船海虛擬仿真實驗教學中心的建設與發展

馮 峰，孫 聰，曲先強

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

虛擬仿真實驗教學一直是國內學者關注和研究的熱點，早在“十一五”國家科技支撐計劃中便有虛擬實驗教學環境相關課題研究的重點項目。2013年8月，為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》精神，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，這一決定標志著我國對虛擬仿真實驗室的建設進入了規模化、系統化、標準化、可持續發展階段［1－2］。哈爾濱工程大學根據國家和教育部有關文件精神，以“科學規劃、資源共享、突出重點、提高效益、持續發展”為指導思想，組織開展船舶與海洋工程虛擬仿真實驗教學中心的建設，取得了顯著的成效。

1 建設的必要性

船舶與海洋工程（簡稱船海）類實踐性教學環節具有其特殊性，開展實驗教學面臨3個方面的難題：一是實驗室的大型設備與特種設備多，多功能深水池、船模拖曳水池、循環水槽以及結構多點協調加載系統等大型試驗設備操作復雜，設備運行消耗的能源大，每次上課前都要花費較多的時間講解如何操作使用設備，開展多班次大批量的本科實驗教學極為不便；二是我校地處哈爾濱，相比沿海城市高校而言，遠離船廠以及船舶設計單位，學生無法親自了解船舶設計與生產流程，專業實習又面臨著耗費資金大、外出時間長、組織協調困難、存在不安全因素等難題，實習效果較差；三是用于實驗的大型特種設備和深水池等實驗環境承擔涉密科研項目，部分實驗室屬涉密單位，為本科實驗教學帶來不便。

面臨以上種種困難，將虛擬仿真技術引入實驗教學便成為較好的解決方案。虛擬仿真作為一種通用技術，目前已應用于許多領域。基于虛擬仿真技術所開發的虛擬仿真系統，因其所固有的直觀性、高效性及經濟性，從發展之初就首先被應用到了教育培訓領域，尤其對真實實驗平臺無法開展的具有高危險性、大型綜合的復雜系統以及模擬真實實驗教學成本較高的系統，利用虛擬仿真技術可以有效解決當前實驗教學中所面臨的困難。

2 搭建虛擬仿真實驗教學平臺

船海虛擬仿真實驗教學中心以培養學生綜合設計和創新能力為出發點，建設與應用共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源，組建了以提高教學能力、拓展實踐領域、豐富教學內容、培養創新能力為目的的實驗教學平臺［3－4］。平臺由虛擬仿真系統軟件、工具軟件和虛擬仿真網站3個部分組成，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學平臺構成

該平臺具有如下功能：

（1）運行自行研發具有自主知識產權的虛仿系統，包括“虛擬船廠仿真系統”、“艦船操控模擬系統”、“結構設計實驗仿真系統”、“船舶智能查詢系統”，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真教學軟件系統

（2）運行船舶與海洋工程領域專用工具軟件，包括Tribon、Catia、Ansys、Fluent、AutoCAD等。

（3）船舶與海洋工程實驗教學中心網站，依托該網站，船海虛擬仿真實驗教學中心將虛擬軟件資源掛于網站運行，發布實驗教學信息，搭建了基于船海虛擬仿真實驗教學的信息化平臺。

3 虛擬仿真系統在教學中的應用

3.1 虛擬船廠仿真系統

該系統將一所現代化的造船廠完整地搬進了計算機中，廠房、設備、船塢、各種吊車、船舶等一應俱全，如圖3所示。系統真實再現了船舶企業以物流流動方向為導向的布局模式，近距離、多角度地觀察船廠的地理位置、布局、主要設備設施、生產過程和管理情況，使用者可以身臨其境地參觀和游弋，也可以進入車間內部觀察具體的零部件加工步驟和方法，近距離欣賞船舶制造的全過程。它沒有空間和時間的限制，解決了日常教學中缺少整體感官體驗，同時可提高學生的學習興趣。

圖3 虛擬船廠仿真系統效果圖

3.2 艦船操控模擬系統

該系統以船舶水動力學數學模型為核心，利用計算機仿真技術、網絡技術、系統集成技術和多媒體技術，實時再現船舶航行與海洋工程作業過程，如圖4所示。系統有助于提高訓練的質量、效益和安全系數，解決訓練周期長和訓練受氣候、環境等因素影響的難題，同時有助于減少實船訓練消耗，延長船艇使用壽命，對推進軍事訓練向基地化、網絡化、模擬化方式轉變起到積極的作用。

圖4 艦船操控模擬系統

基于該仿真平臺，可以開展水動力環境下船舶運動數學模型研究，對船舶操縱性能、船載設備性能等進行驗證與分析，被廣泛應用于仿真實驗、技能模擬訓練、海洋工程作業方案評估領域，具有成本低廉、安全、高效、環保等優點［5］。

3.3 結構設計實驗仿真系統

該系統以多點協調加載系統為應用對象，開發了數字化結構實驗三維視景仿真平臺，導入三維仿真軟件生成的實驗所需的各種部件、輔助工裝和結構實驗試件，實現方案設計與考核等功能。并可根據不同結構實驗的特點，隨時添加新型輔助工裝與各種實驗試件等，達到學生可以自行設計加載測試方案的目的，如圖5所示。

圖5 某船舶典型結構疲勞加載實驗方案

3.4 船舶查詢服務系統

本科生在畢業設計和課程設計過程中缺乏船舶設計的第一手資料，難以找到設計對象和參考資料，各種設計缺乏參考和驗證，這是困擾工程設計類人才培養的共性難題之一。船舶查詢服務系統共有完整的船型資料300余項，港口與碼頭工程資料近百項，該系統應用于我院本科實驗教學、大學生科技創新、本科畢業設計等教學活動，首頁如圖6所示。

圖6 船舶智能查詢綜合服務平臺

3.5 工具軟件

除了上述虛擬仿真軟件外，各個工具軟件，包括Tribon船體三維建模軟件、Catia船體三維建模軟件、Ansys船體建模與結構強度分析計算軟件、Fluent船體建模與流體力學分析計算軟件、AutoCAD船體制圖繪制軟件等也廣泛地用于實驗教學和課題研究，為學生提供了強大的學習手段與工具。

4 虛實并舉，互為補充

虛擬仿真系統并不是一味追求虛擬，不可能以虛仿代替所有的實驗項目。在虛擬實驗的基礎上，我們盡可能地讓學生接觸實際，充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則［6－8］。

為此我們總結出“5個相結合”：船廠實習與虛擬船廠相結合；三維模型設計制作與虛擬船廠相結合；流體力學實驗、船舶水動力實驗與艦船操縱模擬系統相結合；大型結構加載實驗平臺與結構設計實驗仿真系統相結合；船舶博物館船模與船舶智能查詢綜合服務系統相結合。其中有實物與虛仿結合，也有半物理模型與虛仿結合，這些結合方式虛實并舉，互為補充，為學生提供了安全、可靠、經濟、實用的綠色實驗項目。

作為范例，在虛擬船廠教學中，教師指導學生以大作業的形式設計某一作品，學生將設計方案導入到快速成型機打印成三維零件，再將三維零件組合成作品，使設計課程不再僅僅體現為抽象的圖紙，而是以模型作品再現學生的設計方案設計，完成作品如圖7所示。事實上，三維模型具有半物理仿真特點，虛擬船廠和半物理仿真結合，成為實驗教學改革的新特色。

圖7 學生設計完成的作品

5 建設成效

5.1 科研成果轉化為實驗教學

船海虛擬實驗教學中心圍繞教學與科研并重的方針，在建設實驗教學環節的同時也注重科學研究［9－10］。通過仿真平臺完成科研項目數十項，創造了豐碩的科研成果，依托科研項目已開發出數套科研設備用于實驗教學。例如艦船操控模擬系統即是由科研團隊研發出來并用于實驗教學；基于某型船所設計的艦船操控模擬系統直接應用于實驗教學；某船舶典型結構疲勞計算與實驗項目直接應用在結構試驗仿真典型項目中；某核電站蒸汽管道防甩件抗沖擊試驗直接應用在結構試驗仿真典型項目中。

5.2 改進教學模式

虛擬仿真教學使教學模式發生變化，學生可以更深入地理解相關課程的教學內容，打破時間和地域的限制完成相關實驗，同時可自擬、自選實驗題目，自行組織實驗，摒棄傳統的灌輸式教學方式，讓學生自主參與到教學中來，發揮學生的主動性和創造性［11－13］。自主探索的學習活動，可使學生的個性得到發展，創造能力得到提高，激發學生的學習興趣。

5.3 校企合作開發虛擬仿真資源

我院與船舶制造企業、科研院所具有良好的合作基礎，目前已與上海江南造船廠、廣船國際、中遠船務、中集煙臺來福士、江蘇熔盛造船、中國船舶及海洋工程設計研究院等多家單位積極聯合開發資源，取得了較好的效果。例如虛擬船廠仿真系統即是中心與有關船廠合作，以現代化的造船企業為背景制作的。中心將充分利用造船企業與設計院所在虛擬仿真方面的人才優勢與資源優勢，共同開發虛擬仿真教學資源，搭建全面的、可視化的虛擬仿真實驗教學仿真平臺。

6 結束語

船海虛擬仿真實驗教學中心通過統籌規劃、資源整合、重點建設，以現代化的教學手段拓展了實驗教學領域，豐富了實驗教學內容，提高了實驗教學水平。中心將以全面提高學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，始終堅持高標準、求一流的發展目標，發揮學校船舶與海洋工程學科專業優勢，使船海虛擬仿真實驗教學中心成為高顯示度的國家級實驗教學中心。

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