xùn)課程的教材是課程建設(shè)的首要任務(wù)。然而，目前船體裝配實訓(xùn)課程教學(xué)的教材都是基于傳統(tǒng)教學(xué)方式編寫的，對虛擬仿真技術(shù)鮮有涉及。在此背景下，更新船體裝配實訓(xùn)教材：通過調(diào)研實際船廠，參照船廠真實船舶建造的流程路線圖，根據(jù)已有的建模經(jīng)驗，構(gòu)建從鋼材進(jìn)廠到船舶下水的船舶制造、裝配虛擬仿真場景；采用調(diào)查訪問、查閱文獻(xiàn)資料以及歸納總結(jié)等方式，充分吸收和借鑒國內(nèi)外高校將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)的研究成果，將裝配實訓(xùn)教學(xué)和高等教學(xué)的特點(diǎn)結(jié)合起來，創(chuàng)設(shè)出最適合于船舶與海洋工程專業(yè)船體裝配實訓(xùn)要求的配套教材。

3.2" 豐富虛擬仿真教學(xué)案例

為了將虛擬仿真技術(shù)更好地應(yīng)用到船體裝配實訓(xùn)教學(xué)，達(dá)到特定的教學(xué)目的，應(yīng)當(dāng)建立滿足不同需求和層次的虛擬仿真教學(xué)案例庫，并在授課過程中應(yīng)當(dāng)結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，不斷完善和豐富教學(xué)案例。利用這些教學(xué)案例，一方面可以幫助學(xué)生了解相關(guān)工程問題和背景，另一方面可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.3" 打造專業(yè)的教學(xué)團(tuán)隊，引入先進(jìn)授課模式

利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行船體裝配實訓(xùn)教學(xué)，離不開深入了解裝配實訓(xùn)相關(guān)理論知識的經(jīng)驗豐富、實踐能力強(qiáng)的專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊。本課程在培養(yǎng)現(xiàn)有船體裝配實訓(xùn)任課教師虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用能力外，將推動高校與高校之間以及高校與企業(yè)之間的交流，了解國內(nèi)外知名機(jī)構(gòu)和企業(yè)在船體裝配教學(xué)及生產(chǎn)方面的最新動態(tài)。與此同時，引入更為先進(jìn)的教學(xué)手段。對于虛擬仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，除了必要的幻燈片、板書外，積極引入網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)、多媒體等進(jìn)行授課，將抽象的概念和問題直觀話、生動化，培養(yǎng)學(xué)生主動參與和思考的學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、自由度。

3.4" 增加虛擬仿真實操環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)船體裝配實訓(xùn)教學(xué)方式缺乏動感，傳遞教學(xué)信息速度慢，無法吸引學(xué)生的注意力，效果差。虛擬仿真技術(shù)能較為直觀地展示船體裝配的具體過程。因此，在裝配實訓(xùn)教學(xué)中可以增加虛擬仿真軟件的操作環(huán)節(jié)，讓學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求并結(jié)合實際工程案例，操作虛擬仿真軟件完成小組立裝配、中組立裝配、大組立合攏等工作，在課堂上就能夠體驗施工現(xiàn)場船體裝配的全過程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果，為將來工作做好技能儲備[10]。

4" 結(jié)束語

傳統(tǒng)船體裝配實訓(xùn)教學(xué)存在缺乏動感，傳遞教學(xué)信息速度慢、效果差，無法吸引學(xué)生的注意力，實訓(xùn)教師缺乏工程經(jīng)驗，實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容明顯滯后于造船技術(shù)現(xiàn)狀，成本高，具有安全風(fēng)險等問題。新工科背景下，計算機(jī)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展為解決這些問題提供了一個新的方向。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以在降低成本、保證安全的前提下增強(qiáng)教學(xué)的趣味性和生動性，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時，通過交互式、沉浸式的方式參與船體裝配過程，更高效地掌握專業(yè)知識和操作技能。但目前基于虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行船體裝配實訓(xùn)教學(xué)的課程建設(shè)還處于初級階段，還需要通過更新教材、豐富教學(xué)案例、打造專業(yè)的教學(xué)團(tuán)隊、引入先進(jìn)授課模式以及增加實際操作等方式不斷完善，以更好地適應(yīng)船體裝配的發(fā)展趨勢。

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作者：楊云濤，江蘇科技大學(xué)船舶與建筑工程學(xué)院，講師，研究方向為船舶水動力學(xué)；高慧，江蘇科技大學(xué)船舶與建筑工程學(xué)院，高級實驗師，研究方向為船舶力學(xué)（215600）。