新工科背景下船體裝配實訓虛擬仿真教學探討

摘" 要" 新工科建設背景下，傳統課堂講解結合船廠參觀實習的船體裝配實訓課程教學模式已無法適應當前船舶產業結構和教育發展的要求。借助當前先進的計算機虛擬仿真技術開展實訓課程建設與改革，有助于解決船舶與海洋工程類專業實訓教學面臨的諸多問題，是培養具有科技創新思維、實踐能力以及國際競爭力的高素質人才的必然趨勢。對船體裝配實訓教學中存在的問題進行分析，在此基礎上論述虛擬仿真技術在船體裝配實訓教學中的重要性，探討將虛擬仿真技術融入船體裝配實訓課程的建設方法。

關鍵詞" 新工科；虛擬仿真教學；船體裝配實訓；船舶與海洋工程

中圖分類號：G642.44" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）08-0044-04

Research on Virtual Simulation Teaching of Ship Assembly"Training Course Under Background of Emerging Engi-neering Education//YANG Yuntao， GAO Hui

Abstract" Under the background of Emerging Engineering Education， the traditional teaching mode of classroom teaching combined with visiting shipyard for Ship Assembly"Training course can not meet the requirements of current ship-building industrial structure and educational development. The construction and reform of this practical training course with the help of the current advanced virtual simulation tech-nology is an inevitable trend to solve the problems in practi-cal training teaching of Naval Architecture and Ocean Engi-neering speciality and cultivate high quality talents with inno-vation thinking， practical ability and international competiti-veness. In this paper， we first analyze the problems existing in"the practical teaching of ship assembly training course. Then，"the importance of virtual simulation technology in the teach-ing of ship assembly training course is discussed. Finally， the construction method of integrating virtual simulation techno-logy into ship assembly training course is discussed.

Key words" emerging engineering education; virtual simula-tion teaching ; ship assembly training; naval architecture and ocean engineering

0" 引言

在新一輪的科技、產業革命背景下，教育部提出在高等學校推進新工科的建設與發展戰略[1-2]。新工科對學生的科技創新思維、實踐能力以及國際競爭力等提出前所未有的高要求，它的內涵除了在新技術革命背景下產生的新工科型專業（如智能科學與技術、人工智能、大數據、虛擬現實、云計算、區塊鏈等相關工科專業）外，還包括對傳統專業的升級改造[3]。船體裝配實訓作為高等學校船舶與海洋工程類專業的核心課程之一，旨在使學生在完成專業理論知識學習的基礎上，通過實訓掌握船體裝配的工藝知識和基礎技術，熟悉裝配的基本流程[4]。該課程實踐性強，存在成本高、安全風險大以及難以達到預期教學效果等問題。在新工科發展戰略的驅動下，計算機虛擬仿真技術為解決當前船體裝配實訓課程建設和發展中存在的問題提供了一個新的方向。

虛擬仿真技術作為一種人機接口技術、計算機圖形學、仿真技術、人工智能技術等多種技術融合的新興技術[5]，以仿真的方式通過計算機生成一個實時反映實體對象變化與相互作用的虛擬世界，在創新實訓課程教學方式上具有很大的優勢。針對傳統船體裝配實訓教學中存在的問題，借助虛擬仿真技術探索改革實訓教學的方式，以提升實訓教學的質量，跟上新工科建設的步伐。

1" 船體裝配實訓教學現存主要問題

1.1" 仍以傳統教學模式為主

目前，船體裝配實訓課程教學模式以傳統課堂大量掛圖、生澀講解并配合船廠參觀實習為主，學生只是簡單地按照教學要求熟悉船體裝配的基礎知識和裝配過程。傳統課堂教學能加強科學方法和思想的教育，提供具體的教學信息，對學生理解船體裝配過程是必不可少的，但缺點是缺乏動感，學生只能被動接受知識，難以將理論知識與工程實際聯系起來，傳遞教學信息速度慢、效果差，無法吸引學生的注意力[6]。船廠的參觀實習雖然能夠比較直觀地展示船體裝配的具體流程，但是存在一定的安全隱患，場地的限制也會使多數學員不在最佳視角，影響學習質量。另外，每輪船體裝配實訓課程都會有船舶與海洋工程專業的幾十甚至上百名學生的參與，教師與學生間無法有很深入的互動，不利于發現問題、解決問題以及達到既定的教學目標。這種傳統的大班教學模式既不能保證教師在教學過程中掌握所有學生的學習狀況，也難以滿足不同學生的需求。

1.2" 實訓教學內容不夠深入，教學效果差

傳統船體裝配實訓教學活動大多是圍繞課程教材開展的，這些教材中的內容大多已比較陳舊。隨著船舶產業結構的不斷調整，現有的船體裝配實訓教學內容明顯滯后于造船技術現狀，難以滿足未來船舶工業發展的趨勢。如在裝配測量中，以全站儀為代表的先進測量裝備已經在國內外的船廠中得到非常普遍的應用，但在高等學校校船舶與海洋工程專業的船體裝配實訓課程中的應用還沒有開展起來[7]。此外，目前船體裝配實訓教學內容缺乏新技術、新工藝項目案例，創新性和實用性等都需要提高。實訓教學內容只有不斷推陳出新，基于企業對人才技術、技能的需求進行設計，才能培養出符合社會經濟發展需求的人才；否則不僅會浪費學生的時間和精力，更會導致所學知識與實際生產實踐脫節，難以滿足船舶產業結構發展需求。

1.3" 實訓教師缺乏工程經驗

船體裝配實訓課程最為顯著的一個特點是實踐性強，因而這門課程的任課教師需要具有豐富的工程現場經驗。然而，我國大部分高等學校的專業課任課教師是在博士畢業后直接進入學校任教，沒有進入相關企業工作的經歷，普遍存在實際工程經驗不足的現象。另外，國內各個高校在教師培養和考核時，往往過度重視科研考核，而對教師的教學和工程實踐要求偏低。這就導致船體裝配實訓課程任課教師很難將具體的船體裝配施工流程講解透徹和清楚，進而增加學生對所學內容理解的難度，影響教學效果。

1.4" 實訓成本高，存在安全性問題

船體裝配實訓是一門實用型課程，學生親臨現場參觀實習并且自己動手操作是最好的教學方式。但是這些實訓項目需要消耗大量的人力和物力，而很多高等學校（尤其是其中的職業學校）經費來源有限，存在經費不足的問題。這就導致船體裝配實訓教學流于形式，學生難以有實際操作的機會，大多走馬觀花，無法掌握必需的工作技能，實訓效果差。除此之外，船體裝配實訓的現場實習會接觸到大量的機械設備，還存在一定的安全風險。實訓學生數量過多而教師配置不足，學生缺乏安全和防范危險意識等，都有可能誘發安全事故。

2" 虛擬仿真教學在船舶裝配實訓中的重要性

上述船體裝配實訓教學中存在的問題，極大地阻礙了船舶與海洋工程專業學生實踐能力的培養。近年來，計算機和虛擬仿真技術的發展為解決這些問題提供了一個新的方向。在新工科背景下，探討虛擬仿真技術對船體裝配實訓教學的影響具有重要意義。

2.1" 推動船體裝配實訓教學改革

虛擬仿真技術具有觀賞和游戲的特征，能促進船體裝配實訓教學改革，推動實訓教學方式創新，提高教學的趣味性和生動性。在新工科教育背景下，虛擬仿真技術被廣泛用于教育教學活動，極大推動了教學改革。船體裝配實訓作為一門實用型課程，理論知識學習、實訓操作與虛擬仿真技術相結合，能夠使得教學活動更貼近企業現實工作場景，有助于學生在短時間內進入工作情境，真實地體驗在現實船廠中進行船體裝配操作的感覺，提高學習興趣，發揮主觀能動性，改變被動學習的現狀，從而更快地掌握專業知識和操作技能。虛擬仿真技術在一定程度上能夠真實還原船體裝配實訓流程，這對增強任課教師教學的規范性和嚴謹性也具有重要意義。

2.2" 增強船體裝配實訓教學效果

傳統船體裝配實訓教學主要通過播放視頻、現場演示等方式向學生展示分段裝配的具體流程。然而受場地條件的限制，在這一教學方式下，多數學員不在最佳觀察視角，學習效果較差；并且現場實際裝配教學還存在特殊工況難以呈現、內部結構不易觀察等缺陷。如果能夠利用虛擬仿真技術使學生通過交互式、沉浸式的方式參與船體裝配過程，不僅能夠使學生感覺置身其中，保證能在最佳視角觀察船體裝配以及激發自主操作的興趣，還可以幫助沒有及時掌握的學生利用虛擬仿真技術進行重復操作學習。此外，任課教師還可以結合具體的教學目標，利用虛擬仿真技術立體、逼真地完成船體裝配實訓的教學過程，大大增強實訓教學的效果。

2.3" 降低實訓教學成本，保證安全性

船體裝配實訓的現場教學成本較高，而運用虛擬仿真技術模擬船體裝配過程的教學方式，既可以節約人力，又能節約物力，可以自由選擇上課時間和地點，實訓資源的更新換代只需在計算機中更新軟件即可，不消耗器材，降低實訓教學成本。此外，在計算機上采用虛擬仿真技術模擬裝配過程，不受場地條件限制[8]，無須到船廠接觸實際設備，這樣就可以改變部分危險實訓項目無法在現場開展的現狀，解決安全和實訓間的矛盾，避免可能出現的安全問題，保證學生可以大膽放心地進行實訓操作[9]。

3" 虛擬仿真融入船體裝配實訓課程建設方法

盡管虛擬仿真技術的出現為船體裝配實訓教學提供了新方向、新方法，但目前基于虛擬仿真技術進行船體裝配實訓教學的課程建設還處于初級階段，下面從更新教材、豐富教學案例、打造教學團隊、引入先進授課模式以及增加實際操作等方面探討課程建設方法。

3.1" 更新船體裝配實訓教材

教材是教師教學、學生學習專業知識的基礎，因此，選擇一本適合于船體裝配實訓課程的教材是課程建設的首要任務。然而，目前船體裝配實訓課程教學的教材都是基于傳統教學方式編寫的，對虛擬仿真技術鮮有涉及。在此背景下，更新船體裝配實訓教材：通過調研實際船廠，參照船廠真實船舶建造的流程路線圖，根據已有的建模經驗，構建從鋼材進廠到船舶下水的船舶制造、裝配虛擬仿真場景；采用調查訪問、查閱文獻資料以及歸納總結等方式，充分吸收和借鑒國內外高校將虛擬仿真技術應用于實訓教學的研究成果，將裝配實訓教學和高等教學的特點結合起來，創設出最適合于船舶與海洋工程專業船體裝配實訓要求的配套教材。

3.2" 豐富虛擬仿真教學案例

為了將虛擬仿真技術更好地應用到船體裝配實訓教學，達到特定的教學目的，應當建立滿足不同需求和層次的虛擬仿真教學案例庫，并在授課過程中應當結合學生的學習情況，不斷完善和豐富教學案例。利用這些教學案例，一方面可以幫助學生了解相關工程問題和背景，另一方面可以激發學生學習的積極性。

3.3" 打造專業的教學團隊，引入先進授課模式

利用虛擬仿真技術進行船體裝配實訓教學，離不開深入了解裝配實訓相關理論知識的經驗豐富、實踐能力強的專業教學團隊。本課程在培養現有船體裝配實訓任課教師虛擬仿真技術應用能力外，將推動高校與高校之間以及高校與企業之間的交流，了解國內外知名機構和企業在船體裝配教學及生產方面的最新動態。與此同時，引入更為先進的教學手段。對于虛擬仿真技術在實訓教學應用中的重點和難點，除了必要的幻燈片、板書外，積極引入網絡輔導、多媒體等進行授課，將抽象的概念和問題直觀話、生動化，培養學生主動參與和思考的學習方式，提高學生學習的積極性、自由度。

3.4" 增加虛擬仿真實操環節

傳統船體裝配實訓教學方式缺乏動感，傳遞教學信息速度慢，無法吸引學生的注意力，效果差。虛擬仿真技術能較為直觀地展示船體裝配的具體過程。因此，在裝配實訓教學中可以增加虛擬仿真軟件的操作環節，讓學生根據任務要求并結合實際工程案例，操作虛擬仿真軟件完成小組立裝配、中組立裝配、大組立合攏等工作，在課堂上就能夠體驗施工現場船體裝配的全過程，激發學習興趣，增強教學效果，為將來工作做好技能儲備[10]。

4" 結束語

傳統船體裝配實訓教學存在缺乏動感，傳遞教學信息速度慢、效果差，無法吸引學生的注意力，實訓教師缺乏工程經驗，實訓教學內容明顯滯后于造船技術現狀，成本高，具有安全風險等問題。新工科背景下，計算機和虛擬仿真技術的發展為解決這些問題提供了一個新的方向。虛擬仿真技術的應用可以在降低成本、保證安全的前提下增強教學的趣味性和生動性，使學生在學習理論知識的同時，通過交互式、沉浸式的方式參與船體裝配過程，更高效地掌握專業知識和操作技能。但目前基于虛擬仿真技術進行船體裝配實訓教學的課程建設還處于初級階段，還需要通過更新教材、豐富教學案例、打造專業的教學團隊、引入先進授課模式以及增加實際操作等方式不斷完善，以更好地適應船體裝配的發展趨勢。

參考文獻

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[9] 楊京渝，彭麗，蔡振華.新工科下虛擬仿真技術平臺在電氣類專業中的應用探討[J].科技風，2021（29）：111-113.

[10] 肖洋軼.新工科背景下虛擬仿真技術在軸系零件設計中的應用[J].實驗技術與管理，2020，37（6）：157-161.

作者：楊云濤，江蘇科技大學船舶與建筑工程學院，講師，研究方向為船舶水動力學；高慧，江蘇科技大學船舶與建筑工程學院，高級實驗師，研究方向為船舶力學（215600）。