基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)設(shè)計(jì)

葛子恒 王帥軍 龔雅萍 高超楠

[摘 要]隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于輪機(jī)工程課程的教學(xué)模式進(jìn)行深度挖掘已經(jīng)成為航海類院校教育體系較為重視的問題。基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)成為目前本專業(yè)課程的一種新實(shí)踐。通過對(duì)輪機(jī)自動(dòng)化課程應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開展教學(xué)的可行性進(jìn)行分析，探討了課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，進(jìn)而提出了具體的設(shè)計(jì)策略。以期提升輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)的效率，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)與發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室;輪機(jī)自動(dòng)化;課程設(shè)計(jì)

[基金項(xiàng)目]2019年浙江海洋大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”（xj2019044）

[作者簡介]葛子恒（1996—），男，浙江杭州人，浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院在讀本科生，研究方向?yàn)檩啓C(jī)工程;王帥軍（1987—），男，浙江嵊州人，工學(xué)碩士，浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事船舶動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)研究。

[中圖分類號(hào)] U665.1[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-05-19

一、引言

輪機(jī)自動(dòng)化是隨著船舶現(xiàn)代化發(fā)展而產(chǎn)生的課程，是輪機(jī)工程專業(yè)的核心課程，該課程有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是內(nèi)容廣泛，機(jī)艙內(nèi)有各種機(jī)電設(shè)備，多數(shù)機(jī)電設(shè)備需要一個(gè)或多個(gè)控制系統(tǒng)才能正常運(yùn)行，課程涉及各種類型的自動(dòng)控制系統(tǒng)。二是理論性極強(qiáng)，輪機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的基本是自動(dòng)控制理論，無論是經(jīng)典控制理論，還是現(xiàn)代控制理論，都需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具、邏輯代數(shù)、數(shù)字電路等基礎(chǔ)知識(shí)。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的開展，可以提供良好的專業(yè)實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)施并且對(duì)教學(xué)平臺(tái)的利用率高，成為輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)新方向。因此，本課程的設(shè)計(jì)將虛擬技術(shù)與輪機(jī)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，利用現(xiàn)有的船舶機(jī)艙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建輪機(jī)自動(dòng)化課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，授課內(nèi)容緊貼前沿技術(shù)，在教學(xué)方式上推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立操作，可大大提高輪機(jī)自動(dòng)化授課的效果，大幅增強(qiáng)課堂中學(xué)生的直觀體驗(yàn)。

二、輪機(jī)自動(dòng)化課程現(xiàn)狀分析

（一）教學(xué)資源現(xiàn)狀

“輪機(jī)自動(dòng)化”課程是獲得船員適任證的必修科目，在現(xiàn)有的教學(xué)體系下，輪機(jī)模擬器實(shí)訓(xùn)室是教學(xué)的關(guān)鍵，主要在于課堂理論知識(shí)的實(shí)踐運(yùn)用，其教學(xué)資源體系主要有校內(nèi)講義、課件，校外網(wǎng)課，相關(guān)技術(shù)實(shí)踐、輪機(jī)模擬器等，雖然在傳統(tǒng)的教學(xué)資源投入力度都很大，可是在船舶機(jī)艙虛擬仿真這一塊沒有深度涉及。而且這門課程的綜合性很強(qiáng)，目前的教學(xué)資源并不滿足實(shí)際需求。還受船舶自動(dòng)化水平飛速發(fā)展的影響，其教學(xué)資源面臨著世代交替快，缺乏實(shí)例等問題，同時(shí)實(shí)踐階段授課時(shí)間比例小，學(xué)生數(shù)量多，實(shí)驗(yàn)教育跟不上船舶設(shè)備發(fā)展的新趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)能力也偏弱。因此，如何圍繞船舶動(dòng)力裝置知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)內(nèi)容，使之適應(yīng)海事專業(yè)的課程體系并培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中分析問題，解決問題的能力，是教學(xué)質(zhì)量不斷提高所要解決的重要問題。

（二）教學(xué)模式現(xiàn)狀

在理論教學(xué)方面，現(xiàn)有的輪機(jī)自動(dòng)化課程分為理論講授和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面，單獨(dú)設(shè)置輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)課程體系設(shè)置的缺點(diǎn)是破壞了海事工程系統(tǒng)的整體概念，各課程之間缺乏相互聯(lián)系性，不利于學(xué)生對(duì)綜合課程的理解，再加上缺乏綜合性教學(xué)手段，專業(yè)課程知識(shí)聯(lián)系不上，學(xué)生學(xué)習(xí)效率明顯偏低。

在實(shí)踐教學(xué)方面，輪機(jī)模擬器仍是航海類專業(yè)訓(xùn)練的重要設(shè)備。一般的實(shí)踐教學(xué)模式就是圍繞著大型輪機(jī)模擬器系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)可對(duì)船舶柴油機(jī)及其遙控系統(tǒng)進(jìn)行仿真和演示，監(jiān)控主機(jī)情況，并對(duì)船舶電站進(jìn)行集中監(jiān)測和報(bào)警。對(duì)燃油，壓縮空氣和壓載水系統(tǒng)等相應(yīng)的功能進(jìn)行仿真。學(xué)生通過輪機(jī)模擬器的操作，掌握輪機(jī)自動(dòng)化理論的具體應(yīng)用，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是理論課程無法替代的。但實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)與講義完全分離，所以輪機(jī)模擬器的效果不佳，同時(shí)涉及設(shè)備的安全問題，實(shí)驗(yàn)室開放性不足，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的自由度不夠。因此，加強(qiáng)利用實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源，開發(fā)模擬仿真實(shí)驗(yàn)室這類更加高效且安全的教學(xué)方式，是教學(xué)效果優(yōu)化的關(guān)鍵。

（三）虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)現(xiàn)狀

隨著輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)的發(fā)展，我國的航海院校對(duì)虛擬仿真的教學(xué)平臺(tái)建設(shè)越發(fā)重視，其中大連海事大學(xué)發(fā)揮了龍頭效應(yīng)，在2012年先研發(fā)建立了DMS系列虛擬機(jī)艙資源管理系統(tǒng)，并成為國家精品課。隨后將此系統(tǒng)推廣到其他海事高校并達(dá)到了實(shí)操階段。如天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院和浙江海洋大學(xué)分別向大連海事大學(xué)采購了虛擬現(xiàn)實(shí)型輪機(jī)模擬器。這種輪機(jī)操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由半實(shí)物輪機(jī)模擬器，二維軟件，三維軟件與管理軟件四個(gè)部分組成，以滿足學(xué)生日常教學(xué)訓(xùn)練的需要，因此，基于此現(xiàn)狀下，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室并入輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)成為可能，為課程設(shè)計(jì)提供了重要的建設(shè)基礎(chǔ)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室適用于輪機(jī)自動(dòng)化課程的可行性分析

1.本次教學(xué)課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，即在網(wǎng)絡(luò)模塊化的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，網(wǎng)絡(luò)模塊的升級(jí)和功能擴(kuò)展均為原設(shè)備上的擴(kuò)展，各模塊可單獨(dú)訓(xùn)練或在線訓(xùn)練。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可以再現(xiàn)模擬器實(shí)驗(yàn)的所有功能，還可以用于網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和遠(yuǎn)程輪機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)教育，因此在本教學(xué)設(shè)計(jì)中，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)入教學(xué)是完全可能的。

2.傳統(tǒng)的輪機(jī)自動(dòng)化課堂學(xué)習(xí)過程分為兩個(gè)階段：信息傳遞和吸收。前者是通過師生之間的互動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的;后者是課后由學(xué)生自行完成。由于指導(dǎo)和幫助不足，學(xué)生在吸收內(nèi)化階段往往會(huì)出現(xiàn)問題。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的輪機(jī)自動(dòng)化課堂重建了學(xué)習(xí)過程。信息傳輸是基于諸如教師在授課前提供的相關(guān)教學(xué)資源，然后由學(xué)生自主在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行自我探索與完善的。而吸收內(nèi)化是通過授課中的互動(dòng)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)之后所得，因此，在這個(gè)過程中，教師也能夠事先理解學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀以及存在的問題，進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)后的授課中進(jìn)行有效的指導(dǎo)，同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)學(xué)生之間的相互交流也有助于促進(jìn)知識(shí)的吸收內(nèi)化。

3.關(guān)于我校輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)引進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室也是具有可行性的，學(xué)校是海洋運(yùn)輸工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的實(shí)際參與者，曾參與過相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的場地落實(shí)，功能布局和軟硬件系統(tǒng)分采購與安裝等工作，因此對(duì)于本課程的設(shè)計(jì)具有一定的基礎(chǔ)。另外，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金充裕，購買相關(guān)裝置和設(shè)備不存在經(jīng)濟(jì)上面的困境，因此對(duì)于課程設(shè)計(jì)有較大助力。最后，經(jīng)過相關(guān)調(diào)研，輪機(jī)自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的學(xué)生對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)持有很高的熱情，完全有利于其后教學(xué)工作的順路開展。

綜上所述，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)無論是從師資上，教學(xué)設(shè)施上，還是教學(xué)資源、資金支持等方面都具備一定的可行性，且相關(guān)專業(yè)學(xué)生也對(duì)此持有極大的熱情，為該課程設(shè)計(jì)提供了可靠的保證。

四、基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的輪機(jī)自動(dòng)化課程的教學(xué)設(shè)計(jì)

本課程設(shè)計(jì)在講授內(nèi)容上的框架和結(jié)構(gòu)不僅符合學(xué)生綜合技能的培育規(guī)范，而且更加貼近實(shí)際的工作任務(wù)或工作場景，通過順序教學(xué)內(nèi)容和科學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，將船舶輪機(jī)自動(dòng)設(shè)備工作機(jī)理理論和自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生具有機(jī)艙自動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程分析能力和較強(qiáng)的邏輯思維，故障判斷能力，進(jìn)而培養(yǎng)自動(dòng)化船舶管理人員一定的分析和解決問題的能力。

（一）多種教學(xué)方法的結(jié)合利用

運(yùn)用案例分析法教學(xué)。基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)行案例分析法教學(xué)，即對(duì)學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，然后引出相關(guān)理論知識(shí)的教學(xué)，進(jìn)而進(jìn)行分組討論與分析，得到一定結(jié)論后，讓學(xué)生再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所思所想，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度知識(shí)拓展，引發(fā)學(xué)生自我探索的欲望，自行探索與尋求答案。

展開角色模擬教學(xué)。建立了一個(gè)真實(shí)的工作環(huán)境，開拓了學(xué)生的思路，提高了學(xué)生的實(shí)踐技巧，實(shí)現(xiàn)了輪機(jī)自動(dòng)化教育的直觀性和交互性，推進(jìn)了自我控制理論與實(shí)踐的結(jié)合。例如，“宏管輪”應(yīng)該基于與主機(jī)啟動(dòng)相關(guān)的條件來判斷主機(jī)啟動(dòng)邏輯條件的滿足，能夠基于預(yù)先設(shè)定的故障來解析的判斷，并進(jìn)行與之相應(yīng)的故障排除。通過情景任務(wù)與生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的有機(jī)結(jié)合，大力鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的綜合能力。

（二）現(xiàn)代教學(xué)手段的充分運(yùn)用

充分利用多媒體教學(xué)手段。自主開發(fā)和應(yīng)用的多媒體教材將以往抽象枯燥的說教轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)的動(dòng)態(tài)演示和講課，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為接下來的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

深度進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。關(guān)于輪機(jī)自動(dòng)化設(shè)備的仿真操作，使用和維護(hù)等，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練，直到熟練為止即在教學(xué)過程中，實(shí)現(xiàn)“教，學(xué)，做”一體化的工學(xué)結(jié)合教學(xué)模式，加深對(duì)學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)的理解，提高實(shí)踐能力。最后，把相關(guān)教學(xué)課程放到網(wǎng)絡(luò)課堂，以便學(xué)生課后進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，也能及時(shí)的反饋學(xué)生的知識(shí)技能掌握情況。具有教學(xué)實(shí)踐路線圖（如圖3所示）。

（三）構(gòu)建多元評(píng)價(jià)體系

一個(gè)優(yōu)秀的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，除了充分利用好教學(xué)資源，即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室之外，還要注重學(xué)生的多元化考核評(píng)價(jià)體系，這是對(duì)于教師教學(xué)，以及學(xué)生知識(shí)掌握度反饋的一個(gè)有效手段。因此，建立完善的學(xué)生考核評(píng)價(jià)體系是綜合評(píng)價(jià)本課程教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的重要準(zhǔn)繩之一。這門課的成績是由專業(yè)知識(shí)和專業(yè)能力兩個(gè)部分構(gòu)成的。其中，專業(yè)能力的實(shí)際操作評(píng)價(jià)采用卡片提取方式，根據(jù)提取的卡片具體內(nèi)容進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的隨機(jī)測試。評(píng)估主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估：職業(yè)責(zé)任感和認(rèn)真工作的作風(fēng)能力，獨(dú)立達(dá)成任務(wù)的能力，討論與回答問題的能力，仿真實(shí)驗(yàn)中具體項(xiàng)目的協(xié)作能力，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作能力。這注重實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)體系更加有利于課堂教學(xué)的深入開展，有利于學(xué)生的動(dòng)手學(xué)習(xí)能力的提升。相互之間的關(guān)聯(lián)如圖4所示。

五、結(jié)語

采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室來進(jìn)行輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)的相關(guān)改革探索，首先改變了原本傳統(tǒng)教學(xué)方式枯燥的授課方式，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于輪機(jī)自動(dòng)化的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。其次采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能使輪機(jī)自動(dòng)化課程更加貼近于實(shí)際操作，避免了教學(xué)發(fā)生閉門造車的情況，使得學(xué)生進(jìn)入工作時(shí)可以更快適應(yīng)。最后通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)的具體設(shè)計(jì)，可以有效地掌握學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握情況，對(duì)學(xué)生的最后成績打分更加客觀和多元。這種基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)設(shè)計(jì)有利于加強(qiáng)學(xué)生的興趣，以及加深理論知識(shí)的吸收和動(dòng)手能力，進(jìn)而促進(jìn)課堂的高效展開。

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Research on Teaching Reform of Marine Automation Course Based on Virtual Simulation Laboratory

GE Zi-heng， WANG Shuai-jun， GONG Ya-ping， GAO Chao-nan

（School of Port and Transportation Engineering， Zhejiang Ocean University，

Zhoushan， Zhejiang 316000， China）

Abstract： With the progress of science and technology， it has become an important issue in the education system of maritime colleges to dig the teaching mode of marine engineering course. It has become a new practice to teach Marine Automation course based on virtual simulation laboratory. This paper analyzes the feasibility of the application of virtual simulation laboratory in the teaching of Marine Automation course， then discusses the key issues of course design， and then puts forward specific design strategies， aiming to improve the efficiency of Marine Automation teaching and promote students' in-depth learning and development.

Key words： virtual simulation laboratory; Marine Automation; course design