虛擬仿真技術在港航專業實踐教學中的探索與應用

摘要：基于虛擬仿真平臺的軟硬件優勢，探討了該技術在港航專業實踐教學中的應用。以“自主學習—創新設計—反饋優化”的實驗教學和培訓過程為主線，結合3D視景仿真系統、場景建模和人機交互等技術，實現了港航業生產場景的3D再現、操作模擬和流程優化，促進了學生創新思維、實踐能力的全面發展。

關鍵詞：虛擬仿真;實踐教學;人才培養模式

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0271-02

現代信息技術的高速發展促進了高校實驗教學體系和手段的多元化發展，改革了現有的人才培養模式。基于虛擬仿真技術的教學模式，不僅能打破傳統實驗教學的局限，還能對現有教學內容進行完善和拓展。2013年教育部在全國大力推進國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作[1]，加速了高校虛擬仿真實驗中心系統化、規模化的發展，而虛擬仿真技術在實驗教學中的應用和發展也得到了廣泛關注和研究[2，3]。因此，將虛擬仿真技術引入實踐教學，改革教學體系和模式，培養港航業實踐創新型人才成了當務之急。三維虛擬仿真技術改革了傳統實驗課程中以講授和演示為主的實驗模式，能夠實現港航生產實踐環節的流程設計和操作練習。依托三維虛擬仿真技術，學生可以自主進行實驗設計與操作訓練，激發和培養了學生的科學探索精神和實踐創新能力。探索并發展虛實互補、以虛促實的新型實踐教學模式是提升實踐教學的質量和效果、培養面向行業需求的實踐型、創新型人才的重要途徑[4，5]。

為實踐國家教育信息化戰略，培養港航業實踐型人才，我校以拓展港航專業實驗室虛擬現實實驗室的教學功能為契機，優化、整合現有的實驗室資源，探索虛擬仿真技術在港航專業實踐教學和人才培養方面的作用，以提升港航專業的實踐教學質量。

一、三維虛擬仿真平臺的構成

我校虛擬現實實驗室是港航管理專業的重點實驗室，于2017年完成了虛擬仿真平臺的所有的軟件開發與硬件安裝，建設總投資超過650萬元。相關的軟硬件設備包括Barco立體投影系統、3D建模和環境開發軟件、系統仿真軟件、應急決策軟件、學生配套電腦等。

虛擬仿真平臺的操作系統擁有與港航業生產過程一致的仿真模型庫，能夠再現港航業的實際場景和生產流程，并對學生在各個場景下的操作進行記錄和反饋。根據港航管理專業的課程設置，教學模式大體是基于“自主學習—創新設計—反饋優化”的過程，使學生熟練掌握港航管理實務和生產運作流程。學生在課后能遠程登錄該平臺，實現自主預習、自主練習和自主實驗設計，不但增強了課程的趣味性，而且培養了學生的創新思維和實踐操作能力。

二、實踐教學探索與實踐

三維虛擬仿真平臺能夠展現港航業的真實的生產運作場景，實現生產、操作和應急演練的情景再現。根據港航專業的課程設置和虛擬仿真平臺的軟件配置，實踐操作訓練的應用大體可分為系統仿真優化和應急決策支持兩個方向。

（一）系統仿真優化

將三維虛擬仿真技術應用到物流管理、交通運輸、國際航運專業的實踐教學中，可為港口裝卸工藝、國際航運管理和物流運輸組織與管理等課程提供訓練平臺。通過虛擬仿真平臺進行實踐訓練，不僅能彌補港航業實踐教學中場地和設備不足，難以進行實際操作的缺陷，而且解決了學生到港口實習的安全問題。在實踐教學中加入仿真操作，學生可通過港口仿真場景的漫游、設備參數設置、模型構建、仿真操作來了解港航日常生產運作、碼頭裝卸作業的相關流程，實現碼頭裝卸作業和運輸運作方案的3D仿真，并進行相關流程的優化，掌握港航管理知識。三維虛擬仿真技術以輸入的數值進行仿真驅動，學生通過對仿真結果的進行分析和優化，了解和掌握仿真系統中各個因素間聯系和制約關系，識別影響系統運行效率的“瓶頸”因素。相比于傳統的實踐教學方式，三維虛擬仿真平臺通過直觀的3D視景及以學生為主體的“自主學習”和“自主設計”，使學生對港口規劃、資源配置、港航業務組織有深刻的了解，掌握港航業的組織方式和運作流程。

三維虛擬仿真技術具有交互性、開放性和便捷性等特點，學生可以通過登錄仿真平臺自主進行操作訓練來提高自身的實踐操作能力。操作訓練和流程設計不能脫離港航業的實際情況，因此實驗內容需要根據港航業生產運作的發展不斷更新和完善。“虛實結合”的港航實踐教學模式既能完善和延伸原有的實驗教學體系，又能培養和提高學生的實踐創新能力。

（二）應急決策支持

三維虛擬仿真技術不僅能夠滿足港航專業實踐教學的操作訓練要求，還能實現常規實踐教學難以完成的教學功能，尤其在港航業突發事件的應急管理中。港航業的突發事件帶來的損失一般較大，如溢油事件、船舶碰撞擱淺等。雖然港航業的突發事件不可避免，但可以通過逼真的應急場景模擬來進行有效的應急決策培訓，將事故危害降到最低。傳統的實踐教學方式下，學生都是通過實驗教師的演示講解來學習應急管理知識，效果不佳。三維虛擬仿真技術可以重現不可控的突發事件場景，學生可以在仿真的環境中模擬應急仿真操作。如將三維虛擬仿真技術應用到船舶溢油應急管理中，學生不但可以對溢油運動軌跡進行3D仿真模擬，而且還能根據事故地點的風向、潮流和溢油軌跡的計算結果，形成溢油應急決策的輔助方案。除自主練習外，學生也可進行分組合作，自主設計船舶溢油場景，模擬不同風向、潮流影響下的溢油運動軌跡，并對比不同場景下的溢油應急決策方案的異同，形成基于時間或可靠性的多個應急方案。

依托三維虛擬仿真技術可以根據港航專業實踐教學的發展需求，對應急決策過程進行模擬操作，做到“以虛促實”，既補充了理論知識體系，又提升了港航專業的實踐教學效果。

三、結論

根據教育信息化的戰略要求和港航專業特色，運用虛擬仿真技術對港航業的生產和運作流程進行認知和實踐操作，不僅實現了港航實踐教學模式的改革，而且培養了學生的創新思維和實踐操作能力。①以學生為主體，充分發揮其能動性和創造力，不受時間和地域的限制來自主完成相關操作實驗和訓練。②能夠實現港航業生產現場難以進行的操作訓練，滿足了自主學習、開放設計與操作及互動交流的要求。③強化了學生的港航管理的理論知識體系，培養了創新和實踐能力，也提升了實踐教學的信息化和智能化水平。

隨著三維虛擬仿真技術研究的不斷深入，高校的實踐教學模式也應該同步更新。加強虛擬仿真實驗教學資源的開發和建設，讓虛擬仿真技術在港航專業技術人才培養中發揮更大的作用。同時，在虛擬仿真的基礎上也要注重實際，進行虛實結合，互為補充，培養港航業創新型、實踐型人才。

參考文獻：

[1]教育部高等教育司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html，2013-08-13.

[2]祖強，魏永軍.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現狀探析[J].實驗技術與管理，2015，32（11）：156-158.

[3]劉亞豐，余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理，2016，33（04）：108-110+114.

[4]李曉東，曲本全，陳暉，朱傳同，陳永松，韓俊騰，趙冬旭，孫源秀，劉振東.虛擬仿真軟硬件技術在實踐教學的應用與探索[J].實驗技術與管理，2017，34（03）：130-133+137.

[5]丁美榮.虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網絡研究性實驗教學探究[J].實驗技術與管理，2011，28（05）：163-166.

Exploration and Application of Virtual Simulation Technology in Port and Shipping Management Major

WANG Ying

（College of Transport & Communications， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： Based on the advantages of virtual simulation platform， the application of virtual simulation technology in the practical teaching of port and shipping management major is discussed in the paper. With the experimental teaching and training process of "autonomous learning-innovative design-feedback optimization" as the main line， 3D visual simulation system， scene modeling and human-computer interaction are combined to realize the 3D scene reproduction， operation simulation and process optimization in the port and shipping industry，? which promotes the comprehensive development of students' innovative thinking and practical ability.

Key words： virtual simulation; practical teaching; talent training mode

收稿日期：2019-10-24

基金項目：2019年上海市教委實驗技術隊伍建設資助計劃（“四大計劃”）

作者簡介：王穎（1985-），女（漢族），江蘇泰州人，碩士，工程師，研究方向：交通運輸規劃與管理。