基于虛擬海圖室的航線設計教學與評估系統設計

鄭尚龍， 曹寶根， 楊神化， 周建文

(集美大學 航海學院， 福建 廈門 361021)

為有效履行《1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約》(簡稱“STCW”)公約)及其馬尼拉修正案，進一步規范海船船員的培訓行為，加強學員實際操作能力培養，提升船員的崗位適任能力，促進其綜合素質的提高，交通運輸部編制了《海船船員培訓大綱(2016版)》[1-2],其中對于航線設計而言，通過理論學習、實操訓練和評估考核等環節，培養并檢驗學員正確使用和管理航海圖書資料，設計安全、經濟航線的綜合能力。由于航線設計的實踐性和綜合性較高，知識涵蓋面較廣，且在教學評估實踐中存在學員積極主動性不高、教學培訓效果不良，實操能力培養不佳和評估客觀公正性不足等問題，難以符合航海職業的現實需求。[3]因此,對航線設計教學與評估進行創新具有十分重要的現實意義。

結合計算機圖形圖像和網絡技術，構建虛擬海圖室作為教學與評估的平臺界面，以電子化圖書資料為資源支撐，以虛擬作圖輔助工具為操作載體，設計科學合理自動評分模型。構建基于虛擬仿真海圖室的航線設計教學與評估系統(以下簡稱“系統”)，以解決在教學與評估中存在的問題。

1 航線設計教學與評估現狀

航線設計教學通常集中于7 d內進行講解演示、實操指導和操作訓練，評估考試采用紙質題卡的形式，學員根據試題要求進行操作并作答，由評估員采用人工閱卷給分。[4]該模式在實踐過程中主要存在以下幾個弊端。

1.1 學員興趣不濃，積極性不高

在7 d的系統學習和訓練過程中，面對枯燥乏味的海圖圖書，學員會產生厭倦怠慢的心理，內容講解不認真聽，操作演示不同步練，實操訓練不踏實做。最后為使評估考試順利通過，采用押題、背題和突擊等手段，從而出現分數上通過評估，但實際操作能力并未得到有效提高的“分數適任，能力不適任”現象。

1.2 教學集中密集、強度大、效率低

由于學員數量眾多，教學任務跨度周期長，工作集中強度大，教師在培訓階段持續性地重復相同的教學內容，難免會產生身心疲憊，授課的精力投入和專注度會明顯下降。以海圖圖書為基礎輔材的教學方式，教師較難脫離講臺，難以兼顧課堂紀律、跟蹤授課效果。

1.3 航海圖書資料損耗嚴重，版本難以更新

紙質航海圖書資料在教學與評估過程中的高頻次使用，容易出現磨損老舊、損毀丟失等現象，影響紙質資料的使用效果。圖書配備數量上有時也難以滿足大批量學員的相應需求，會出現教學與評估共用圖書資料的局面。圖書資料中時常遺留有航線痕跡、文字標識和頁碼記號等情形，直接影響教學與評估效果。同時,由于教學經費投入因素，圖書資料難以得到及時更新和替換，導致培訓內容或圖書版本信息與實船不符，產生培訓知識上的脫鉤和斷層。

1.4 學員鞏固復習條件受限

海圖室日常由試驗人員統一管理，學生完成集中培訓后，就較難有機會使用海圖圖書對所學知識進行實操性的復習與鞏固。由于培訓和評估時間安排上通常有一定的跨度，隨著時間的推移，學員難免在知識的記憶和操作的理解上存在一定的模糊或丟失。

1.5 評估的客觀公正性難以保障

評估員在較短時間內需完成大量學員的評估考試任務和試卷批閱工作，在此過程中工作效率和客觀公正性大打折扣，難以真實檢驗和反映每位學員的學習收獲和能力水平。同時,評估員自身資歷經驗、實操水平和評估認知不同，必然存在評判的主觀性、評分標準的差異性和個人情感的隨意性。

1.6 缺少教學與評估的標準統一

各航海類院校、培訓機構針對航線設計課程采用的教學方法、評估模式和題卡建設不盡相同，從而出現培訓標準不一、培訓效果參差不齊評估考試難易程度不同等現象。

上述主客觀問題和不足勢必影響航線設計的教學效果，制約學員實操能力的訓練培養。

2 系統構建目的及意義

2.1 增強實船場景意識，提高學員的學習興趣

交通運輸部于2017年3月7日發布了《海船船員培訓大綱(2016版)》(交辦?！?017〕33號)，其中,實踐技能與要求環節明確提出部分實踐性訓練項目在船上(實習)或實驗室(航海模擬器)中開展。[5-6]建立三維虛擬海圖室，仿真實船航線設計的工作環境、空間布局、交互操作和作業程序。學生在學習訓練過程中能了解、體驗實船海圖室環境與布局，并融入場景意識，能激起學生的學習興趣，有助于改善訓練效果和提高能力培養。尤其對于部分高職院校學生，能有效彌補在船實踐機會缺失帶來的體驗和認知不足。[7]

2.2 提高教學和評估效率，增進培訓效果

采用單機電腦和局域網進行規?；渲茫瑵M足大批學生的同步教學、訓練和評估，日?？砷_放更多時間給予鞏固復習，同時可降低教師的工作強度，提高工作效率。在教學過程中，教師在主控臺的內容講解和操作演示可同步顯示于學生端，有效實現點對面的實時教學信息傳輸，為教學互動、疑難解答提供更多機會。[8]

2.3 電子化圖書資料的低成本、高效率使用

通過導入電子化海圖和圖書，大大降低教學輔助資源的資金投入，并可高頻次、無損壞地使用；圖書資料版本也可及時替換更新，保障學員所學理論知識不斷層，實操技能不脫節；同時,規避紙版圖書資料中標注、文字和記號等殘留痕跡對訓練與評估效果的影響。

2.4 綜合評估試題的豐富多樣性

系統中綜合試題編輯器以航次命令為主線，各項評估內容和評估要素都在既定的同一航次任務框架下進行，更符合船舶航線設計實際情況。同時,在各評估要素的固定試題框架下，對預留選擇項的不同設定可編輯任意所需試題，滿足訓練知識涵蓋面廣和評估試題多樣性的需求，可杜絕學員對傳統有限評估題卡死記硬背的現象。

2.5 系統自動評判更能滿足實際需求

確立科學合理、實際可行的自動評分模型，大幅度降低評估員的工作量，降低主觀因素的影響，保障評估考核的及時正確性和客觀公正性，同時為評判過程增加監管力度和提供評估過程與結果可追溯性。此外，系統還可對大量評估結果進行數據挖掘和統計分析，反饋航線設計教學中的難點、易錯點等信息，指引日常教學。

綜合考慮以上因素，研究構建基于虛擬海圖室的航線設計教學與評估系統，對培養學員的航海實操技能，提高其綜合專業素養等具有一定的實用價值和現實意義。

3 系統設計方案

為實現系統框架構建和功能應用，系統設計方案需含虛擬海圖室的操作平臺、電子化航海圖書資料、虛擬作圖工具、綜合試題的編輯與調用和評估結果的自動評判等。系統總體設計框圖見圖1。

圖1 系統總體設計框圖

按照標準規范性、操作可行性和系統完整性原則，整體設計、分步研發，最終構建集課程訓練端、試題編輯端和評估考試端于一體的綜合性系統，即基于虛擬海圖室的航線設計教學與評估系統。系統構建組織框架見圖2。

圖2 系統構建組織框架

3.1 虛擬海圖室構建與交互

采用C++的Qt界面和OSG(Open Scene Graph)三維虛擬引擎技術，依據實船海圖室結構布局構建虛擬海圖室，作為系統的操作平臺界面，在構建過程中，圍繞圖形的逼真性、布局的合理性、功能的完整性和操作的可行性展開。虛擬海圖室主要包括海圖桌、海圖柜、航海書架作圖工具。

為貼近實船的操作環境，視覺空間性、可移動性和海圖圖書所需交互性是整個系統功能實現的基礎與前提。通過鼠標左鍵、右鍵和中間滾輪，以鍵盤相應操作鍵實現虛擬海圖室內全方位漫游，海圖抽選、查閱、作業圖書抽選、查閱、作業等動態交互。虛擬海圖室和交互見圖3。

圖3 虛擬海圖室和交互

為滿足海圖圖書作業的需求，創建相應虛擬輔助工具。海圖工具菜單包括海圖改正工具、航線繪制工具、航跡繪算工具和純文本編輯；圖書工具菜單包括文字編輯和圖片編輯；輔助工具菜單能隨同所抽取的海圖或圖書，在全屏閱覽模式下自動顯示，以供作業選擇。

3.2 電子化圖書資料管理

為滿足航線設計試題編輯和教學與評估過程中所需海圖與圖書資料的要求，在虛擬海圖室中設計電子化圖書資料管理?？蓪㈦娮踊D與圖書資料數據導入虛擬海圖室，并放置在海圖柜和書架上，作為教學與評估的資源數據庫，為整體系統功能實現提供重要的資源支撐。電子化圖書資料管理包括航海圖書管理、紙質海圖管理和矢量海圖管理，可實現電子化海圖圖書資料的添加、刪除和替換，以及基本信息的編輯、保存和調用等功能，以實現海圖圖書資料的增加補充、版本更新、內容改正和分類管理等。

3.3 綜合試題編輯器設計

綜合試題編輯器是系統中進行綜合試題編輯制作的核心平臺，更是航線設計教學培訓、考核評估試題的關鍵支撐。根據航線設計培訓大綱和評估規范的要求，整理評估要素，分析評估指標，設置評分標準，確立指標權重。綜合試題編輯器包含評估內容和評估要素分級選擇；各評分指標、答案標準和指標權重的編輯與設置，實現試題的創建、編輯、保存和調用。主菜單模塊包括模擬航次任務、查閱圖書資料、抽選航次圖書、圖書資料改正、繪制航線及制表和航跡繪算等5大模塊評估內容。試題編輯器設計方案見圖4。

圖4 試題編輯器設計方案

3.4 自動評分模型確立

對學員的評估過程和結果的自動評判是構建整個系統的核心，確立科學合理、實際可行的評分模型尤為重要。

根據航線設計評估內容和試題的特點，評價指標答案大部分為定量數值，如抽選海圖的圖號與圖書的書號、查詢某個燈標的射程和燈質和獲取推薦航線的轉向點等。但是，航線繪制模塊評估中依然存在一些非定量評分指標，且影響因素具有不確定性和模糊性。因此，為更科學合理、客觀公正地對航線設計進行評判，需按定量評價指標和定性評價指標分別進行選擇和確立模型。

據資料顯示，我國政府有出臺相關條例和通知要求高校加強對大學生應急救護教育。早在1990年，我國教育部及衛生部就在《學校衛生工作條例》中指出“學校應當把健康教育納入教學計劃,普通高等院校應當開設健康教育選修課或講座”；2014年，江蘇省教育廳發布了《關于實施我省百萬大學生應急救護提升行動的通知》。政府在醫療改革方面也注意到了應急救護的重要性，《江蘇省深化醫藥衛生體制改革規劃(2018-2020年)》文件中關于重點任務里提及要健全完善醫療衛生服務體系，其中落實急救等醫療衛生事業專項規劃，以及要進一步完善衛生應急體系。

3.4.1定量評價指標評分

為實現航線設計科目中定量評價指標的自動評判，需綜合考慮學員作答結果的準確度和操作過程的熟練度。準確度可通過比對學員作答結果和試題編輯時設置的參考答案進行評價；熟練度通過分析學員操作步驟的記錄和完成試題的時間進行評價。[6]評分算法模型設計如下：

假設：X為評估大綱中的各項評估要素，F(X)為學員完成評估試題的最終得分；x1,…,xm為容易與試題要求的內容混淆的操作、參數以及功設置相對應的指標;xm+1,…,xm+n為其他系統參數指標；t為學員作答試題的時間。

(1) 學員操作結果函數為

FX(x1,x2,…,xm,xm+1,…,xm+n)

(1)

(2) 參考答案函數為

GZ(z1,z2,…,zm,zm+1,…,zm+n)

(2)

(3) 學員作答結果準確度評分運算函數為

(3)

(4)

(4) 學員作答步驟熟練度評分運算函數為

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：i=m+1,m+2,…,m+n；C2為作答熟練度占總分的權重。

(5) 學員作答時間熟練度評分運算函數為

(7)

式(7)中：N為試題總數;C3為時間熟練度占總分數權重;ti為學員第i題實際作答時間;T為標準用時或平均完成時間。

(6) 學員最后總得分為

F(X)=F1(x,z)+F2(x,z)+F3(t)

(8)

3.4.2定性評價指標評分

在同一航次任務下，每個學員都會根據不同考慮側重點繪制不同的航線，以船舶安全、經濟為前提條件很難確定唯一的標準航線。因此，理論上規避一些涉及影響船舶安全和明顯不合理性的因素，如何判定一條航線是否為最佳是一個模糊概念，更沒有明確統一的標準。通過參閱文獻[9]和文獻[10]，采用“模糊綜合評價方法”作為航線繪制中定性評判指標的評估模型，并最后通過計算機得出綜合評估結果。

(1) 確立因素集。影響航線繪制評估的因素很多，根據學校培訓過程中學員平時訓練和考試成績分析，導致航線計劃與繪制失分的主要因素在于查閱航線資料和航線繪畫過程中的安全性、經濟性、準確性、規范性和時效性。

(2) 評價集。根據我國海事局評判等級要求，劃分為優、良、中、及格和不及格等5個等級。

(3) 單因素模糊判斷并建立因素權重集。在實踐過程通常采用層次分析法和德爾菲法。

(4) 確定評價指標的隸屬度。非定量評價標準可通過航海理論知識和通常良好習慣做法，結合學員調查報告等確定。

(5) 確定評價指標的權重。采取直接定權法進行數值量化，通過對航線設計培訓教師和船長進行調研，結合其自身航海經驗和專業認識確定每個指標的權重，最后取平均值作為最終指標權重值。

在確定評價指標的隸屬度和權重的基礎上，利用加權平均型模糊算子對因素權重集和評判矩陣集進行矩陣相乘，即可求得綜合評判結果，同時，根據加權平均原則即可得到考生航線設計的最后評估結果。

4 結束語

本文基于虛擬海圖室的航線設計教學與評估系統的設計研究為下一步實現系統開發與應用提供了方向指導與方案支撐。系統的設計與研發是對現有航線設計的教學平臺、培訓方法和評估模式的改革與創新，使現代科技與傳統航海完美結合，以彌補教學評估與實際需求方面存在的斷層與脫鉤問題，改善航線設計的培訓效果和評估的客觀公正性，提高我國船員的專業素養和實踐能力，更加符合行業發展的現實要求。