數字孿生船舶與課堂、實驗教學的融合探索

袁利毫，劉旸，昝英飛，陳淼

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

面對科學技術的更新換代，教育教學應走在其前列[1]，尤其在設計領域實現模型全三維化、設計數據可查詢、可衍生是必不可少的條件，因此數字孿生是未來教育方式變革的重要技術之一[2]。 針對船舶與海洋工程專業船舶設計教學目標[3]，推動數智化（數字化、智能化）技術與船海專業教育教學深度融合，重新構建教育教學信息化模式，解決當前船舶設計教學過程中人機交互手段匱乏、 學生難以掌握船舶設計流程、設計方案難以評估與優化等問題，改變傳統思維，開拓新思維，與行業領先設計理念銜接，儲備人才，進一步推動船海教育領域的格局和教學模式變革，實現教學管理的數智化。

1 船舶與海洋平臺設計教學知識點梳理與體系建設

以船舶與海洋工程專業核心課程《船舶與海洋平臺設計原理》為例，圍繞課程教學大綱，全面梳理傳統船舶與海洋平臺設計教學過程中較難掌握知識點和設計要素。 結合船舶設計課程教學目標，針對散貨船、油船、集裝箱船等代表性船型，進行船舶總體設計的知識點分析，包括主尺度選取、船體型線設計、總布置設計、主機功率選取等內容，并從穩性、快速性、操縱性、 耐波性等方面建立相應的教學評價指標體系；構建網上學習平臺，基于“智慧樹”慕課學習平臺，建立《船舶與海洋平臺設計原理》慕課、習題庫、思政案例庫、船型設計庫和專家講學課，將知識點碎片化，通過設計案例將知識重新組合，在翻轉課堂進行學生課后的案例設計評價。 圖1為本課程的慕課學習入口。 該課程獲批2021年黑龍江省線上線下混合式教學一流課程，配套教材獲評2021年工信部“十四五”規劃教材。

圖1 慕課建設

2 船舶在線虛擬設計教學平臺建設

將數字孿生船舶理念融入課堂和實驗教學中，構建線上線下、虛實結合、一體的教學模式。將“互聯網+”概念應用到特色實驗教學中去，師生可以在互聯網上共享虛擬實驗學習資源，學習方式自由、 學習時間自主，更有利于安排學習計劃，實現線下教學一體化。

2.1 在線總體設計部分

分析船舶設計流程，針對主流船舶開發三維船體、總布置、阻力與推進、操縱與耐波等數字孿生模型，建設了課堂和實驗教學所需的在線虛擬設計教學平臺。利用課題組在船舶總體設計、數字孿生、船舶運動建模與仿真等方面研究基礎和科研隊伍，重點構建了船舶與平臺需求分析和母型船選擇、排水量設計、主尺度設計、載重量校核、重心估算、穩性校核、船體阻力、推進、主機功率、航速、型線和模型生成、操縱性仿真等數字孿生模型，并完成在線虛擬設計教學平臺的軟件開發與系統集成測試。學生按照學號登錄，選擇設計任務書和母型船開始虛擬設計，教師使用工號登錄教師端，查看學生設計過程報告和結果，予以評價。圖2為船舶在線虛擬設計教學平臺。

圖2 船舶在線虛擬設計教學平臺

2.2 虛擬實驗操作部分

由于海洋平臺海上安裝風險高，模型實驗還原困難，課堂互動體驗不便，因此利用數字化與仿真技術，以構建“人在回路”的仿真實驗為標準，以高精準的多系統耦合運動數值建模與實時解算為技術核心，搭建了海洋平臺安裝虛擬仿真實驗平臺。 平臺分為工程認知、滑移裝船、浮托安裝、實驗考核4 個模塊，共計40個實驗交互操作步驟，涵蓋10 個核心知識點[4-5]。 學生可以在線（圖3a）或使用線下模擬器（圖3b）完成海洋平臺的安裝過程，實時感知不同環境下對平臺浮態、運動的影響，學習和掌握海洋平臺安裝要求，實現了課堂教學與工程應用的無縫鏈接，為學生構建了從設計、制造、安裝到運維的全鏈條完整專業知識體系，提升了學生對海洋平臺的認知和實驗水平，強化了學生的工程能力[6]。 將專業知識教學貫穿于整個安裝作業，使理論教學和工程應用互相印證，全方位梳理從設計到安裝的船海專業知識體系，該虛擬仿真實驗課程獲評2021年黑龍江省虛擬仿真實驗教學一流課程，并獲工信部推薦參評2021年國家級虛擬仿真實驗教學一流課程評審。 圖3為海洋平臺安裝虛擬仿真實驗平臺。

圖3 海洋平臺安裝虛擬仿真實驗平臺

3 教學實驗與效果評估

3.1 在線總體設計部分

依托船舶在線虛擬設計教學平臺，開展與課堂、實驗教學的交叉融合探索，由學生全程自主設計船舶并進行在線評估，同時建立教師與學生反饋機制對教學模式進行優化。 利用在線實驗教學平臺進行學生上機實踐，學生自主設計船舶并生成數字孿生船舶，進行在線評估，主要根據設計流程、船體模型、性能評估結果等進行學生成績評價；同時對照傳統授課方式進行對比分析，主要從教學質量、教學效果、學生反饋等方面設立多個指標，做到量化評估。

3.2 虛擬實驗操作部分

構建以數字孿生工程仿真為標準的實驗考核體系。不同于常規的流程虛擬仿真實驗，本實驗以經過工程驗證的船舶壓載數值模型、 船纜耦合運動數值模型為基礎，根據學生不同的實驗操作和環境條件，最多可進行多達10 條纜繩與駁船的運動耦合，實時生產精確的實驗結果，實驗結果經過模型實驗或實船數據校核，逼真反映船舶作業特性，形成以數據為中心的評價依據。同時課程以海上作業規范為準則，設置實驗的考核標準，形成以工程仿真為標準的科學評價體系。將教學科研深度融合，使科研成果全方位應用于教學領域，提升教學效果和效率，進一步促進科研創新人才的培養，實驗教學科研一體化。

圖4為實驗教學管理與評價平臺，圖5為虛擬仿真實驗教學中心。

圖4 實驗教學管理與評價平臺

圖5 虛擬仿真實驗教學中心

4 多元化考核方式

多元化的教學模式應配套以體現學生綜合能力的過程性考核和教師綜合評價方法為主[7]。 以《船舶與海洋平臺設計原理》課程為例，學生成績評定方式和構成如表1所示。

表1 學生成績評定方式和構成

5 結語

數字孿生船舶與課堂教學、 實驗教學的深度融合提供了一種船舶在線設計與實驗的教學模式，學生可在線獲取船舶性能計算結果并評估設計方案，解決了以往課程知識點抽象、 難以分析設計參數對船舶性能影響、設計方案大多依靠經驗優化等問題，利用大數據和智能化等技術實現所見即所得的教學效果。 船舶與海洋平臺設計與實驗全過程數據動態可視化，學生可實時直觀感知設計結果，更加易于理解和掌握船舶設計過程的因果和制約關系，進一步增強分析問題、解決問題和科研創新的能力。有效發揮學生的學習主體地位，激發學生的學習興趣，在自主解決設計問題的過程中，不斷獲得成就感，達到傳統教學模式難以達成的效果。