虛擬現實技術在航海類實踐教學中的應用研究

王利　鄭彤

摘要：本文論述了目前航海類實踐教學中的各種制約培養質量的因素，分析了虛擬現實技術的技術特點，以及虛擬現實技術應用于航海類實踐教學的各種優勢，并且就虛擬實踐訓練系統的開發流程進行了闡述。虛擬現實技術在航海類實踐教學中的應用，能夠進一步提高航海類學生實踐教學的質量。

關鍵詞：虛擬現實；航海類；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）44-0183-02

一、前言

2012年1月1日生效的STCW公約馬尼拉修正案和2012年3月1日實施的《中華人民共和國海船船員適任考試和發證規則》（簡稱11規則），對海船船員的職業資格標準提出了更高的要求。STCW公約馬尼拉修正案進一步強調緊密聯系實踐，重視實操評估和船上實訓環節。隨著船舶朝著大型化、快速化、專業化、現代化的方向發展，船舶輔助設備會越來越多，越來越先進，對海員的實踐要求必然越來越高。海船船員不僅要掌握公約規定的專業理論知識外，還要能夠對規定的船舶設備熟練操作，能夠排除各種故障，能夠對船舶設備進行正確拆裝操作，等等。為了提高船舶設備操作教學的質量，這些實踐性很強的科目，對于沒有實船實踐經驗的航海類在校學生以及航海類學校而言，都具有很大的挑戰。傳統的實踐教學受到諸多因素的影響，很難滿足學員熟練實踐操作的要求，因此將虛擬現實技術引入到航海類實踐教學的過程，能夠彌補傳統實踐教學的不足。

二、當前實踐教學現狀

當前國內眾多的航海院校，都開設有船舶設備實踐操作課程，都有船舶設備操作實踐的設備和場地，在實踐教學過程中，對于影響實踐教學質量的提高，學生實際操作能夠的增強，主要有以下幾個因素的影響。

1.實踐教學資源的限制。實踐教學要求有充足的設備讓學生能夠進行操作訓練，有充足的師資力量能夠在現場予以全程指導。雖然按照航海類學校的要求，航海類專業學校都有自己的船舶設備和場地，但是隨著招生人數的增加，設備的臺套數明顯不足，同時由于后期經費投入有限，設備存在維護不當、老化和故障損壞等各種情況，新要求規定的設備需要購買，等等，加劇了設備不足的狀態。

2.實踐教學內容的限制。在實踐教學環節，一般都是指導教師講授的設備正常工況下的操作要求，學生訓練的也是正常工況下的操作要求。對于故障狀態下的設備表現以及解決的辦法等，可能存在設備的損害和人員的傷害，不可能在實踐環節進行操作，實踐環節內容的限制使得教學范圍局限在一部分內容上。

3.實踐教學時間的限制。在實踐教學環節，學生只有在規定的課時范圍內，由指導教師講授和監督的情況下，才有可能對實機進行操作，并且最多只能保證每個學生都有幾次實機的操作機會。因為操作實踐較短，實踐學習和實踐考核中間隔的時間較長，使得很多學生課后對于設備的操作仍然是模糊狀態。實踐教學在時間上的限制也對學生的實踐教學產生了影響。

4.實踐教學安全的限制。船舶設備都是用電設備，而且功率很大，在操作過程中任何失誤都有可能造成設備損害或者人身傷亡。一般的船舶設備價格昂貴，一旦損害，需要大筆經費維修，同時也會影響后續其他人員的實際操作培訓，同時，設備的故障也會對操作人員造成意想不到的傷害，因此在設備實操過程中，指導教師必須全程在場監督，確保整個實踐教學環節的安全。

從以上的分析可以看出，目前實踐教學受到各種限制和約束，也有合理的成分在內。為了進一步提高和改善航海類學生實踐教學的效果和質量，可以考慮建立虛擬的船舶設備實操訓練系統。通過計算機虛擬現實技術，建立虛擬船舶設備的訓練場所，不用購買和維修現實世界中昂貴的產品，學生可以在虛擬訓練場中按照規定的章程來操作設備，對設備設置各種故障狀態，讓學生虛擬排除故障；建立虛擬拆裝過程，了解設備的內部結構的裝配過程；合理的規劃自己的學習時間，通過系統的考核功能驗證學習效果；可以反復訓練，不受時間和空間的限制。增加學生在實踐上操作的時間，提高學生的實踐技能，進一步提高海船船員的培養質量。

三、虛擬現實技術的特點

虛擬現實技術[1]（VIRTUAL REALITY，簡稱VR）是一種能夠高度逼真的模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的人機交互技術，它以獨特的沉浸性（Immension）、交互性（Interaction）和構想性（Imagination）特征，在仿真領域中得到了廣泛的應用。虛擬現實技術，通過利用計算機構建虛擬環境，產生逼真的三維視覺、聽覺和觸覺等感官世界，借助硬件設備，與虛擬世界的客體進行交互觀察，能夠有效模擬人在自然環境中的行為，使用者具有全身心的參與感和體驗感。

目前市場上虛擬現實系統的開發工具眾多，每種開發產品都具備共同的交互功能，也各有優勢。比較常用的開發工具有[2-5]以下幾種。

1.VRP，中國獨立自主研發的一款虛擬現實開發軟件，該軟件操作簡單，費用低廉，打破了國外虛擬現實軟件壟斷的局面，在國內具有極高的性價比。

2.Quest-3D是荷蘭出品的虛擬現實產品，功能強大，渲染效果好，支持力反饋設備，擁有真實的物理引擎、人工智能數據庫等功能。

3.EON Studio是美國出品的虛擬現實產品，是一套適合工商業、學術及軍事單位使用的多用途3D/VR內容整合制作套件，通過編寫C++程序代碼編寫交互動作程序，能夠實現各種復雜多元的交互操作。

4.UNITY3D是丹麥出品的最親民好用的虛擬現實開發軟件，能夠輕松創建游戲、虛擬漫游、虛擬展示等交互內容，能夠將所開發的作品發布成不同的平臺格式，如Andrio、Mac和windows等。

5.VIRTOOLS（VT）是由法國達索公司開發的一款引擎，基本交互開發不用編寫程序，只需要將自帶的具有特定功能的模塊按照一定的操作邏輯關系連線即可完成復雜的交互操作。當開發的項目需要更加復雜的功能，而BB實現過于繁雜時，VIRTOOLS提供了VSL腳本語言和SDK開發包。

四、虛擬實踐教學系統開發流程

一般虛擬現實軟件自身都不具備建模功能，要搭建虛擬現實場景和設備模型，需要在其他專門的CAD軟件中進行，虛擬現實軟件完成交互操作各種程序編寫。對于航海類教育虛擬實踐教學訓練系統開發的一般流程如下圖所示。

1.CAD建模：主要通過三維實體建模軟件（如PROE、UG和SOLIDWORKS等），根據船舶設備的圖紙，完成各設備零件的三維圖形和由零件組合成的裝配體模型。

2.模型優化：由CAD軟件生成的三維模型還不能直接導入到虛擬現實軟件中，需要對模型進行優化，優化的過程要通過諸如3DSMAX或者MAYA等程序完成，優化的目的是對CAD生成的三維模型的零件的面進行優化，對零件賦予各種材質貼圖，使模型更具視覺真實感。

3.將優化后的模型導入到虛擬現實開發軟件環境中，通過軟件交互開發功能進行程序編寫和功能調試，完成實踐教學訓練系統要求各種交互操作，實現虛擬操作的流暢感、現場感和趣味性。

4.將完成的虛擬現實實踐訓練系統發布成可以在計算機或者網絡上獨立運行的安裝系統，供學員學習。

五、結論

當前的航海類實踐教學受到諸多條件的限制，學生沒有充足的時間和機會對設備進行操作探索，對實踐教學的效果有一定的影響。將虛擬現實技術應用到航海類學生的實踐教學領域，開發出虛擬的船舶設備操作訓練平臺，能夠彌補現實中的種種不足，能夠使得學生對設備進行虛擬拆裝訓練、虛擬操作訓練、虛擬故障排除訓練等，這種訓練不受時間和空間的限制，不受現實設備昂貴的硬件資源和場地的限制，能夠拓展實踐教學的內涵，進一步增強和提高航海類學生的實踐操作能力，為世界培養合格的國際化海員。

參考文獻：

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