船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源的建設與實踐

費景洲， 路 勇， 高 峰， 李淑英， 馬修真

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院， 哈爾濱 150001)

·實驗教學示范中心建設·

船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源的建設與實踐

費景洲， 路 勇， 高 峰， 李淑英， 馬修真

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院， 哈爾濱 150001)

為解決能源動力類專業實驗教學中存在的難題，將虛擬仿真技術引入實驗教學，充分發揮虛擬仿真實驗在實驗場地、實驗消耗和實驗安全等方面的優勢，建設船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源。以“教學科研相融合、虛擬現實相結合”為指導思想，構建面向內燃機、燃氣輪機、蒸汽動力和輪機工程等專業方向的虛擬仿真實驗教學系統，闡述虛擬仿真實驗教學系統的主要功能以及在各個專業課程中的教學應用情況。從虛擬仿真實驗在實驗教學體系中的地位、虛擬仿真實驗與真實物理實驗關系、科研成果向虛擬仿真實驗轉化、優質實驗教學資源共享等四個方面，闡述了船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源建設的幾點體會。

船舶動力技術； 虛擬仿真實驗； 教學資源建設

0 引 言

虛擬仿真實驗綜合利用虛擬現實技術、多媒體技術、數據庫和網絡通訊等技術手段，構建具有高逼真度的虛擬仿真實驗環境。虛擬仿真實驗具有低風險、低成本、使用及維護方便等優點，適合實驗操作風險高、實驗建設和運行維護費用大的實驗教學項目，已經成為高校實驗教學研究的重要內容[1-5]。為充分發揮虛擬仿真實驗的作用，切實提升高校實驗教學質量，教育部在全國范圍內開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。

學校根據國家和教育部有關文件精神，結合船舶動力學科專業特點，以“教學科研相融合、虛擬現實相結合”為指導思想，組織開展船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源建設。在建設過程中，注重虛擬仿真與物理實驗相結合，推進科研特色和優勢轉化為實驗教學資源，加強優質實驗教學資源的開放共享。船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心已成功獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心，虛擬仿真實驗教學手段在船舶動力專業的實驗教學中廣泛應用，取得了明顯成效。

1 虛擬仿真實驗資源建設的必要性

目前能源動力類專業實驗教學中面臨的主要問題是綜合性、創新性實驗項目匱乏，其專業實驗設備多為高溫、高壓、結構復雜、高速旋轉的大型動力機械，學生實際操作具有較大的風險性，同時受設備臺套數少、實驗準備時間長、實驗費用高、運行安全等因素制約，難以開展實際大型設備的實驗教學工作。根據對國內能源動力類專業實驗教學現狀的調研，能源動力類專業的實驗教學實踐中，普遍存在“三多三少一缺乏”的問題[6]，即“基礎課實驗項目多，專業課實驗項目少；驗證性實驗項目多，綜合性實驗項目少；實驗環節學生看得多，做得少；部分實驗因操作風險大被取消，系統性訓練缺乏”。

為解決上述能源動力類實驗教學中存在的問題，將虛擬仿真技術引入實驗教學，充分發揮虛擬仿真實驗在實驗場地、實驗消耗和實驗安全等方面的優勢，開發船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源，構建多個面向能源動力類專業的虛擬仿真實驗教學項目。

2 船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源建設

船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源主要包括內燃機結構、內燃機性能虛擬仿真實驗系統、燃氣輪機結構、燃氣輪機性能虛擬仿真實驗系統、增壓鍋爐結構、增壓鍋爐性能虛擬仿真實驗系統、聯合動力裝置虛擬仿真實驗系統等。平臺示意圖見圖1。這些虛擬仿真實驗教學資源，都是從科研成果轉化過來的，實驗項目配置和實驗教學方法上都表現出虛實結合的特點。整個虛擬仿真實驗教學資源的建設都圍繞 “教學科研相融合、虛擬現實相結合”這一指導思想展開。

3 虛擬仿真實驗在教學中的應用

3.1 內燃機性能虛擬仿真實驗系統

內燃機性能仿真實驗系統基于Matlab軟件和GT-

圖1 船舶動力虛擬仿真實驗教學資源構成示意圖

power等軟件聯合編程，建立面向能源動力類專業本科生，可以開設11項柴油機專業的仿真實驗系統。實驗項目包括增壓匹配、進排氣正時、示功圖、負荷特性、油耗測量、指示指標測量仿真實驗等TBD234V12柴油機實驗項目；同時還可以開設5個4102柴油機的實驗項目，包括：進排氣正時仿真實驗、示功圖仿真實驗、負荷特性仿真實驗、油耗測量仿真實驗、指示指標測量仿真實驗。其中增壓匹配仿真實驗操作界面如圖2所示，具體的實驗過程詳見哈爾濱工程大學船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心網站(網址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)。

圖2 增壓柴油機增壓匹配仿真平臺

3.2 內燃機結構虛擬仿真實驗系統

內燃機結構虛擬仿真實驗系統利用虛擬仿真技術，構建4105柴油機的三維模型，具備網上遠程柴油機虛擬拆卸和虛擬裝配實驗功能。該實驗系統面向柴油機結構、柴油機設計等專業課程，具體內容詳見哈爾濱工程大學船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心網站(網址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)和哈爾濱工程大學內燃機教學網虛擬拆裝平臺。

3.3 燃氣輪機性能虛擬仿真實驗系統

燃氣輪機性能虛擬仿真實驗系統包括仿真機和物理實體兩部分：燃氣輪機裝置做仿真機，推進系統用物理實體。系統在發揮虛擬仿真實驗優勢的同時，又可以讓學生獲得接近實際系統的操作感受。

仿真系統面向能源與動力專業的本科生，開設燃氣輪機方向的6個實驗項目，包括分軸燃機穩態變工況、三軸燃機穩態變工況、分軸燃機動態變工況、三軸燃機動態變工況性能試驗、單軸發電燃氣輪機啟動過程仿真實驗、船舶燃氣輪機裝置性能自主設計仿真實驗等實驗項目。系統的開始界面如圖3所示，具體的實驗過程詳見哈爾濱工程大學船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心網站(網址同上)。

圖3 燃氣輪機性能虛擬仿真實驗平臺界面

3.4 增壓鍋爐結構虛擬仿真實驗系統

該虛擬仿真實驗系統按照學校船舶動力技術實驗教學中心的小型增壓鍋爐蒸汽動力實驗系統參數開發。建模過程按照實際系統尺寸建立三維模型，綜合利用多種仿真技術手段，對鍋爐工作原理、鍋爐結構與部件制造、蒸汽系統構成、蒸汽系統運行操作等內容進行了全方位的講解。仿真系統構建與真實實驗室高度相似的虛擬仿真實驗環境，學生能夠在虛擬仿真實驗過程中，獲得與實際系統接近的實驗感受。

虛擬仿真實驗系統面向能源與動力工程專業本科生開設4門實驗課程，包括鍋爐本體裝配、鍋爐啟動運行、充氣系統啟動、蒸汽推進系統運行等多個實驗項目。增壓鍋爐和蒸汽動力系統的鍋爐虛擬拆裝過程圖如圖4所示，具體的實驗過程詳見學校船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心網站。

3.5 增壓鍋爐性能虛擬仿真實驗系統

增壓鍋爐性能虛擬仿真實驗系統是按照實際增壓鍋爐實驗裝置的結構和性能參數構建的數字化實驗系統，其實驗過程與實際物理實驗過程基本相同。通過仿真實驗項目操作，能加強學生對增壓鍋爐動力裝置整體性能的認識，有利于學生對增壓鍋爐動力系統的運行、調控有更深層次的理解和掌握。

該虛擬仿真實驗系統可進行增壓鍋爐裝置穩態負

圖4 增壓鍋爐和蒸汽動力系統鍋爐虛擬拆裝過程圖

荷、變負荷實驗操作、不同運行邊界條件下增壓鍋爐運行性能測試、增壓鍋爐供蓄熱器周期性負荷演示實驗等虛擬仿真實驗項目。增壓鍋爐虛擬實驗教學系統的穩態測試操作界面見圖5，具體的實驗過程詳見學校船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心網站。

圖5 增壓鍋爐穩態負荷測試實驗界面

3.6 聯合動力裝置虛擬仿真實驗系統

聯合動力裝置虛擬仿真實驗系統是由數字化燃機輪機、數字化柴油機、數字化發電機和監控系統組成的虛擬仿真實驗系統。系統的總體結構布局如圖6所示。整個虛擬仿真系統與我校的聯合動力裝置物理實驗系統相對應，實現物理設備與虛擬仿真實驗的緊密結合，互為補充。

該系統對應船舶動力裝置、燃氣輪機裝置原理、燃氣輪機電站等專業課程，可以開設柴、燃聯合發電實驗、船舶聯合動力裝置并車控制實驗、船舶聯合動力輸出特性實驗、聯合動力故障模擬與診斷實驗等實驗項目。利用該系統還可開展多種聯合動力裝置運行特性、聯合動力裝置控制策略等實驗項目。

4 虛擬仿真實驗中心建設的幾點體會

(1) 明確虛擬仿真實驗的地位。明確虛擬仿真實驗在整個實驗課程體系中的地位和作用是一個首要的問題，應該從人才培養的高度進行綜合考慮。在重視虛擬仿真實驗的同時，要加強對虛擬仿真實驗資源建

圖6 聯合動力裝置總體結構布局圖

設中各種關系的理解，認識到虛擬仿真實驗的局限性[7-9]。在實際的建設過程中應該結合學科的特點，分析虛擬仿真實驗方法在本學科實驗教學中的優勢和劣勢，揚長避短，有所為有所不為。

在船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心建設過程中，從能源動力學科專業的特點出發，分析能源動力類實驗教學中存在的主要問題，從學科建設和人才培養角度進行頂層設計，將虛擬仿真實驗定位成綜合類、創新類的專業課程實驗項目。充分發揮虛擬仿真實驗在高風險、高耗能、不可逆等方面的優勢，集中優質科研資源建立船舶燃氣輪機、船舶柴油機、船舶蒸汽動力裝置、聯合動力裝置等虛擬仿真實驗資源，較好地解決了制約船舶動力技術專業實驗教學發展的瓶頸問題。對于基礎實驗課程或者實驗投入和實驗風險較小的實驗項目，則盡量不開設虛擬仿真實驗項目。

(2) 解決好虛擬仿真實驗與真實物理實驗的關系。教育部在國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的文件中指出“虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則”。這就明確了虛擬實驗和真實物理實驗的關系。具體落實到仿真資源的建設過程中，我們的做法是實驗項目設置、虛擬仿真平臺結構和實驗教學方法做到“虛實結合”。

在實驗項目設置上，“虛實結合”表現為物理實驗項目和虛擬實驗項目相結合。基礎類的實驗項目、實驗風險較小的項目，在實驗經費能夠滿足的條件下，盡可能采用真實的物理實驗，做到”能實則實”。學生的基本實驗技能還是應該通過物理實驗設備的實際操訓練，在這一點上，真實物理實驗操作訓練的作用是不可替代的。對于高能耗、高風險的綜合類實驗項目，則可采用虛擬仿真實驗。

據不完全統計，2017年，中國船舶燃油供應總量為2176萬噸，比上年增長12%，保持穩定增長態勢。預計2018年中國船供油總量達到2330萬噸，比上年增長7%，其中，保稅油供油總量預計為1150萬噸，比上年大幅增長15%，成為帶動中國船供油市場需求總量快速增長的主要動力（見圖1）。

在虛擬仿真平臺結構上，“虛實結合”表現為虛擬仿真技術與真實物理設備相結合，盡量采用半物理方式構建虛擬仿真平臺。比如燃氣輪機性能虛擬仿真實驗系統，燃氣輪機裝置為虛擬的數字化系統，推進系統則用物理實體設備。采用半物理仿真平臺，在充分發揮虛擬仿真系統優勢的同時，讓學生在實驗訓練過程中，盡可能獲得與真實物理實驗接近的操作感受。

實驗教學方法上，“虛實結合”表現為課下虛擬仿真、課上真實實驗的教學方法。以柴油機拆裝實驗課程為例，學生在課下先通過內燃機教學網站進行內燃機虛擬拆裝實驗，課上再對柴油機進行真實拆裝訓練。除了柴油機結構虛擬仿真實驗以外，柴油機性能虛擬仿真實驗、燃氣輪機性能虛擬仿真實驗、增壓鍋爐結構虛擬仿真實驗、增壓鍋爐性能實驗等實驗課程都引入“虛實結合”的實驗教學方法。大量的教學實踐表明，這種課下虛擬仿真、課上物理實驗的教學手段，能夠降低實驗難度，提高實驗質量，加強學生對實驗操作過程的總體把握[10]。

(3) 促進科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目。圍繞船舶動力行業，將科研特色和優勢轉化為實驗教學資源，是我們在船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心建設的重要舉措[11]。將科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目，在滿足科研的需要的同時可以兼顧實驗教學，實現教學科研緊密結合。積極促進科研成果轉化虛擬仿真實驗項目，既推進科研成果轉化，也不斷提升實驗教學平臺的技術水平，保證實驗教學平臺的長期可持續發展。從長遠發展角度來看，促進科研成果轉化虛擬仿真實驗項目是實現虛擬仿真實驗教學長期可持續發展的重要保證。

(4) 推進優質虛擬仿真實驗教學資源共享。虛擬仿真資源的網絡運行特性為資源共享提供了技術條件；同時資源共享也為虛擬仿真建設帶來了更多用戶體驗反饋，便于虛擬仿真實驗系統的改進完善。教育部在虛擬仿真實驗教學中心建設的指導思想中明確指出要“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”。推進資源建設與共享是虛擬仿真實驗教學中心建設的一項重要工作內容，資源共享的機制、方式、手段都需要不斷探索完善。

船舶動力技術虛擬仿真實驗教學資源，通過實驗教學網站(網址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)，初步實現優質實驗教學資源共享。船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心的內燃機結構拆裝虛擬仿真實驗教學資源，通過網絡平臺、光盤資源出版、企業合作推廣等方式積極推進優質教學資源共享，目前已被32個國家和地區的142所國內外著名院校采用，占據多個搜索引擎的顯著位置，在優質實驗教學資源共享方面做出有益的嘗試。未來將繼續加強資源共享和示范輻射作用，不斷提高優質實驗教學資源的利用率。

5 結 語

在船舶動力技術國家級虛擬仿真實驗教學中心建設過程中，從虛擬仿真實驗地位、虛擬仿真實驗與真實物理實驗關系、科研成果轉化虛擬仿真實驗和優質實驗教學資源共享等方面總結了虛擬仿真實驗教學資源建設的幾點體會，可供其他院校參考。

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Practice and Experience of Virtual Simulation Experimental Teaching Resources of Marine Power Technology

FEIJing-zhou,LUYong,GAOFeng,LIShu-ying,MAXiu-zhen

(College of Power & Energy Engineering，Harbin Engineering University, Harbin 150001，China)

The virtual simulation technology is introduced into experimental teaching to solve the problems which exist in the experimental teaching of energy and power major. Virtual simulation experimental teaching resources of marine power technology are developed. It holds advantages of virtual simulation experiment in experimental space, experimental consumption and experimental safety. "Integration of teaching and research, combination of virtual and reality" is regarded as the guiding ideology. Experimental simulation teaching system is constructed to meet the needs of each professional teaching, including the major of internal combustion engines, gas turbines, steam turbines and power engineering. The basic function of the virtual simulation teaching system and teaching applications in various professional courses are explained. Experiences of resources of virtual simulation experimental teaching in marine power technology are discussed, including the position of virtual simulation experiment teaching in the whole teaching system, the relationship between virtual simulation and real physical experiments, the conversion from scientific research into virtual simulation teaching resources and resource sharing in experimental simulation.

marine power technology; virtual simulation experiment; teaching resources construction

2016-07-24

哈爾濱工程大學教改項目(JG2016BZD03)

費景洲(1976-)，男，黑龍江訥河人，博士，實驗師，研究方向：船舶動力裝置總體性能分析與控制、實驗教學與管理。

Tel.:0451-82519307; E-mail：feijingzhou@hrbeu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0147-05