虛擬現實技術在“機艙資源管理”教學實踐中的應用

商 蕾，程惠芳，孫 俊

(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院 b.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

虛擬現實技術在“機艙資源管理”教學實踐中的應用

商 蕾，程惠芳，孫 俊

(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院 b.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

考慮到船舶產業的快速發展，海員的培訓要求越來越嚴苛，針對海員對技能培訓的需求，推出將虛擬現實技術應用于“機艙資源管理”課程的教學模式，分析該教學模式的可行性并介紹其模型的建立，旨在為學員建立一個與真實教學環境無差別的“機艙資源管理”虛擬教學實驗平臺。

機艙資源管理;虛擬現實技術;虛擬教學實驗平臺

“機艙資源管理”課程已成為必備的船員培訓及考核科目。而輪機模擬器作為這門課程實操環節的必備設備，也被研究人員廣泛關注并深度挖掘其應用的更多可能性。由于配備輪機模擬器、主機拆裝實驗室等硬件教學設備和設施費用昂貴，一些擁有航海類專業的大中專院校及專職培訓機構沒有配備這些設施的能力。與此同時，受到硬件臺套數、教學場地及外界環境等的制約，機艙資源管理的培訓效率和效果也受到一定的影響。因此，有必要提供給學生一種全新的，在電腦桌面上就可以全景展示機艙的內部構造、模擬實驗操作，實現隨時隨地可完成機艙內各項目和應急演練的教學模式。

1 “機艙資源管理”課程教學現狀

目前，“機艙資源管理”課程在實踐教學中主要有3種教學方式：理論學習、操作訓練、團隊練習。理論學習用以掌握機艙資源管理的基本原理和操作規程；操作訓練用以掌握設備操作技能，進行基礎的實踐訓練;團隊練習用以培養學員的團隊合作能力和判斷處理復雜局面的綜合能力[1]。在這3種教學方式中，理論學習一直受到高通過率的青睞，但真正涉及到“機艙資源管理”實操課程的教學目標，實際效果存在很大的差距。

本?！皺C艙資源管理”培訓課程自2013年開設，每年都有上千人進行這門課程的學習。2013—2014年期間機艙資源管理培訓統計數據見表1[2]。

表1 武漢理工大學“機艙資源管理”培訓統計

由表1可見，“機艙資源管理”的理論考試通過率都不錯，但在實操課程上，在校學生的實操評估考試通過率明顯低于社會船員。究其原因，主要還是在校學生缺乏實際機艙管理的工作經驗，幾乎沒有機艙資源管理的情景意識。而“機艙資源管理”這門課程又相對來說比較特殊，其學習的最終目標就是結合船舶機艙可能發生或遇到的緊急情況，要求機艙值班人員根據實際情況有效的利用船舶機艙現有的各種機械動力設備、安全設備，合理調度人員，通過機艙組織和程序執行發揮每個人在團隊工作中的作用，從而有效執行并完成相關工作的操作程序，以保證船舶的安全航行[3]，這對學員的實操技能有很高的要求。而且在“機艙資源管理”這門課程的考核中，實操技能相對來說占的比重較大，學員如果實操考核無法通過，將影響其是否能順利拿到學位證。

針對以上情況，擬將三維虛擬現實技術引入“機艙資源管理”課程教學中。通過虛擬現實技術的融合，提供高沉浸感的虛擬場景，使學生能夠身臨其境的感受船舶機艙布局，了解各個主要設備的運行狀態等，從而更好地對機艙資源進行合理配置與管理，提升課程教學效果。

2 虛擬現實技術應用的可行性

目前，國內外將虛擬現實技術與教育相結合的實驗項目，大體上有以下幾種表現形式：其一是實驗仿真。最具代表性的是“仿真物理實驗室”，這是一款面向物理課堂、物理教師和學生的、一個全開放性的物理實驗仿真軟件，可以提供一個實驗器具完備的綜合性實驗室，學生不僅可以“親身體驗”實驗操作的全過程，還可以實時獲取相關實驗數據。這種利用虛擬現實技術打造的實驗仿真平臺，學生在學習的過程中既可以避免實驗器材和實驗環境的局限性，也可以預防實驗過程中可能出現的危險并減少經費的投入。其二是工程漫游。例如，現在的大型網游，使用者通過計算機網絡在虛擬環境下對人物角色及場景按照一定的規則進行操作以達到娛樂和互動目的的游戲產品，其主要特點就是允許玩家對虛擬設備自行分配，并實現人機交互。其三是空間仿真，這一技術在建筑的教學中有著較多的應用。現在比較熱門的虛擬校園漫游系統，就是以真實校園為整體藍本，利用三維技術和虛擬現實技術(VR)，還原校園的地理空間，并實現其與校園屬性信息的融和。用戶可以利用計算機網絡遠程訪問這個全新的校園景觀，通過終端計算機在虛擬校園中漫游，而且還可以進行查詢、搜索等操作[4]。

但是虛擬現實技術并非在任何課程中都適用，對于理論和計算知識相對集中(數學、會計、語言類等)的課程，其沒有針對性的實際意義。而“機艙資源管理”這種理論與實操相結合的特殊課程，要求學員不僅能夠熟練操作機艙內的各項設備，還需根據突發狀況安排人員做好應急處理。針對這一情況，提出將虛擬現實技術與網絡技術相結合，制作出可交互的“機艙資源管理”課程虛擬系統，與此同時，采用多種實驗設備的同步交互，使學生在課下不僅能對船舶機艙的各機械動力設備、安全設備進行全景展示，也可以通過鼠標和鍵盤等操作對系統中預置應用進行實時的演練。此外，通過模擬各種對設備的錯誤操作，不僅能讓學生客觀的感受不符合規程的操作帶來的后果，也可以讓學生綜合理解并實時反應遇到各種緊急情況的預處理方案。通過這種預置操作的模擬方式，讓學生隨學隨用的同時，也避免了實際實踐課程中實驗設備的損耗，對學生實踐能力的培養和實驗設備的維護具有重要的意義。

3 虛擬實驗環境的建立

3.1 虛擬實驗系統的框架

根據“機艙資源管理”課程對虛擬實驗系統的需求，收集實船數據，在通用的計算機系統上，利用3DS Max，Photoshop等軟件制作實船實體以及內部各系統的模型，Unity3D等軟件實現桌面虛擬實踐教學系統的實時交互，建立一個可以提供給學生設備操作的練習以及預置應急處理的多層次、多目標可持續的模擬練習平臺。該虛擬實驗系統的構成如圖 1所示[5]。

圖1 “機艙資源管理”虛擬教學實驗系統結構

3.2 平臺開發流程

為了創建一個與實際教學無差別的“機艙資源管理”虛擬現實教學實驗平臺，從4個階段介紹該平臺開發流程。該平臺開發流程圖見圖2。

圖2 “機艙資源管理”虛擬教學系統平臺開發流程

第一階段。系統設計與資料的收集與整理。根據“機艙資源管理”課程的教學目標收集實船資料。 如船體、機艙總覽、主推進裝置及其推進系統、 發電柴油機、自動化電站系統、舵機系統、鍋爐蒸汽系統、壓載水系統、火災報警和滅火系統(包括二氧化碳系統)、艙底水系統、燃油柜系統(包括燃料柜、沉淀柜和日用柜)、空氣系統，以及冷卻水系統等的結構圖和數據，對這些細節進行真實還原使學員在實際的輪機駕駛過程中能實現無差別操作。另一方面，還需要收集各種預置操作的數據資料。如在多人協作完成機艙各種應急處理演練時，所設計的機艙資源管理模擬器實現機艙進水時船舶吃水和橫傾變化的檢測以及設備的自動啟停、機艙失火和全船失電的應急處理等訓練內容的數據。

第二階段。制作三維模型。利用三維建模軟件3DS Max的多邊形建模技術，實現三維場景模型的制作，并結合Photoshop軟件中已有素材合成模型的固有色和3dsmax中的材質進行貼圖，真實還原機艙內部構造及各系統的360°全局演示。

第三階段。進行燈光處理和貼圖的烘焙以達到模型的優化。

第四階段。虛擬交互設計。Unity3D是利用交互的圖形化開發環境為首要方式來實現多平臺的呈現。運用Unity3D的諸多特點，制作系統的運行界面，包括背景界面元素、交互按鈕和背景音樂的制作，以及各預置操作流程及實現的代碼，并加入視頻和flash等媒體實現模型和按鈕的交互

鏈接，建立相關預置操作的資料庫。

第五階段。發布輸出。此階段是把最終完成的“機艙資源管理”虛擬教學試驗系統發布成網頁文件或者打包成可執行文件，實現PC端和移動端的同步發行，達到隨學隨用的新型教學模式。

4 虛擬教學系統應用效果

首先，學員根據線上對這門課程的介紹以及各零部件各系統基本構成的講解，從理論基礎開始了解其教學目標。使學員在掌握各設備原理的同時，也能將其實際構成對號入座。

其次，通過線上平臺提供的交互式操作，不僅可以能讓學員快速掌握各個設備的運行軌跡，實時了解整艘船的運行布局，還能給學員想象的空間，充分調動學習的積極性，發掘創造潛力。

最后，在線下進行實操環節的應急演練，調動各學員的實體感知能力和判斷處理復雜局面的綜合能力，并培養學員之間的團隊合作團隊精神。再進行線上的補充練習，使學員在鞏固知識的同時，也能自主地嘗試各項操作，更好地掌握機艙各設備整體的配合效果。

[1] 胡賢民.基于虛擬機艙桌面系統的高職小班化教學實施研究[J]．船海工程，2014(1)：114-116．

[2] 成春祥.機艙資源管理的理論教學與實操培訓[J].船海工程，2015(2):99-103.

[3] 蔣德志，趙曉玲.基于輪機模擬器的“機艙資源管理”研究與實踐[J].中國航海，2011(1)：22-25．

[4] 李建榮.虛擬現實技術在教育中的應用研究[J].實驗室科學，2014，17(3):98-102.

[5] 邢輝，吳建潘.機艙資源管理培訓內容的履約探討[J].航海教育研究，2011(1):34-37.

Application of Virtual Reality in Teaching Practice of the Engine Room Resource Management

SHANG Leia,b, CHENG Hui-fanga,b, SUN Juna,b

(a School of Engine and Power Engineering;b Engineering Research Center for Transportation Safety, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

With the rapid development of shipping industry, the training requirements of the seafarers become more and more strict. In order to meet the needs of seafarers for skills training, the virtual reality technology was applied in the course of engine room resource management. The feasibility of this teaching mode was analyzed and the establishment of the model was introduced, so as to build a virtual teaching experiment platform for the course of engine room resource management, which is indiscriminate with the real environment.

engine room resource management; virtual reality technology; virtual teaching experimental platform

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.034

2016-04-07

湖北省教研資金(2014120)

商 蕾(1974—)，女，博士，副教授

G642.0

A

1671-7953(2016)06-0144-03

修回日期：2016-05-17

研究方向:虛擬現實與系統仿真

E-mail:630314449@qq.com