虛擬現實技術在《船舶輔機》教學中的應用前景分析

朱世偉 任燕落

河北交通職業技術學院，河北 石家莊 050035

2013 年10 月，習近平主席訪問東盟時提出的“建設21 世紀海上絲綢之路”戰略構想，給我國航運業發展提出了重要指引。航運業的發展對遠洋運輸船舶的運輸效率與安全性能等方面，提出了更高要求。這直接促進了船舶智能化和自動化等技術在船舶建造業的應用。鑒此，這就需要船舶管理人員不斷提高船舶理論知識及實操能力。

基于虛擬現實技術開發的船舶動力設備拆裝與操作平臺，有著逼真的沉浸式場景與良好的人機交互體驗，經濟、高效且安全，能夠有效提升訓練人員的業務水平，是虛擬現實技術在船舶領域的重要發展方向之一。

河北交通職業技術學院是經交通部批準的河北省首個航海類教育院校，輪機工程技術專業是培養無限航區甲等船舶輪機員的高等專科教育專業。2010 年6 月，《STCW78/95 公 約2010 修 正 案（馬尼拉修正案）》在菲律賓的國際海事組織締約國大會上正式通過，于2012 年1 月1 日正式生效；2011 年12 月27 日，交通運輸部印發了與該公約相適應的國內法規《中華人民共和國海船船員適任考試和發證規則》，并于2012 年3 月1 日正式實施；交通運輸部辦公廳印發了《海船船員培訓大綱（2016 版）》和《海船船員培訓大綱（2021版）》。新的公約、法規和培訓大綱對河北交通職業技術學院航海類專業人才的培養，提出了更高的要求，尤其是增加了船舶動力設備拆裝與操作技能的實操評估項目，這都要求在教學中必須更加重視學員實操技能的訓練。

一、河北交通職業技術學院《船舶輔機》課程的教學現狀

（一）課程設置

《船舶輔機》課程的內容主要結合現代船舶技術的發展與輪機設備的現狀，以《STCW78/95公約》馬尼拉修正案和交通運輸部海事局對船舶輪機人員的崗位技能和職業資格的適任要求為根據，編制人才培養計劃，《船舶輔機》作為輪機工程技術專業的核心專業課程，是安排在大學一年級《機械制圖基礎》《流體力學》《工程熱力學及傳熱學》等專業基礎課程之后，在大二第一學年完成的?！洞拜o機》是一門學科多、綜合性強的課程，教學內容幾乎包括所有的船舶輔助機械，又包括泵的基礎理論、齒輪泵、葉片泵、離心泵、水環泵、螺桿泵、往復泵、旋渦泵、噴射泵等船用泵系列內容，包括液壓基礎知識、船用舵機、船舶起貨機、錨機、絞纜機、吊艇機等液壓甲板機械系列內容，通風機、空氣壓縮機、船舶伙食冷庫系統和船舶空調裝置，船用海水淡化裝置、船舶輔鍋爐等，這些設備彼此聯系不緊密，原理各不相同，分屬不同系統，實操實訓內容大量貫穿每一章節。由于課程內容及課程結構的安排給教學、評估、實操、考核能方面都造成了一定的難度，需要教師認真思考，在實踐中不斷進行調整。

（二）學情分析

《船舶輔機》作為輪機工程技術的專業核心課程，內容繁雜，牽涉的學科門類多，具有多實踐、多操作的教學特點，學生不僅要學習眾多動力設備的結構組成、工作原理、性能特點、操作程序以及日常維護保養等知識，還要學習設備故障原因的分析及處理方法措施。國際公約與我國法規都在這方面進行了特別的強化，進一步加大了實操課程所占的比例。而目前，職業院校學生生源質量下降，招生錄取文理兼招等因素的存在，學生的基礎知識薄弱，學習能力差是普遍現象。在教學過程中，老師不僅需要根據船舶行業的發展動態以及國家海事局的評估要求，進行授課內容調整，還要對某些基礎知識導入式講解。而當前實訓室在用輔機臺套數難以滿足專業在校生需求，實驗設備很多都已陳舊，這就使得在設備運行的同時要投入較高的維護費用，輔機設備不能及時維護，學生真正動手操作的設備有限，導致實操教學方式枯燥，學生參與《船舶輔機》實踐課程時不能得到保證，對于人才培養方案中的要求的培養高素質，高技能人才的目標難以達到。

（三）實驗設備老舊，技術落后

輪機設備屬于船舶動力裝置，購置設備投入大，資產高度密集，導致更新換代難。實驗室的大部分拆裝設備、操作設備陳舊，完全不能跟上現在船舶主流設備技術型號，有的設備甚至是船上早已淘汰十幾年的，其中一部分設備有的部件缺失，有的操作失靈，有的設備所配套的儀器儀表已經不能讀取準確數字且種類不全，在日常使用中也沒有做到及時保養維護。在這種情況下，教師和學生在實訓等教學環節中不能高質量、高效率完成教學實踐任務。另外，近幾年，航海類專業招生就業持續向好，河北交通職業技術學院輪機專業招生規模不斷擴大，教學實驗場地捉襟見肘，跟不上擴招的步伐。

總之，《船舶輔機》是一門內容龐雜，涉及范圍廣的多科性綜合專業課程，對高職學生來說《船舶輔機》的學習內容并不簡單，甚至有一定的難度；在這種情況下，以往《船舶輔機》課程存在理論與實踐結合不緊密、實踐設備與船舶實際相脫節、學生拆裝操作技能困難，甚至是重理論輕實踐的現象。導致學生上船工作后，出現實習時間長，頂崗適任難，升值慢等問題，并且給船舶安全也帶來一定影響。

虛擬現實VR（virtual reality），又被稱為靈境技術。是一種可以創建和體驗虛擬世界（virtual world）的計算機系統，虛擬世界是全體虛擬環境（virtual environment）或給定仿真對象的全體。虛擬環境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境的靈境系統，需要包括計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能接口技術、人工智能技術、多傳感器技術、語音處理與音響技術、網絡技術、并行處理技術和高性能計算機系統等。也正是這些計算機技術，計算機技術才能得以大力發展。虛擬現實技術能夠創造一種立體的視覺環境和音效，實現和諧友好的人機交互。所以，VR 技術可以改變人與電腦之間的被動的、枯燥的現狀，使人置身于一種更加適宜的工作環境中。

同國外一些發達的國家相比較，我國在虛擬現實技術領域還存在一定差距。國內對于虛擬現實技術非常重視，許多領域都將虛擬現實技術的融入視為行業發展的未來方向，國內諸多科研機構都在進行虛擬現實技術的研究。隨著虛擬現實技術與互聯網通信技術水平不斷融合發展，輪機工程專業船員實操教學模式，可以基于此發展模擬真實環境中仿真操作訓練與考核評估。

二、虛擬現實技術在船員實操訓練中的意義及其發展前景

在以往的教學過程中，往往認為學生動手實踐性較弱，由于專業知識難度較大且理論知識較為枯燥，學生學習專業知識的熱情度不高，主動性不強，學生一味被動輸入，效果較差。在實驗室中將理論知識同VR 技術融合，讓學生親身體驗會帶來強烈的交互感和真實感，并能沉浸其中，使老師能夠靈活變換場景，以學生為主體，教學過程豐富。搭建船員實操虛擬訓練與評估系統，改變傳統實訓評估模式，模擬實船輪機設備，實踐操作訓練與考核評估具有顯著的優點：

第一，依托虛擬現實技術可以實現在機艙中的虛擬漫游，為操作人員提供更好的臨場感。由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像所模擬的環境，除視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，使訓練學員仿佛置身于真實的船舶機艙環境，沉浸感強，能夠激發學員的探索欲，求知欲，學員訓練熱情和積極性增加，這樣既能夠提升實訓教學環境，使教師獲得更好的教學條件，又能讓學生增加實操機會獲得學習效果。

第二，傳統的實踐教學環節，由于受實訓場地、設備精度、學員知識能力水平、教學課時等因素的影響使實操教學訓練成為觀摩實操，學員動手能力得不到充分訓練，導致上船工作后，船公司普遍反映學員理論知識過硬，而動手能力不足。虛擬現實技術運用于船舶動力設備與拆裝實訓過程中，虛擬拆裝設備，學員在虛擬環境中完成拆裝知識的學習和設備拆操作，不受現實環境設備影響，又可以讓學員不受實驗設備、場地的限制，反復操作演練該設備的拆裝操作過程，直至熟練掌握。［1］

第三，傳統的實驗室建設，購置設備，更新設備，需要花費大筆資金，但由于現代船舶新技術，新設備應用快、更新快，導致實驗室設備型號很難跟上船舶主流，致使學校實踐教學與船舶實際應用相脫節。虛擬現實技術的應用可以使實踐訓練不產生任何損耗，減少訓練成本有效節約資源，設備的購置更新主要是軟件部分，不僅避免了設備維護、保養以及磨損的問題，而且大幅降低了實驗室購置硬件設備的投入。

第四，在以往的實踐教學中，受設備的笨重新舊程度，工具使用熟練程度，裝配質量等因素的影響，教師的教學是把安全放在首位的，虛擬現實技術的應用，使拆裝操作虛擬化不必考慮傳統實操訓練和考核過程中人員和設備的安全問題，教師可以更專注于教，學員也可以更放心大膽地練習，而且不再受時間和空間的約束。采用虛擬實訓與評估系統，能將輪機設備的任何故障問題進行仿真模擬，不需要考慮場地、設備、人員及安全等問題，可以讓學員體驗在模擬真實場景下進行實操，使學員的動手能力、分析能力及解決問題的能力得以提升，達到實物設備拆裝訓練的同等效果，模擬實際操控環境下，完成規定的輪機工程專業船員在取得適任證書前，必須完成各項實操訓練及考核評估，對提升學員的培訓質量具有重要的促進推動作用。

第五，運用虛擬現實技術，可以模擬風險事故場景。可以模擬人體觸電、船舶碰撞，機艙火災項目的安全事故，在虛擬環境中進行真實的故障解決情景演練，通過事故的沉浸感體驗，使學員真實體驗各類安全風險的后果?？赏ㄟ^現場互動，考核學員發生事故時采取的應急處置方法與措施的正確性，提高其現場應急處置能力，可以大大提升人員的心理承受力。這是傳統實操訓練無法比擬的。［2］

第六，基于虛擬現實技術的船舶動力設備拆裝與操作過程自動評閱模塊，可以更加準確、公平、迅速地考核及評估學生的實踐動手操作能力，降低人工評估的成本和其他因素的影響，評估結果能客觀地反映學員真實的技術技能水平，通過考核評估能夠全面全過程地將學員的綜合素質反映出來，能夠使考試主管機關科學系統、公平、公正地對學員進行評價。老師的教學可以更有針對性地對學員掌握薄弱環節進行強化。［3］

三、結語

虛擬現實技術應用于《船舶輔機》教學中，可以將抽象復雜、晦澀難懂的《船舶輔機》拆裝操作知識，以更直觀、生動、全面的方式呈現出來，踐行了“學生中心、問題導向、學科融合、創新實踐”的實踐教學理念，降低了安全事故風險，加深理論知識的理解與掌握程度，使學生的理論知識與拆裝操作等實踐技能更好融合，提高學生的適任能力，提升學校的人才培養水平。

從教學方面來講，確實為傳統教學注入了新鮮血液，能夠為實踐教學提供了更多更新、更實用的虛擬設備。但是虛擬現實技術在制作中存在所涉及的知識是否專業問題，受課程知識體系的復雜因素、實驗場地限制因素、所需設備價格較高等影響，如何突破限定，優化虛實結合的教學方法，以實現更好的教學實訓效果，這些問題需要我們反復研究探討，不斷改進。虛擬現實技術當前在各領域都開始運用，但都還不夠成熟。隨著科學技術水平的不斷向前發展，虛擬現實技術日趨成熟并不遙遠。在今后的實踐教學中，通過虛擬現實技術的充分應用，必將豐富教學資源，開拓新的教學方法及教學環境，啟發學生對知識的探索興趣，使學生更好地掌握實際技能。