船舶與海洋工程專業虛擬仿真實驗平臺建設及教學策略探究

常海超 馮佰威 詹成勝

摘? 要：隨著我國現代教育事業的持續發展，高校也進入了教育改革的全新階段。在各種現代信息技術的支持下，我國高等教育改革取得階段性成就，同時各種現代信息技術在教育領域中的應用價值也得到體現。其中虛擬仿真技術具有較強的模擬性，在實驗教學中發揮巨大的影響，解決傳統實驗教學無法解決的諸多問題。船舶與海洋工程專業主要培養適應我國海洋工程發展的高水準專業型人才，通過實驗能夠有效培養本專業人才的創新能力、實踐能力、問題解決能力，使其更好地適應行業發展。基于船舶與海洋專業實驗教學中存在的諸多不足，該文將對虛擬仿真實驗進行概述，虛擬仿真實驗在船舶實驗教學中的應用優勢，整合傳統實驗模式中存在的問題，站在虛擬仿真實驗平臺建設和虛擬仿真實驗教學兩個方面提出實踐教學策略。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；船舶與海洋工程專業；平臺建設；教學實踐；問題分析

Abstract： With the sustainable development of modern education， colleges have entered a new stage of education reform. With the support of modern information technology， our higher education reform has made a stage of achievements， while the application value of modern information technology in education field has been demonstrated. Among them， virtual simulation technology has strong simulation， which has played a great influence in experimental teaching， and solves many problems that traditional experimental teaching can not solve. Shipbuilding and ocean engineering mainly cultivate high-level professional talents which adapt to the development of Marine engineering in our country. Through experiments， we can effectively cultivate talents' innovation ability， practice ability and problem-solving ability in this specialty， so as to better adapt to the development of the industry. Based on ships and Marine professional deficiencies existing in the experimental teaching， this paper will overview of virtual simulation， virtual simulation experiments in the experimental teaching， the application of ship advantages， integration of the problems existing in the traditional experiment mode， standing in the virtual simulation experiment platform construction， and virtual simulation experiment teaching two aspects of practice teaching strategies are put forward.

Keywords： virtual simulation experiment; ship and ocean engineering; platform construction; teaching practice; problem analysis

在現代教育事業發展中主要強調素質教育，旨在培養學生的創新能力、發展能力及實踐能力。在《中華人民共和國高等教育法》中明確指出現代高等教育要培養具有創新精神和實踐能力的高級專業人才。船舶與海洋工程專業教學過程中實驗教學是培養學生創新能力與實踐能力的主要途徑，受制于傳統教學中諸多不足，當前實驗教學中仍舊存在許多問題，實驗方法、實驗內容及實驗手段均有無法突破的壁壘，使得學生在創新及實踐能力方面存在缺陷。這不僅影響了船舶與海洋工程專業的人才培養質量，也不利于推動我國高等教育事業持續改革發展。虛擬現實技術的誕生為實驗教學提供了良好契機，船舶與海洋工程專業也可基于虛擬現實技術打造虛擬仿真實驗教學，突破傳統實驗教學中的不足，提高實驗教學質量，有效培養學生的實踐能力、創新能力。

一? 虛擬仿真實驗概述

虛擬現實實驗綜合了虛擬現實技術、多媒體技術、人機交互技術、大數據庫和網絡通信技術等重要信息技術。主要技術包括，一是多媒體技術，負責對文本、圖像、動畫、聲音和視頻等信息進行綜合處理，打造生動逼真的二維或三維實驗場景，并建立邏輯關系，使實驗場景更加生動直觀，在理論教學與原理演示中具有積極的應用價值。二是人機交互技術，指的是利用計算機技術進行信息輸入與輸出，實現人與計算機之間的對話。如利用穿戴設備進行沉浸式體驗，讓人體在虛擬空間中與計算機進行交互，最終強化人體體驗。三是可視化技術，指的是將大量實驗數據或信息數據以圖像或圖形的方式展現出來，深度剖析展示實驗原理及實驗過程。四是仿真技術，基于控制論、系統論及信息技術，利用計算機和相應設備打造虛擬裝備，為人體帶來視覺、聽覺、觸覺等多個方面的真實體驗，有效強化人機交互，提高虛擬仿真實驗的真實性和體驗感。五是虛擬現實技術，指的是運用計算機三維圖形和圖像處理加強計算機傳感與人機交互，為使用者提供觀察虛擬世界與虛擬世界進行交流的人機界面，使其更加深刻地參與和探索虛擬仿真實驗環境中的實驗變化，最終產生沉浸感。六是搖現技術，指的是利用手機、電腦、無線網絡及可視化技術，將人體所處的真實場景與實驗環境有效融合，強調虛擬場景與現實場景的交互，目前這一技術主要應用于遠程協同實驗。

以上包含了虛擬仿真實驗所運用的信息技術。虛擬仿真實驗這一概念最早由美國提出，美國科羅拉多大學采用的交互式模擬仿真實驗為學生提供了高仿真的模擬環境，使其直觀地了解物理特性。我國虛擬仿真實驗起步較晚，但近年來發展迅速，我國多所高校相繼開設了虛擬仿真實驗平臺和實驗教學系統。目前虛擬仿真實驗在物理、化工、機械和醫藥等領域均有廣泛應用，突破了實驗器材昂貴、實驗過程復雜的現實瓶頸，解決了因諸多條件受限而不能參與實驗過程的實際問題[1]。利用虛擬仿真實驗能夠代替實際實驗為使用者提供開放性、綜合性的實驗平臺及實驗數據，強化實驗體驗。

二? 虛擬仿真實驗在實驗教學中的應用優勢

（一）? 提高實驗教學的可操作性

虛擬仿真實驗是基于虛擬現實技術為學生打造高仿真的模擬實驗環境，讓學生在模擬實驗環境中體驗真實的實驗過程。此時能夠有效突破傳統實驗環境中的諸多限制，提高實驗過程的可操作性，幫助學生進一步驗證自己的理論知識。如虛擬仿真實驗可以在原有的標準和指導下，讓學生依照自己的理論儲備和實驗經驗展開實驗操作，無需擔心實驗失敗造成的諸多不良影響，同時又給學生提供了探索多種可能的機會[2]，有利于培養學生的創新能力和基本素養。

（二）? 完善實驗基礎設施

虛擬仿真實驗能夠有效突破傳統實驗環境中器材不足和環境不足的實際問題，為學生打造多種實驗場景，幫助學生在不同的使用場景中進行實驗，一方面有利于提高實驗環境的多樣性，另一方面也能夠幫助學生學習操作各種實驗器材，提高實驗教學的專業性。同時在虛擬仿真的實驗環境下也可以幫助學生完成現實條件不可能完成的各種實驗活動，強調學生在實驗教學時獲得的良好體驗和經驗累積，有利于促進學生在未來的學習與工作中適應多樣化的實驗環境。

（三）? 提供多樣化交互環境

實驗教學不僅是為了讓學生掌握基本的實驗原理和實驗過程，還需要讓學生適應各種實驗環境，獲得基本的交互能力、合作能力。虛擬現實實驗能夠為學生提供不同的實驗場景并打造多樣化的實驗任務和協作對象。在此過程中學生能夠基于不同角色參與到虛擬實驗當中，并與實驗場景中的人物、器材、環境進行交互，為學生提供多樣化的交互環境，幫助學生適應不同的實驗環境，讓學生在實驗環境中掌握與他人合作交流的基本技巧，進一步強化學生的專業素養與社會能力。

（四）? 突破時間與空間限制

虛擬現實實驗主要是基于電腦、手機、多媒體等網絡技術展開，在實驗過程中既可以以班級為主體展開實驗教學，也可以以學生為主體展開個體實驗教學。同時在實驗環境選擇方面也更加靈活，既可以在班級中進行實驗教學，也可以在各種場景中進行實驗教學。這一實驗方法突破了時間與空間的限制，能夠有效利用各種現實場景或者是教學契機展開實驗教學，強調實驗教學的理論驗證特點，幫助學生及時進行理論知識驗證，培養學生科學嚴謹的實驗精神和實事求是的基本素養。

（五）? 節約模型實驗成本

在模型實驗過程中各種實驗儀器、實驗設備、實驗材料價格昂貴，嚴重增加了教學成本，再加上各種實驗條件的限制，也無法達到最佳的教學效果。在虛擬仿真實驗教學過程中各種實驗器械和實驗材料都可以重復使用，可以保障每一個學生都能參與實驗，體驗實驗過程。同時也有利于培養學生的實驗能力和探究能力，幫助學生在虛擬仿真實驗中獲得實驗經驗，進一步指導學生進行模型實驗，最終有效節約模型實驗成本，降低學生在模型實驗過程中的失誤率。

三? 船舶與海洋工程專業實驗教學中的不足

（一）? 學生實驗操作機會較少

在傳統的實驗環境中需要技術人員及教師進行實驗項目準備，所有的實驗設備及材料都需要由專業人員操作，學生在實驗時不僅實驗材料和實驗環境會發生很大的改變，而且還會給學生制定多項實驗規定，要求學生按照流程進行操作，這種實驗環境不利于培養學生的創新思維，學生只能按照操作流程“照葫蘆畫瓢”進行低配版實驗，學生的自主性和積極性嚴重受限。而且諸多條件限制也影響了學生的創新思維發展，不利于讓學生驗證自己的理論，使得實驗教學難以達到理想的教學成效。

（二）? 實驗安全隱患較大

在船舶與海洋工程實驗教學過程中，實驗儀器和實驗器材具有一定安全隱患，如學生操作不當，極有可能造成生命或財產安全隱患，這不僅會增加學校的教育成本，也會影響學生的學習質量。再加上學生對實驗安全知識的理解不夠透徹，缺乏良好的實驗安全意識，在實驗過程中極容易因為操作不當或其他細節疏忽造成實驗安全事故，嚴重影響學生的生命及財產安全。

（三）? 實驗運行維護成本高

在船舶與海洋工程專業實驗教學過程中各種儀器設備都是維持實驗教學的基本物質支持，而多數儀器設備價格昂貴，折舊率高，只有保障儀器設備的不斷更新，才能夠讓學生掌握前沿的技術，這是學校教育事業中一筆不小的教育支出，再加上很多學生不懂儀器設備的保養常識，在使用及管理過程中疏于維護，經常出現儀器設備故障，這不僅導致實驗耗材用量較大，同時還增加了實驗運行維護的成本。隨著成本支出的不斷增加，實驗教學的規模與次數也在不斷減少，嚴重影響了人才培養質量。

（四）? 實驗課程覆蓋率較低

在船舶與海洋工程專業教學過程中，基本上所學知識都需要通過實踐進行驗證，強化學生的理論基礎和知識水平。但是由于實驗成本、實驗環境等因素影響，實驗教學只能集中于部分疑難點教學，大部分知識難以通過實驗教學進行驗證，使得實驗課程覆蓋率較低，無法幫助學生將所有知識在實踐中獲得驗證與鞏固。尤其是設備以及知識更新較快，學校教材及實驗設備無法及時進行更新，難以讓學生根據當下研究熱點進行實驗，影響了學生的知識更新與專業成長，不利于培養符合行業發展的創新型高質量人才。

四? 船舶與海洋工程專業虛擬仿真實驗平臺建設

（一）? 多方協同，搭建虛擬仿真實驗平臺

虛擬仿真實驗平臺的建設直接關乎專業人才培養質量，為了培養出更多適應行業發展的高質量人才，在平臺建設時應與企業、政府、科研機構保持密切合作，根據當前的人才培養目標及行業發展需求建設實驗平臺。首先與虛擬現實研究類公司建立合作關系，基于本專業教學現狀搭建虛擬仿真實驗平臺，平臺中需具備虛擬仿真實驗、過程記錄、智能評分和交流評價等基本功能。其次應得到政府的大力支持，基于政府層面為虛擬仿真實驗平臺建設提供支持，如資金支持、政策支持、資源支持等方面，保障虛擬仿真實驗平臺符合教學要求，有利于為學生提供良好的實驗環境。最后應與研究院及其他兄弟學校展開合作，加強平臺資金投入及基本設施，基于同一標準及目標進行平臺建設，加大平臺資金投入，保障平臺能夠同時為學校及研究院提供服務，在滿足多方虛擬仿真實驗需求的同時減少學校在虛擬仿真實驗平臺建設中的成本，使平臺更好地服務于我國相關領域人才培養。

（二）? 合作共享，加強平臺資源更新

搭建虛擬仿真實驗平臺是為了給學生提供前沿的實驗環境，幫助學生在實驗的過程中掌握更高水平的專業技能。因此平臺建設之后應保障平臺資源實時更新，滿足船舶與海洋工程專業的人才培養需求。學校應與一線企業、兄弟學校及研究院保持密切合作，加強資源共享利用[3]。首先學校應和船舶與海洋工程專業領域的企業保持密切合作，根據企業的發展現狀進行平臺資源更新，保障平臺實驗資源能夠與現代企業發展有效吻合，強調應用型人才培養目標。其次學校需要與兄弟學校展開密切合作，加強資源共享，結合學校獲得的實驗資源和實驗方法進行平臺更新，使學校資源都能夠符合一線人才培養的實際目標，建立良好的人才培養環境。最后學校應與研究院保持密切合作，結合研究院目前研發的新技術、新設備進行實驗教學，保證平臺實驗資源能夠做到與時俱進，讓本專業學生都能夠及時了解行業的發展現狀及各種新技術的研發過程，培養出更多能夠引領行業發展的新型人才，有效提高人才的創新能力與發展能力。

（三）? 加強監管，組建平臺管理團隊

虛擬仿真實驗平臺的建設是為了完善船舶與海洋工程專業的實驗教學，為學生提供良好的實驗環境和實驗契機，為了保障平臺能夠長時間穩定運行，且適應現代人才培養及行業發展需求，必須要加強監管，組建平臺管理團隊。如構建三級分層平臺管理團隊，由政府介入，學校主導進行平臺管理，并在多方協同到前提下由企業、學校、研究院共同派遣專業人員進行平臺管理，組建相互監督、相互提升的高水準平臺管理團隊。在此過程中不僅能夠完善平臺管理質量，還能保證平臺更新與建設，使平臺更好地適應人才培養需求。最后還應對平臺管理人員制定完善的考核標準，監督管理人員的日常工作，平臺管理人員制定相應的獎罰措施，激發管理人員的自主性和積極性，使其能夠更好地服務平臺，提高平臺管理質量，促使平臺適應教育事業發展。

五? 船舶與海洋工程專業虛擬仿真實驗教學策略

（一）? 開展課堂實驗教學，加強理論驗證

在傳統的教學過程中實驗教學是培養學生專業能力的有效方式，但是目前本專業教學理論教學較多，實驗教學不足，導致學生的理論知識無法得到驗證，影響了綜合教學質量。基于仿真實驗平臺可積極開展課堂實驗教學，如在水動力實驗教學過程中，完成基本的理論知識教學之后可以讓學生基于流體力學原理利用仿真實驗教學平臺進行模擬實驗，通過數值建模解決問題。在仿真實驗時學生可以觀察實驗過程，得出實驗結論，直觀了解物理現象，促進學生鞏固知識。另外也可以利用實驗教學幫助學生學習理論知識，比如在學習海洋環境與結構物的相互作用時可以利用仿真實驗平臺為學生布置實驗作業，要求學生在平臺中進行模擬實驗，通過模擬實驗激發學生的學習興趣，幫助學生在后續的理論知識學習中分析實驗原理，總結自己的實驗過程，最后根據自己的理論學習成果再次進行實驗，不僅可以幫助學生鞏固知識，還能夠加深學生的學習印象，提高教學質量。

（二）? 展開沉浸式實驗，培養學生實驗能力

虛擬仿真技術具有較強的沉浸性，通過仿真實驗平臺能夠為學生搭建多樣化的實驗環境，讓學生進行沉浸式實驗。比如在水動力實驗過程中可以利用三維圖形建模技術建設可視化的實驗環境，實驗環境中應包含地形、地貌、結構物等基本模型，打造真實的海洋環境，要求學生在真實的海洋環境中利用自己所學的知識改變環境進行實驗，得出實驗結論[4]。在此過程中可以利用模型進行參數設置，幫助學生了解參數不同對實驗結果帶來的直接影響。另外也可以利用各種虛擬現實設備給學生打造更具沉浸性的虛擬實驗，如讓學生佩戴VR眼鏡、VR手柄進入到虛擬實驗環境當中，通過親自動手的方式改變實驗場景和實驗參數。比如在現代船舶設計制造試驗過程中可以通過仿真實驗平臺為學生搭建船舶設計制造工廠虛擬實驗場景，讓學生利用各種設備軟件進入到虛擬情境當中參與船舶設計與制造工程。通過這種方式有利于培養學生的動手能力，加強學生對實驗中各種注意事項的印象，培養學生的實驗能力與專業素養。

（三）? 布置課后實驗作業，培養學生自主學習意識

實驗教學是課堂教學的一種補充，實驗教學比例遠低于課堂理論教學[5]。仿真實驗平臺的建設使本專業擁有了完善的實驗教學基礎，可以將實驗教學貫穿于學生的整個學習生涯，除了在課堂教學中進行虛擬仿真實驗，也可以為學生布置課后實驗作業。利用平臺中的對外開放部分，讓學生以平臺用戶的身份使用平臺的實驗工具，幫助學生自主展開實驗學習，有效培養學生的自主學習能力和學習習慣。不僅能夠幫助學生掌握實驗技能和實驗方法，也能夠讓學生通過實驗了解自己在課堂學習中的不足，促進學生不斷自我提升，有效發揮課后作業的鞏固提升功能。

（四）? 開展虛擬實驗競賽，塑造學生創新能力

在本專業教學過程中一定要重點培養學生的創新能力和實踐能力，課內外實驗教學雖然有利于培養學生的實踐能力，但是并沒有針對性地培養學生的創新能力，因此可利用仿真實驗平臺進行虛擬實驗競賽，要求學生根據自己所學知識進行實驗，結合各種現象進行實驗規劃，將實驗設計、實驗目標、實驗過程和實驗結果記錄下來。仿真實驗平臺也能夠將學生的實驗過程以視頻或文件的形式保存下來用于參賽，在比賽正式開始時，可邀請船舶與海洋領域的專家及教師共同組成評審團隊，對學生的實驗過程及實驗結果進行評分，為學生提供相應的建議。一方面能夠培養學生的創新能力，發展學生的創新意識，促進學生在專業學習中獲得個性化發展。另一方面能夠讓學生自己參與整個實驗過程，培養學生的專業素養[6]。最終通過比賽評審了解學生的個人水平，為學生提供更加適合自身發展的專業建議。

六? 結束語

船舶與海洋工程專業是我國高等教育中的特色專業，由于本專業具有較強的實踐性和操作性，所以實驗是本專業教學中的重要組成部分，也是影響教學質量的重要因素。但是受諸多現實條件影響實驗教學質量并不理想。當前可依托于信息技術與政府、企業、研究院共同協作，搭建虛擬仿真實驗平臺為學生提供更加便捷的實驗環境。同時完善實驗教學設計，將實驗教學貫穿于學生的整個學習生涯，有效培養學生的實踐能力、創新能力，提高本專業人才培養質量。

參考文獻：

[1] 朱斌，吳亞東，靳淇超.機械CAD/CAM課程基礎理論虛擬仿真實驗教學系統[J].實驗室研究與探索，2022，41（6）：224-228.

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[3] 孫平平，李龍剛，王桂杰.智能制造虛擬仿真實驗教學體系的構建——基于“三維教評、思專融合”模式[J].科技視界，2022，12（19）：69-71.

[4] 高文曦.基于商科多科融合的虛擬仿真實驗教學平臺建設探究[J].中國現代教育裝備，2022（17）：50-52.

[5] 高永強，何沂沛.計算機虛擬仿真實驗教學平臺建設與實踐[J].軟件導刊，2022，21（8）：183-187.

[6] 張敏，周勇義，劉金庫，等.高校虛擬仿真實驗教學課程應用評價指標體系研究[J].中國現代教育裝備，2022（15）：1-6.