基于OBE理念的虛擬仿真“艦船焊接技術(shù)與實踐”教學改革

［摘 要］ 當前“艦船焊接技術(shù)與實踐”課程的實踐項目設(shè)置單一且未能緊跟新技術(shù)的發(fā)展，缺乏考查學生知識綜合運用能力與分工合作協(xié)調(diào)能力的綜合性實踐教學。針對這一問題，探索基于OBE理念，以虛實結(jié)合的教學模式將金屬增材制造技術(shù)實踐項目引入實踐教學，并與后續(xù)課程的專業(yè)知識融合，形成“類課程”式教學設(shè)計。有望同步解決金屬增材制造實踐項目風險高、成本高、能耗高、價值高的應(yīng)用瓶頸，并同時有效地激發(fā)學生的學習與探索興趣。

［關(guān)鍵詞］ OBE理念；艦船焊接；增材制造技術(shù)；虛擬仿真；實踐教學

［基金項目］ 2023年度海軍工程大學教學改革項目“基于新技術(shù)的‘艦船焊接技術(shù)與實踐’課程教學內(nèi)容構(gòu)建與虛實一體化教學改革研究”；2024年度海軍工程大學教育科研項目“基于OBE理念的艦船修造類課程虛實一體化融合式教學設(shè)計研究”（NUE2024ER43）；2024年度海軍工程大學教育科研項目“基于OBE理念的船舶與海洋工程專業(yè)課程體系構(gòu)建研究”（NUE2024ER16）

［作者簡介］ 聶小佳（1993—），女，湖北潛江人，工學博士，海軍工程大學艦船與海洋學院講師，主要從事艦船修造新工藝與增材制造工藝研究；彭 飛（1975—），男，湖北武漢人，工學博士，海軍工程大學艦船與海洋學院教授，主要從事艦船設(shè)計研究。

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0088-05 ［收稿日期］ 2023-10-30

引言

“艦船焊接技術(shù)與實踐”課程是船舶與海洋工程專業(yè)的主干必修專業(yè)課之一，是一門指導艦艇建造和修理的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有綜合性強、實踐性強、工程性強的特點。艦船焊接技術(shù)是船體裝配階段的關(guān)鍵技術(shù)，而船體裝配又是船舶建造的關(guān)鍵節(jié)點。可見，船舶建造的關(guān)鍵技術(shù)之一是船舶的焊接技術(shù)，船舶焊接質(zhì)量是評價造船質(zhì)量的重要指標，焊接效率與質(zhì)量直接影響了艦船建造和修理的周期。

實踐教學是艦船焊接教學體系中非常重要的環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學員工程思維和解決問題能力的重要抓手。現(xiàn)有的艦船焊接實踐項目中分配了大量的學時用于手工電弧焊技能訓練，且教學手段單一枯燥，僅是在焊工師傅的指導下反復練習焊接技能。目前，“艦船焊接技術(shù)與實踐”課程中存在以下問題：一是實踐教學內(nèi)容陳舊且枯燥，不利于學生的眼界與知識面的拓展；二是教學方法與手段單調(diào)，不利于提高學生的學習積極性和主動性。

近年來，增材制造技術(shù)在焊接修復領(lǐng)域受到極大關(guān)注。增材制造（Additive Manufacturing），又被稱作3D打印技術(shù)［1］。不同于傳統(tǒng)的減材（切削、銑削加工等）和等材（鑄造、焊接等）制造，3D打印技術(shù)利用三維切片數(shù)據(jù)就可在一臺設(shè)備上由程序控制自動地制造出復雜形狀的零件，實現(xiàn)設(shè)計、結(jié)構(gòu)、功能一體化成形。增材制造技術(shù)因其在生產(chǎn)和維修方面的突出優(yōu)點而成為美國國防領(lǐng)域最具價值的技術(shù)之一。因此，在艦船焊接技術(shù)的實踐環(huán)節(jié)中，必須增設(shè)增材制造領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容。此外，隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各類實踐教學活動中。

本課程的實踐教學部分教學改革是采用虛實結(jié)合的方式將金屬增材制造技術(shù)耦合入實踐教學活動中并優(yōu)化教學手段和方法，同步解決實踐教學內(nèi)容陳舊和教學手段單一的問題。

一、虛實結(jié)合實踐平臺建設(shè)

（一）建設(shè)背景

艦船裝備在使用過程中難免會出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，如果損壞的裝備不能及時得到維修或者更換，將極大地影響戰(zhàn)斗力，也就對裝備的應(yīng)急保障提出了更高的要求。傳統(tǒng)的維修保障方式是通過供應(yīng)鏈運往前線或大量備品備件。但是，現(xiàn)有的保障方式存在保障效率低下和零部件缺少或生產(chǎn)周期長等問題，難以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的新要求。因此，亟須引入新的維修制造技術(shù)以解決生產(chǎn)周期長的問題。

長期以來，美國海軍一直十分重視增材制造技術(shù)在艦船裝備保障領(lǐng)域的應(yīng)用。對海軍而言，為船上的每個系統(tǒng)都攜帶替換零件是不現(xiàn)實的，并且很難預測零件是否或何時會發(fā)生故障。增材制造提供了一個靈活的供應(yīng)來源以制造零件，而無須通過訂購。特別是對于處于供應(yīng)鏈遠端的軍艦來說，按需打印維修零件可以節(jié)省時間、降低成本，并降低攜帶大量零件庫存的需求（圖1）。近年來，美國海軍一直在艦艇和潛艇上使用聚合物塑料打印機，但只能制造相對較小的塑料零件。現(xiàn)今，美國海軍已經(jīng)在軍艦和潛艇上安裝了兩種不同的金屬3D打印機，即西海岸的鋁制系統(tǒng)和東海岸的不銹鋼系統(tǒng)。2022年7月，施樂液態(tài)金屬3D打印機被安裝在美軍黃蜂級兩棲攻擊艦第2號艦上——這是美國海軍艦艇上部署的第一臺金屬增材制造裝備（圖2）。2023年8月，美軍“巴丹”號兩棲艦（LHD-5）使用艦船上裝備的3D打印完成了受損部件的即時修復，這為海軍節(jié)省了約40萬美元的維修費用，同時將零部件的修復等待時間縮短到了五天。

激光增材制造技術(shù)是激光束聚焦到金屬材料的粉末床上，使其局部加熱并熔化，采用細微聚焦光斑的激光束成形金屬零件，通過控制激光束的方向和強度，精確地控制材料的熔化和凝固，成形的零件精度較高，表面稍經(jīng)打磨、噴砂等簡單后處理即可達到使用精度要求并裝配使用。成形零件的力學性能良好，一般拉伸性能可超鑄件，達到鍛件水平。

緊跟艦船裝備的全球發(fā)展步伐對于提升本課程授課質(zhì)量至關(guān)重要。唯有緊握該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢、新方法和新技術(shù)的應(yīng)用前景，方能更好地拓寬學生的視野，提高他們的崗位任職能力。因此，將基于金屬粉末的激光增材制造技術(shù)引入“艦船焊接技術(shù)與實踐”課程中，不僅能夠使學生更好地了解當前艦船制造領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展，還能夠激發(fā)他們創(chuàng)新實踐的熱情，使其成為能夠適應(yīng)未來艦船裝備領(lǐng)域發(fā)展需求的人才。

（二）建設(shè)方案

1.部署金屬增材制造系統(tǒng)。典型激光粉末床熔融成形設(shè)備主要包括光路系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)四個部分。光路系統(tǒng)包括激光器、準直擴束模塊、聚焦掃描模塊等。激光出射后經(jīng)過準直、擴束、聚焦、振鏡掃描傳輸?shù)酱庸て矫妫湓O(shè)計是否合理直接影響到掃描精度。通過軟件對控制卡發(fā)出命令實現(xiàn)對激光器、振鏡以及運動系統(tǒng)的控制。運動系統(tǒng)包括成型缸和送粉缸的上下運動裝置以及送粉裝置等。氣氛控制系統(tǒng)是保證成形腔室內(nèi)充滿保護氣體（氬氣、氮氣、氦氣等）降低腔室的氧含量，以保證激光熔化金屬粉末的過程中不出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，這樣成形制件的性能才得以保證。為了保證該設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，還須配套穩(wěn)壓電源、冷干機、空壓機、防爆吸塵器、篩粉機、烘干機、D類金屬專用滅火器等輔助設(shè)備，組成激光粉末床熔融成形系統(tǒng)（圖3）。

金屬增材制造使用的主要原材料為金屬粉末，制備金屬粉末的主要方法有機械破碎法、霧化法、還原法、電解法、氫化脫氫法等。其中，霧化法中的氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法和等離子霧化法可制備球形金屬粉末，并且粉末的化學成分均勻、氧含量低、球形度高，尤其適用于金屬增材制造，而球形金屬粉末特性也成為決定成形制件性能的先決條件。逐層堆積是激光粉末床熔融成形的特點，粉末層厚度會對制件性能產(chǎn)生影響。而粉層厚度與粉末粒徑是密切相關(guān)，粉末粒徑過小會出現(xiàn)粉末團聚現(xiàn)象導致鋪粉不均勻，粉末粒徑過大會導致熔化不徹底，層間結(jié)合力弱。因此，所采用的金屬粉末不僅要求是球形粉末，還要求在一定的粒徑范圍內(nèi)。這就意味著金屬粉末的制備成本大幅度提高。

本設(shè)備所需原材料是粒徑在15～53 μm之間的球形金屬粉末。由于金屬粉末十分細小，取用金屬粉末時需要佩戴3M防塵半面具防止粉塵吸入，同時金屬粉末比表面積大、活性大，處理鋁合金和鈦合金時還必須身著防靜電服，具有一定的危險性。

可見，擬開設(shè)的金屬增材制造技術(shù)實驗項目屬于高風險、高成本、高能耗、高價值的“四高”實驗項目。

2.建設(shè)增材再制造虛擬仿真實驗室。采用傳統(tǒng)實驗教學模式開設(shè)金屬增材制造相關(guān)實驗項目存在明顯不足：首先，由于激光粉末床熔融成形系統(tǒng)的成本高，目前只能部署一臺套，導致無法滿足每名學生均參與實踐上機操作的需求；其次，該系統(tǒng)的操作復雜，必須經(jīng)過多個學時的專業(yè)操作培訓方可上機操作，目前的教學學時有限，無法在課堂上完成操作培訓的教學任務(wù)，進而導致學生無法上機操作；最后，實踐過程中涉及粉末清理具有一定的危險性。因此，亟待尋找一個新的實踐途徑解決上述問題。

2013年8月，教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知》［2］，2019年10月，《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》同樣提出，要通過建設(shè)虛擬仿真實驗教學項目著力解決真實實驗條件不具備或?qū)嶋H運行困難，涉及高危或極端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題。虛擬仿真實驗教學已成為現(xiàn)有教學的重要補充，為實踐教學注入了更豐富的手段。

本課程團隊根據(jù)“艦船焊接技術(shù)與實踐”課程的實踐教學要求，采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的可在網(wǎng)上開展的虛擬實驗，在虛擬仿真管理平臺支撐下，通過瀏覽器（基于B/S架構(gòu)）使用的實驗資源，課程模擬真實實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗對象與實驗環(huán)境（圖4）。結(jié)合繪圖建模、動畫模擬、人機交互、計算機網(wǎng)絡(luò)等手段，以二維和三維相結(jié)合的方式，形象、生動、有趣地展示教學實驗中涉及的實驗前準備、實驗過程、結(jié)果檢測等內(nèi)容，體驗感強，可以身臨其境地進行細節(jié)操作，并且不受時間和空間的限制，能夠反復進行實驗和學習。開發(fā)完成的“增材再制造虛擬仿真實驗軟件”，解決了實驗項目中的“四高”和實驗設(shè)備不足的問題。虛擬實驗與真實實驗室相互補充，能夠做到優(yōu)勢互補。虛擬實驗是基于原型專業(yè)知識體系，實驗者通過計算機界面進行操作控制，可以像置身在真實場景中進行各種預定的實驗項目，體驗實驗全過程。

二、虛實結(jié)合實踐項目教學設(shè)計

基于“以學生為中心，成果導向教育”的教育理念，建立一種新型的實驗教學體系，旨在充分調(diào)動學生的學習激情，提高其實際操作水平，并鞏固專業(yè)教學成果。這一體系將采用虛擬仿真實驗場景，具有“動態(tài)更新、貼近實際、虛實結(jié)合、以虛補實、能實不虛”的特點。通過這種創(chuàng)新的教學方式，進一步促進教學質(zhì)量提高，并最終解決增材制造新技術(shù)實驗所面臨的諸多局限性（如“四高”和設(shè)備不足等問題）以及傳統(tǒng)焊接實踐訓練枯燥無趣的痛點。

針對以上特點，將OBE理念引入金屬增材制造虛擬仿真實驗教學中，主要是基于三個方面的考量：首先，OBE理念強調(diào)的是培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)和實際能力。這意味著實驗教學過程中，不僅要求學生掌握金屬增材制造相關(guān)的理論知識，更重要的在于運用知識解決問題。通過引入OBE理念，教學過程更加注重培養(yǎng)學生的實際操作能力和創(chuàng)新思維，使其具備運用相關(guān)專業(yè)技能解決實際工程問題的基本素養(yǎng)。其次，OBE理念還注重教學目標的明確和評估的全面性。在實驗教學中引入OBE理念，可以幫助教師明確教學目標，并設(shè)計相應(yīng)的評估方式，以確保學生在實踐操作能力、創(chuàng)新能力和問題解決能力等方面都能得到全面發(fā)展。通過對學生所學成果的全面評估，可以更好地了解學生的學習情況，及時調(diào)整教學方法和內(nèi)容，提高教學質(zhì)量。最后，通過鼓勵學生開展自主學習、團隊合作等方式，積極參與到實驗操作中，培養(yǎng)其自主學習的能力和團隊協(xié)作精神。

OBE教育理念聚焦學生完成過程性學習后的最終學習成果，以成果為目標導向，教師基于此構(gòu)建課程體系［3-4］。通過反向設(shè)計引導設(shè)定教學目標，制定具有挑戰(zhàn)性的執(zhí)行標準，教學過程以及評價工作都以最終成果為基準來設(shè)計與實施，以鼓勵學生深度學習，促進更成功的學習，使得學生在學習過程中能充分明確自己的目標，知道自己已經(jīng)獲得了哪些成就，還需要在哪些方面繼續(xù)努力。基于OBE理念開展教學內(nèi)容的設(shè)計。首先向?qū)W生輸入知識背景，明確本次實驗的目標；其次，教師的“教”為引導、學生的“學”為核心，通過研討和虛擬仿真實驗平臺自學掌握增材制造技術(shù)的定義、原理、特點、方法與操作要點；最后是學習產(chǎn)出評價，學生分組合作完成應(yīng)急備件制造的方案制定并完成該備件的快速制造，如圖5所示。

三、綜合實踐教學改革的下一步工作

在增材制造技術(shù)用于備件快速制造與修復的基礎(chǔ)上設(shè)計一大型綜合演練實踐項目。該綜合演練可設(shè)定多個任務(wù)模塊，學生分組配合完成戰(zhàn)損船只的搶修，不僅考查學生的專業(yè)知識水平，還能夠檢驗學生的組織、協(xié)調(diào)、應(yīng)變與指揮能力。另外還須加強虛擬訓練系統(tǒng)的使用，探尋虛實融合、實中有虛、虛中有實的耦合方法與策略，將OBE與CDIO模式結(jié)合［5-6］，創(chuàng)新性地設(shè)計綜合演練實踐項目，提高學生的創(chuàng)新思維能力、解決問題的能力，提高畢業(yè)學生的能力認可度。

結(jié)語

將新技術(shù)以虛實結(jié)合的方式引入“艦船焊接技術(shù)與實踐”課程中，并以O(shè)BE模式設(shè)計出小型綜合實驗，既解決了傳統(tǒng)實踐項目陳舊、教學手段單一、教學形式枯燥的問題與新技術(shù)的“四高”問題，又有效提高了學生學習的主觀能動性，鍛煉了思維能力、知識的綜合運用能力、溝通與合作能力。虛擬訓練系統(tǒng)的應(yīng)用，在理論教學與實踐教學的有機結(jié)合上進行了初步探索，解決了理論與實踐結(jié)合不緊密的問題，做法與經(jīng)驗可供以后開展進一步教學改革參考。

參考文獻

［1］聶小佳，王中，朱志潔，等.3D打印技術(shù)在“艦艇修造工藝”課程教學中的應(yīng)用與探索［J］.教育進展，2022，12（11）：4740-4747.

［2］關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知：教高司函〔2013〕94號［A/OL］.（2013-08-13）［2021-11-05］.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201308/t20130821_156121.html.

［3］張旺，陳云霞，郭彥兵，等.基于OBE理念的焊接工程技術(shù)專業(yè)生產(chǎn)實習復合模式探究［J］.教育教學論壇，2020（11）：47-48.

［4］溫飛娟，龍樟，周培山.基于OBE理念的混合式教學改革［J］.中國冶金教育，2023（4）：4-7，10.

［5］史強，陳革新，馬欣.工程教育模式在焊接實驗教學中的應(yīng)用［J］.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2022，5（19）：31-33.

［6］宋杰.基于CDIO理念的工業(yè)機器人虛擬仿真課程教學探索：以“馬鞍型”焊縫焊接仿真為例［J］.軟件導刊（教育技術(shù)），2019，18（7）：65-66.

Reform in Education of Virtual Simulation “Ship Welding Technology and Practice” based on OBE Concept： Taking Additive Manufacturing Technology as an Example

NIE Xiao-jia， PENG Fei， WANG Zhong， MOU Jin-lei

（Naval Architecture and Ocean Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan，

Hubei 430033， China）

Abstract： Currently， the practical project of Ship Welding Technology and Practice course is simplistic and fails to keep pace with the advancements in new technology. It lacks comprehensive practical teaching that assesses students’ ability to apply their knowledge comprehensively， as well as their skills in division of labor and coordination. To address this issue， we have introduced the concept of Outcome-Based Education （OBE） and integrated metal additive manufacturing technology into practical teaching through a virtual-reality teaching mode. This approach has been combined with subsequent courses’ professional knowledge to create a “analogy course” teaching design. Our aim is to simultaneously overcome the application bottleneck associated with high risk， high cost， high energy consumption， and high value of metal additive manufacturing practice projects while effectively stimulating students’ interest in learning and exploration.

Key words： outcome-based education; ship welding; additive manufacturing; virtual simulation; practical teaching