工程教育專業認證背景下輪機虛擬仿真實驗教學的探索

叢巖　王寶軍　姜興家　楊少龍

摘 要：為響應我國建設世界水平的工程教育體系，促使我國從工程教育大國走向工程教育強國的戰略部署，培養滿足《工程教育專業認證標準》的航海類專業人才，提升實驗課程的教學質量，對輪機虛擬仿真實驗教學模式進行了研究，建設了輪機虛擬仿真實驗教學平臺并應用于本科教學。通過虛實結合輔助現場實操，取得一定的教學效果。對工程教育專業認證背景下輪機專業實操類實驗課程的教學改革有借鑒的意義。

關鍵詞：工程教育專業認證;輪機;虛擬仿真;實驗教學

中圖分類號：U664.8? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0068-03

1背景

工程教育專業認證是工程教育在國際上互認和工程師資格國際互認的基礎。2016年6月，我國正式成為《華盛頓協議》第18個成員國，這意味著通過認證專業的畢業生學位會得到國際互認，同時也標志著我國高等教育走向了世界[1]。2018年9月，教育部、工信部和中國工程院發布了《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》，強調為適應新一輪科技變革和科學技術的快速發展，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國[2]。

工程教育認證要求專業培養的目標為“對該專業畢業生在畢業后5年左右能夠達到的職業和專業成就的總體描述”，強調的是學生解決復雜工程問題的能力。這要求在對輪機管理專業學生的培養上，不僅要滿足國家海事局基于STCW公約對航海類專業人才培養的要求，更要滿足《工程教育專業認證標準》，具備結合所學專業理論知識解決和應對實際復雜工程問題的能力[3]。

虛擬仿真實驗教學課程作為教育部著力打造的五大金課之一，是一流本科課程建設“雙萬計劃”的重要部分[4]。虛擬仿真實驗教學借助現代信息技術與實驗教學的深度融合，通過多通道感知人機交互的學習有利于學生先驗知識的建立和發展，有助于學生更加關注自己的學習任務，有利于學生的學習能力、溝通能力和組織能力的發展和提高[5]。

將虛擬仿真技術應用于輪機管理專業的實操類實驗課程符合國家實驗教學信息化，建設國際高水平工程教育體系的戰略要求。

2建設輪機虛擬仿真實驗教學平臺的必要性

輪機管理專業本科生需要完成一系列現場實操類的實驗課程。例如輪機綜合實驗和機艙資源管理兩門必修實驗課。這兩門課程都是綜合類實操實驗，涉及到的專業知識非常廣泛和復雜。讓學生在有限的時間內，熟練地應用所學知識完成現場操作并解決復雜問題的難度非常大。另外，學生在沒有豐富實際操作經驗的情況下直接現場操作真實的設備，對學生自身的安全，對實驗室的安全都帶來不小的威脅！

學生實操的場所為大連海事大學陸上機艙實驗室，要完成實驗需起動系統和真實的設備，燃油、電力等能耗非常巨大，設備的維修和維護成本非常高。由于現場實操的條件所限，學生的操作效率低，誤操作頻率高，分組操作導致學生的操作步驟也不完整。

基于VR等信息技術建立輪機實操類實驗課程的虛擬仿真實驗平臺，應用于輪機專業本科的實驗教學以輔助現場實操，既可以大大降低實操類實驗的各種成本，提高實驗的安全性，又可以提高實驗教學質量，還可以通過加深學生的具身認知，提升學生的實驗興趣和學習效率，提升學生應對和處理復雜工程問題的能力。

3 輪機實操類實驗課程虛擬仿真教學模式

輪機實操類實驗虛擬仿真教學的目標是利用虛擬仿真的教學環境提升學生感性認識，加深學生對業務知識的理解，完成輪機管理知識的系統學習，掌握所學并能靈活運用，提升解決現場實際設備不能夠模擬的復雜問題的能力，從而提升安全意識和敬業精神，彌補傳統現場教學方法中的不足。此類教學模式在傳統的單向輸出式教學的基礎上有所改進和提升。通過前期的準備，教師分析學生所掌握知識結構的現狀和學習需求，準備教學內容并在線發布預習內容和虛擬仿真實驗教學幫助文檔，學生通過仿真系統漫游機艙，學習業務，完整操作和線上考核，從而輔助完成現場實操課程。此外，仿真系統把實驗過程中各數據經統計分析后反饋給學生、系統設計人員和實驗教師，以完善系統平臺和教學內容，形成實驗教學的閉環系統。

利用實驗教學的線上學習，仿真操作，線上考核，輔助現場實操和現場考核，通過數據的收集、處理和反饋，形成閉環，指導和完善實驗過程和實驗內容，完善教學平臺，是與傳統實驗模式最顯著的不同之處。

4 虛擬仿真平臺的建設、實施及效果

依托大連海事大學陸上機艙實驗室建設輪機虛擬仿真實驗平臺。實驗室建筑面積5000平方米，分為5層，涵蓋了船舶機艙所有的設備及儀器儀表和系統，選用目前遠洋船舶上具有代表性的船用設備，以實船標準嚴格按照中國船級社入級規范建造。

陸上機艙實驗室每年要承擔輪機管理專業大四本科生近1400左右學時的必修實驗課程和大約800學時的社會船員實訓和評估，學生必須在完成大部分專業課的學習，完成教學實船上的實踐環節，并有了深刻的感性認識和理解的基礎上，才能在陸上機艙實驗室開展綜合類實操實驗課程的學習。

按照輪機實操類實驗課程虛擬仿真教學模式，項目組設計了輪機虛擬仿真實驗教學系統的架構，建設了虛擬仿真實驗教學平臺。

仿真教學系統的授課模塊包括：對機艙所有設備的介紹，對性能參數、維護保養管理要點、操作要點的講解，對燃油、滑油、海水、淡水、空氣、蒸汽、電路等各個系統的介紹和講解。學生可在陸上機艙的3D虛擬場景中，通過人機交互指示標識任意的場景中漫游和行走，在不同的場景中，激活智能顯示的熱點、熱區或設備部件，調出相關的音頻、視頻、模型、動畫或設備結構細節的展示，學習相關知識，掌握操作和管理要領，如圖1所示。

系統的仿真操作模塊包括：備車、機動航行、定速航行和機艙的巡回檢測、完車等關鍵操作的學習和仿真操作。在智能交互指示標識的引導下，學生在機艙中行走和轉換不同視角，完成各操作步驟，仿真啟動各船舶系統和設備。也可設置不同系統和設備的故障，這時系統中各模擬量和開關量的參數會對應發生變化，并發出聲和光的報警，學生根據各故障現象，通過觀察各變化中的系統參數，分析故障原因，解決并處理故障，完成仿真實驗，如圖2所示。

從2017級輪機管理專業中選取了兩個班級，在輪機綜合實驗課上應用了仿真實驗教學系統以輔助現場實操。設計了調查問卷評估教學效果，采用李克特五級量表評估學生實驗過程中的感受和實驗效果。結果表明，學生普遍對采用虛擬仿真實驗教學系統輔助現場實操的教學方法持正面和積極的態度，認為這種方式有效、有趣而且印象深刻，在實操環節中效率更高了，手動操作更加大膽了，團隊協助更加順暢和有效了。

經過對平臺反饋的數據進行統計和分析及在學生中的走訪發現，不同學生對信息技術的掌握程度不同，有的甚至從來不玩電腦或手機的游戲，不同學生掌握仿真教學系統的操作和使用方法，并靈活運用于仿真操作的熟練度也不同。虛擬仿真系統可線上操作，學生的操作環境并不是統一授課的教室，不同的環境導致學生在實驗過程中的專注度不同。所以，現階段需要完善的是：軟件和系統的幫助文檔，并在軟件中加入計時、提醒等功能，提高學生在虛擬仿真實驗教學平臺上的實驗效率和專注度。

5 結語

輪機虛擬仿真實驗輔助現場實操通過虛實結合，彌補了傳統實驗教學中的短板，激發了學生對輪機綜合類實驗的熱情，提高了學習效率和教學質量。降低了輪機綜合類實驗現場實操的實驗成本和安全隱患。

隨著新一輪科技革命和產業變革的不斷深化，為培養更加適應未新技術和新產業發展符合工程教育認證標準的創新型工程技術人才和航海類專業人才，應進一步完善輪機虛擬仿真實驗教學系統，提高學生的工程能力，以響應國家建設世界一流教育強國的戰略需求。

參考文獻：

[1]任燕，習智華，邢建偉，徐成書.基于工程教育專業認證的染整工藝實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2020，39（02）：186-189.

[2]教育部 工業和信息化部 中國工程院關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見[J].中華人民共和國教育部公報，2018（10）：13-15.

[3]趙旭，黃瑞，馮茹梅.工程教育認證背景下工科專業人才培養體系改革的研究與實踐——以大連海事大學交通運輸專業為例[J].航海教育研究，2020，37（03）：66-72.

[4]國家級五大“金課”首次一并亮相[J].中國電力教育，2020（11）：6.

[5]劉革平，王星.虛擬現實重塑在線教育：學習資源、教學組織與系統平臺[J].中國電化教育，2020（11）：87-96.

基金項目：遼寧省教育科學“十三五”規劃2020年度立項課題“遼寧省智能船舶航海類專業人才培養研究”（JG20DB057）;華中科技大學實驗技術研究項目“船用電機降壓啟動控制虛擬仿真實驗”（2021ch01）;大連海事大學教改項目“線上線下混合式學習教學設計的實施與實踐工作坊”（JF2020Y13）。