虛擬現實技術在船電專業實踐教學中的應用探索*

□ 張學俊，劉紅晶，林 華

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

虛擬現實技術，簡稱VR，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，同時，也是一門富有挑戰性的交叉技術前沿學科和研究領域[1]。隨著VR技術實現方式的不斷成熟，其在各個領域的應用越來越廣泛，其中就包括高校實踐教學。以VR技術為代表的虛擬仿真實踐教學方式，因其廣泛的跨學科適應性、良好的沉浸體驗效果、系統搭建的快速性和基本不受場地和資金限制的特點，為高校虛擬仿真實踐教學提供了一種建設性的解決方案，尤其在理工學實驗實訓實習等教學中的應用范圍和應用價值十分巨大。

1 高職院校船舶電氣專業實踐教學的現狀

隨著現代船舶配套設備的技術發展，船舶電子自動化設備的應用愈發廣泛。尤其STCW新公約出臺之后，擁有船舶電氣相關知識和技能的船舶電子電氣船員已經成為大型船舶的強制配員。與此同時，他們的負責范圍在原有的基礎上，增加了通信與導航設備等電氣設備的使用和維護。由于以前的船舶電氣專業教學是以強電為主，電力拖動及電站這方面的設備一般具備，但對網絡、導航、雷達、無線電話等有關導航設備則相對較少，甚至根本沒有[2]。新規的出現給高職院校船舶電氣專業實踐教學和培訓提出了不小的挑戰。

在高職院校船電專業的傳統教學過程中，教師普遍采用圖片、視頻和理論講解相結合的方式來開展生產過程認知類課程的教學工作。這種教師占主導地位的講述型教學方式，很難激發高職學生的學習興趣和積極性，教學效果較差。也有部分高職院校依托校外實訓基地和合作企業進行參觀教學，但因交通時間過長而學習時間較短，往往淪為走馬觀花。船廠工作環境復雜，現場教學組織容易被生產活動的噪音打斷，很難形成完整的課堂氛圍，也就違背了參觀學習的初衷。因此，高職院校船電專業實踐教學急需引入新的教學手段來提升教學質量，改善教學效果。

隨著我國對虛擬仿真實驗實訓教學的建設進入規模化、系統化、標準化、可持續化發展階段，VR技術可以為高職院校實驗實訓教學提供先進手段，開放平臺和豐富資源。通過VR技術和3D建模的結合，以交互式、沉浸式的形式將船廠布局、船電設備和相關生產過程呈現，以達到實踐教學資源優化目的。在船電專業教學過程中，學生可以依托VR技術反復進行“現場”觀摩，配合實訓設備和老師的講解，能更好地完成認知框架的搭建，提高學習的主動性。這種新的教學方式在提升教學質量的同時，也避免了外出參觀學習組織協調難、安全隱患大的弊端。

2 虛擬船廠、船舶和船電資源的建模

船廠、船舶和船電資源作為船電專業學生畢業后主要的工作場所和工作內容，對其認知框架的搭建、專業知識的理解和職業認同感的建立有著巨大的促進作用。所以，虛擬船廠和船舶的建模需要盡量貼近實際，以保證一定程度的沉浸教學效果。最佳方案莫過于利用相關合作單位的廠區規劃圖和船舶設計圖進行精確比例的3D建模，并將3D模型導入虛擬現實軟件中，同時添加場景漫游、碰撞檢測、系統界面等功能。從而使學生能夠在虛擬船廠和船舶中，以第一人稱視角觀察廠區布局、生產流程、工作場景等，增加其對工作場所的認知，提升教學效率。

而虛擬船電資源的建模工作量巨大，典型船舶電氣資源主要有電氣設備固定件、電纜緊固件、電纜貫穿件、船舶燈具、船用蓄電池、船舶通信無線電及助航設備、船舶發電機組、配電板、舵機、錨機、起重設備、船舶輔助鍋爐、冷藏系統與空調系統等。將其每一個細節都進行建模不切實際，所以，船電資源建模的原則是簡化細節，保留主要生產流程和船電設備。而保留的船電資源模型需要符合設計規范且保證其逼真性。

圖1 虛擬船舶外觀效果圖

圖2 虛擬船舶駕駛臺效果圖

3 虛擬工作場景及教學內容設計

船電專業教學的特殊性在于知識點需要同時兼顧船舶結構、品類和電氣系統的設計建造。學校很難搭建足夠豐富的實踐教學平臺，而船廠參觀實習又容易影響船廠的正常工作，同時存在安全隱患，無法作為常規教學手段。通過搭建符合各課程內容和特點的虛擬工作場景，可以一定程度上扭轉目前船電專業教學的尷尬局面。

圖3 虛擬船舶機器艙效果圖

船舶電氣的建造主要分為內場作業和外場作業。內場作業主要包括安裝件、設備制作、調試、材料工裝的準備工作。外場作業主要包括在船臺或在船上進行電氣安裝調試等工作。以《船舶電工工藝》課程為例，可以通過設計表1中的虛擬工作場景，將船舶電工工藝的主要內容和工藝標準融入各個虛擬工作場景的教學內容中，注重學生對實踐的體驗、領悟，培養學生動手能力的同時，更好地理解和掌握相關的理論基礎知識。這樣的教學設計方式同樣適用于其他船電專業課程中的認知類、工藝類、裝配類的教學內容，例如《船舶電站》、《船舶電氣控制》、《船舶電氣生產設計》等。

表1 《船舶電工工藝》課程虛擬工作場景及教學內容設計

4 基于虛擬仿真系統的教學方式改革

將虛擬工作場景整合后，生成一個完整的船舶電氣虛擬仿真系統PC端軟件，安裝在學校機房或者學生個人電腦上。學生通過電腦的輸入輸出設備進行控制和體驗，并以第一人稱視角在虛擬船廠和船舶內部漫游。主要生產過程以動畫的方式在虛擬工作場景中循環展示，學生可以在漫游的過程中觀摩生產流程，完成虛擬船舶電氣系統裝配訓練，配上教師的講解，可以達到事半功倍的效果。而原有的船舶電工工藝、船舶電站等實訓室雖有一定的場景局限性，但勝在可以讓學生進行實操訓練。將虛擬仿真系統里的漫游觀摩和虛擬裝配與實際的實驗室實訓室里操作演練穿插進行，把學生對船舶電氣設計及工藝類課程的操作與利用虛擬仿真系統對認知和操作的模擬結合起來。達到促使學生真實與虛擬經驗相互融合的目的，在“虛”與“實”的經驗交互中，實現新舊知識的同化，完成認知框架建構。

通過虛實結合、互相補充的模式，豐富課堂教學方式，激發學生主觀能動性；提升教師教學能力，鼓勵開發創新教學項目；完善課程內容架構，幫助學生形成整體性思維。

5 結語

本文設計了一種基于VR技術的高職院校船電專業虛擬仿真實踐教學方案，通過VR技術結合3D建模，將整個船廠布局、電氣設備以及主要生產流程通過交互式的、沉浸式的形式展現出來，實現船廠第一人稱視角虛擬漫游、生產流程交互仿真、制造工藝流程虛擬仿真。將潮流前沿的VR技術應用到高職院校船電專業的實踐教學中，結合船舶電氣專業課程中的相關認知類、工藝類、裝配類的教學項目和內容設計，改善船電專業實踐教學條件，幫助學生更好地搭建完整的專業認知框架，提高其學習主動性和積極性，進而提升課堂教學質量。其應用方式和探索經驗同樣適用于船舶工程、港口機械與自動控制等其他大型工程類專業的實踐教學、技能培訓和工程應用規劃，具有一定的可復制性。