船舶動力裝置虛擬仿真實驗教學研究與改革*

施 騫

（浙江海洋大學 船舶與海運學院 浙江舟山 316022）

前言

教育部早在2017年就計劃全國涵蓋60多個專業相繼建設完成1000多個實驗室項目，并通過這些實驗室的建設以實現我國高校實驗教學改革和信息化建設，但針對于船舶動力裝置專業的虛擬仿真實驗室，在較多涉海大學中仍在建設和探索過程中。教育部同樣在一流本科課程建設規劃中也把虛擬仿真作為一個重要目標，在2021年共建設了1500多國家級虛擬仿真實驗室。可以看出，國家大力支持高校建設專業型虛擬仿真實驗室，并在未來仍將把虛擬仿真實驗室作為高校實驗室建設的核心工程。

基于虛擬現實的仿真技術主要包含兩個方面，一方面是虛擬現實技術，對仿真對象進行三維模型的建立，反映的是仿真對象的物理特性和行為特征，側重的是外在的表現形式。另一方面是系統仿真技術，根據仿真對象的原理、結構等抽象出知識模型、數學模型，從而真正反應現實世界的運動規律，從而實現兩者相輔相成。

虛擬現實技術和虛擬仿真系統是虛擬仿真實驗室建設的兩個重要組成部分。其中，虛擬現實技術通過三維建模技術構建出仿真對象模型，進而模擬仿真對象的表面特征、結構特征、物理運動特征、表現形式等特性。另一方面，仿真系統能夠提取和獲得仿真對象的知識模型、數學模型、力學模型等，進一步通過學習和模仿現實世界中仿真對象的基本規律。

相關文獻和書籍已經發表了有關推進裝置的虛擬仿真建模的研究，其中推進動力裝置主要是柴油機，通過建立燃燒模型、瞬態模型、容積法模型，重點分析熱傳遞特性，多缸柴油機的瞬態燃燒特性，氣缸燃燒特性，渦輪增加采油機燃燒特性等，這些研究均為船舶動力裝置虛擬仿真技術的研發和投入使用奠下扎實的基礎[1-4]。

國內關于內燃機和柴油機系統仿真的研究也取得了相當可觀的成果。《內燃機工作過程仿真技術》書中詳細介紹了內燃機的工作原理、基本理論和研究方法，以及如何開發內燃機系統仿真技術。其中核心內容主要包括柴油機燃燒過程、燃燒機理、多維燃燒等與柴油機整體性能的仿真建設方法，為后續內燃機虛擬仿真技術的研究和開發提供了建設性的理論和非常完善的基礎介紹。大連海事大學孫建波教授為了改進現有增壓器仿真系統的不足，以集裝箱推進系統為虛擬仿真的主要模板，構建了國內外首批MAN B&W L90MC主機的零維仿真模型，為涉海專業虛擬仿真實驗室建設開創了先河。低速柴油機系統的非線性仿真一直存在技術難題，上海交通大學王長林教授通過不斷試驗并結合相關研究成果開發了該條件下的柴油機虛擬仿真，并在3.5萬噸油船推進系統運行仿真中得到了有力展示[5]。無獨有偶，大連海事大學王海燕博士，借鑒國內外有關動力裝置虛擬仿真的諸多方法（平均值法、容積法、狀態空間方法等），構建了輪機系統仿真技術，能夠模擬多個型號柴油機的工作狀態[6]。

近年來，虛擬仿真技術備受青睞，高校、企業和研究機構均把虛擬仿真實驗室建設和裝備技術開發作為新型實驗室建設的核心工程。如波蘭UNITEST，挪威KONGSBERG，英國TRANSAS等諸多企業和機構均把船舶動力裝置的虛擬仿真實驗室建設作為船舶實驗室的必備項目。波蘭UNITEST公司自主開發了船舶機艙系統的三維仿真，船員能夠使用立體圖像的模擬軟件在機艙實際訓練中進行非常真實的學習和探索機艙的基本操作。挪威KONGSBERG和英國TRANSAS也都推出了自己的相關機艙虛擬產品，功能和技術大同小異，主要包括漫游、巡查和操作，主要存在的技術難題還是在二維和三維建模上[7-8]。三維的交互操作對硬件和軟件的要求都要高。

結合我校“一流學科”建設、教育部新工科研究與實踐項目、國家卓越農林人才教育培養計劃改革項目試點高校，國家級實驗教學示范中心等平臺。以本次申報為契機，進一步加強與產業全方位合作，積極爭取引入企業的設備和技術等相關資源，進一步深化教學改革，利用虛擬仿真技術，提升教育信息化水平，努力為學生工程實踐能力提升與創新創業能力發展平臺創造條件。

一、實驗教學研究內容

船舶動力裝置虛擬仿真實驗教學研究與改革應全方位設計船舶動力裝置虛擬仿真實驗教學課程。主要包括：一是建設以我院本專業老師為核心的課改項目，為船舶動力裝置虛擬仿真實驗課程提供課程所需素材和仿真課程腳本；二是邀請合作企業翰林匯為我院提供免費的技術支持，共同開發基于船舶動力裝置虛擬仿真實驗課程，并且支持知識三維可視化編輯的工具軟件感知Studio，配合培訓、指導教師完成三維仿真腳本和虛擬仿真實驗內容的搭建。

實現教育手段現代化，并對其進行推廣和創新，是開展虛擬仿真實驗的硬件基礎，也是提升學生課堂參與程度的關鍵。因此，應依據學生的參與程度，對智能化的操作方式進行劃分。一是虛擬仿真實驗室智能操作。主要是指在特定的實驗室內，依據現代信息技術作為工具和手段，將其置于特定的船舶動力裝置實驗中開展仿真實驗。借助特定的虛擬軟件，“真實”地呈現出來，使學生在生動形象的實驗場景中，深刻理解實驗過程中的相關知識，如量變知識、質變知識。另外，在具體的實驗教學中，教師還應緊緊圍繞學生的實際情況，結合實驗自動生成化學方程式，并在其中將船舶動力裝置實驗過程中所需要的藥品的性質、特點等全面地展示出來。二是在“真實”情境中，指導學生親自參與虛擬仿真實驗。教師要指導學生在真實的情境中，遵循科學的實驗流程，借助虛擬場景中的藥品、儀器等開展虛擬實驗，在保證安全的前提下參與實驗實踐。在虛擬情境中的學生選擇這種模式可以借助虛擬的實驗器材展開各種化學實驗活動。現如今，很多發達地區的學校都已將“DIS數字化實驗系統”虛擬仿真實驗室等與化學實驗教學之間進行了深入融合。相關的科研單位應加大研發工作，大力發展虛擬“實驗”。

二、實驗教學研究方法

如何激發學生在虛擬仿真課程中產生非常濃郁的學習興趣和發揮主觀能動性非常關鍵，要體現基本要求基礎上的研究與探索，凸顯高階性、創新性與挑戰度，提高學生自主學習與探究的能力，培養學生在學習中發現新問題，在新問題中尋找解決方法。主要有以下要求和特點：

1.實驗設計內容要突出學科專業特色，發揮虛擬仿真技術優勢，符合學校的定位及專業人才培養特點。

2.實驗設計要符合客觀規律，有明確的科學依據。仿真模型有科學性、推演性和交互性。

3.實驗過程要體現探究知識和解決問題，要有生生、師生互動的教學機制；實驗考核要突出對實驗核心知識和能力要素的過程考核，以便評價學生的達成度，實現對學生能力結構分析，并達到以此基礎不斷持續完善實驗設計的要求。具有沉浸式、可視化、情境化教學效果。

4.一般的使用流程主要包括：場景塑造—促使學生積極主動進入構建完成的教學模式—學會發現和總結自我虛擬場景學習過程中獲得的基本感受。此教學方法能夠促使學生把具備的基本理論知識與實踐緊密結合，從而在虛擬實操中進一步鞏固和加深理論知識的理解。這些是該教學模式的最大應用優勢，針對每位學生都會有多樣化的教學場景和應用過程。

實驗教學的基本模塊應該包含以下多個方面：一是學習目標，集中上課通過對各個學習模塊的介紹，使學生熟悉互動模塊的學習目標；二是前言和背景介紹，船舶動力裝置的工程背景、機艙結構工作原理、虛擬實操中的歷史知識和基本理論；三是實驗目的；四是船舶動力裝置的運行；五是船舶動力裝置運行過程的動畫結果；六是運行后的相關理論公式計算和運行結果數據；七是結果討論和分析；八是重復實驗；九是實驗報告的撰寫和格式要求。這些實驗教學基本模塊中最重要的一點是，學生要在每一個學習模塊中完成內嵌的問題做出正確的答案，進而評估學生對相關理論和實操的理解、掌握情況。該評估系統應允許暫停和暫存功能，以方便學生多次嘗試和多次練習。

在傳統的船舶動力裝置實驗教學中，由于實驗場地和器具、設備的局限性，還有時效性，必須以小組的形式進行具體實驗教學和實操，比如船舶動力裝置實驗需要至少1.5個小時。本文將推出一種新型的實驗前和實驗后互動學習模塊，可以更加聚焦實驗全班進行討論學習。學生在實驗前通過實驗前模塊學習實驗的相關流程、實驗的必備條件和工具，而后高效進入仿真實驗。已做過實驗的學生與未做過實驗的學生同時進入實驗后互動模塊，通過相互交流，完善注意事項，同時鞏固理論、確認學習目標。實驗后互動模塊可以采用Computer Assisted Learning（CAL）即計算機輔助學習。CAL有很多優點：一是很多船舶動力裝置在燃燒的過程中材料準備價格高、有安全問題、工況不易重復等；二是提升學生的參與度和學習熱情；三是學生可以隨時暫停和暫存自己的學習內容，不拘泥于實驗課時間；四是教師能夠分析和監督學生的學習進度和學習時間；五是可以解決真實大型機械和動力裝置的場地和建設成本問題。當然，虛擬仿真和CAL并不能完全替代真實的實驗教學，可以作為實驗教學的前期培訓和后期復習、反復演練的手段進行使用。

三、實驗教學的研究意義

對教學的重要意義：通過對船舶動力裝置虛擬仿真實驗教學的研究，能夠使船舶動力裝置虛擬仿真實驗教學更加具有主觀能動性，充分調動學生設計實驗、參與實驗、完成實驗的積極性，為常規試驗教學課程提供更便捷的服務。在此項目成果的支撐下，使學生能夠充分利用實驗教學時間更多地掌握試驗原理、儀器設備的操作、數據處理的方法，以及實驗結果的修正等。

對科研工作的重要意義：通過對船舶動力裝置虛擬仿真實驗教學的研究，能夠使科研項目的實施更為便利，科研團隊通過設計的相應軟件對試驗設備有更深的了解，大大縮短實驗前期準備的時間、試驗時間，減少不必要資源的浪費。根據實驗室的具體特點，對實驗結果進行適當的修正，使科研結果更具參考價值。

本項目可產生的社會效益：與企業共同建設基于三維建模、VR等技術的船舶動力裝置虛擬仿真實驗項目，完成省、國家級在虛擬仿真實驗課程平臺的對接，雙方配合開展國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作，開展認證虛擬仿真教學實驗課程的認定工作，為高校船舶動力裝置虛擬仿真實驗教學的發展起到良好的推動作用。

結語

本文針對船舶動力裝置虛擬仿真實驗教學研究與改革方面提出了高校建設虛擬仿真實驗教學研究的主要內容、研究方法、研究意義。指出：一是課程建設應以相關專業老師為核心設立課改項目，為船舶動力裝置虛擬仿真實驗課程提供課程所需素材和仿真課程腳本；二是聯合相關企業為高校教師提供技術支持和技術培訓，共同開發基于船舶動力裝置虛擬仿真實驗課程，并且支持知識三維可視化編輯的工具軟件感知Studio，配合培訓、指導教師完成三維仿真腳本和虛擬仿真實驗內容的搭建；三是實驗設計內容要突出學科專業特色，發揮虛擬仿真技術優勢，符合學校的定位及專業人才培養特點；四是實驗設計要符合客觀規律，有明確的科學依據。仿真模型有科學性、推演性和交互性。五是實驗過程要體現探究知識和解決問題，要有生生、師生互動的教學機制；六是改革的新教學方法能夠促使學生把具備的基本理論知識與實踐緊密結合，從而在虛擬實操中進一步鞏固和加深理論知識的理解。這些是該教學模式的最大應用優勢，針對每位學生都會有多樣化的教學場景和應用過程。