基于OBE理念的虛擬仿真“艦船焊接技術與實踐”教學改革

［摘 要］ 當前“艦船焊接技術與實踐”課程的實踐項目設置單一且未能緊跟新技術的發展，缺乏考查學生知識綜合運用能力與分工合作協調能力的綜合性實踐教學。針對這一問題，探索基于OBE理念，以虛實結合的教學模式將金屬增材制造技術實踐項目引入實踐教學，并與后續課程的專業知識融合，形成“類課程”式教學設計。有望同步解決金屬增材制造實踐項目風險高、成本高、能耗高、價值高的應用瓶頸，并同時有效地激發學生的學習與探索興趣。

［關鍵詞］ OBE理念；艦船焊接；增材制造技術；虛擬仿真；實踐教學

［基金項目］ 2023年度海軍工程大學教學改革項目“基于新技術的‘艦船焊接技術與實踐’課程教學內容構建與虛實一體化教學改革研究”；2024年度海軍工程大學教育科研項目“基于OBE理念的艦船修造類課程虛實一體化融合式教學設計研究”（NUE2024ER43）；2024年度海軍工程大學教育科研項目“基于OBE理念的船舶與海洋工程專業課程體系構建研究”（NUE2024ER16）

［作者簡介］ 聶小佳（1993—），女，湖北潛江人，工學博士，海軍工程大學艦船與海洋學院講師，主要從事艦船修造新工藝與增材制造工藝研究；彭 飛（1975—），男，湖北武漢人，工學博士，海軍工程大學艦船與海洋學院教授，主要從事艦船設計研究。

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0088-05 ［收稿日期］ 2023-10-30

引言

“艦船焊接技術與實踐”課程是船舶與海洋工程專業的主干必修專業課之一，是一門指導艦艇建造和修理的專業基礎課程，具有綜合性強、實踐性強、工程性強的特點。艦船焊接技術是船體裝配階段的關鍵技術，而船體裝配又是船舶建造的關鍵節點。可見，船舶建造的關鍵技術之一是船舶的焊接技術，船舶焊接質量是評價造船質量的重要指標，焊接效率與質量直接影響了艦船建造和修理的周期。

實踐教學是艦船焊接教學體系中非常重要的環節，是培養學員工程思維和解決問題能力的重要抓手。現有的艦船焊接實踐項目中分配了大量的學時用于手工電弧焊技能訓練，且教學手段單一枯燥，僅是在焊工師傅的指導下反復練習焊接技能。目前，“艦船焊接技術與實踐”課程中存在以下問題：一是實踐教學內容陳舊且枯燥，不利于學生的眼界與知識面的拓展；二是教學方法與手段單調，不利于提高學生的學習積極性和主動性。

近年來，增材制造技術在焊接修復領域受到極大關注。增材制造（Additive Manufacturing），又被稱作3D打印技術［1］。不同于傳統的減材（切削、銑削加工等）和等材（鑄造、焊接等）制造，3D打印技術利用三維切片數據就可在一臺設備上由程序控制自動地制造出復雜形狀的零件，實現設計、結構、功能一體化成形。增材制造技術因其在生產和維修方面的突出優點而成為美國國防領域最具價值的技術之一。因此，在艦船焊接技術的實踐環節中，必須增設增材制造領域的相關內容。此外，隨著現代科技的不斷發展，虛擬仿真技術已被廣泛應用于各類實踐教學活動中。

本課程的實踐教學部分教學改革是采用虛實結合的方式將金屬增材制造技術耦合入實踐教學活動中并優化教學手段和方法，同步解決實踐教學內容陳舊和教學手段單一的問題。

一、虛實結合實踐平臺建設

（一）建設背景

艦船裝備在使用過程中難免會出現損壞的現象，如果損壞的裝備不能及時得到維修或者更換，將極大地影響戰斗力，也就對裝備的應急保障提出了更高的要求。傳統的維修保障方式是通過供應鏈運往前線或大量備品備件。但是，現有的保障方式存在保障效率低下和零部件缺少或生產周期長等問題，難以適應現代戰爭的新要求。因此，亟須引入新的維修制造技術以解決生產周期長的問題。

長期以來，美國海軍一直十分重視增材制造技術在艦船裝備保障領域的應用。對海軍而言，為船上的每個系統都攜帶替換零件是不現實的，并且很難預測零件是否或何時會發生故障。增材制造提供了一個靈活的供應來源以制造零件，而無須通過訂購。特別是對于處于供應鏈遠端的軍艦來說，按需打印維修零件可以節省時間、降低成本，并降低攜帶大量零件庫存的需求（圖1）。近年來，美國海軍一直在艦艇和潛艇上使用聚合物塑料打印機，但只能制造相對較小的塑料零件。現今，美國海軍已經在軍艦和潛艇上安裝了兩種不同的金屬3D打印機，即西海岸的鋁制系統和東海岸的不銹鋼系統。2022年7月，施樂液態金屬3D打印機被安裝在美軍黃蜂級兩棲攻擊艦第2號艦上——這是美國海軍艦艇上部署的第一臺金屬增材制造裝備（圖2）。2023年8月，美軍“巴丹”號兩棲艦（LHD-5）使用艦船上裝備的3D打印完成了受損部件的即時修復，這為海軍節省了約40萬美元的維修費用，同時將零部件的修復等待時間縮短到了五天。

激光增材制造技術是激光束聚焦到金屬材料的粉末床上，使其局部加熱并熔化，采用細微聚焦光斑的激光束成形金屬零件，通過控制激光束的方向和強度，精確地控制材料的熔化和凝固，成形的零件精度較高，表面稍經打磨、噴砂等簡單后處理即可達到使用精度要求并裝配使用。成形零件的力學性能良好，一般拉伸性能可超鑄件，達到鍛件水平。

緊跟艦船裝備的全球發展步伐對于提升本課程授課質量至關重要。唯有緊握該領域的發展趨勢、新方法和新技術的應用前景，方能更好地拓寬學生的視野，提高他們的崗位任職能力。因此，將基于金屬粉末的激光增材制造技術引入“艦船焊接技術與實踐”課程中，不僅能夠使學生更好地了解當前艦船制造領域的最新技術發展，還能夠激發他們創新實踐的熱情，使其成為能夠適應未來艦船裝備領域發展需求的人才。

（二）建設方案

1.部署金屬增材制造系統。典型激光粉末床熔融成形設備主要包括光路系統、氣氛控制系統、運動系統、軟件控制系統四個部分。光路系統包括激光器、準直擴束模塊、聚焦掃描模塊等。激光出射后經過準直、擴束、聚焦、振鏡掃描傳輸到待加工平面，其設計是否合理直接影響到掃描精度。通過軟件對控制卡發出命令實現對激光器、振鏡以及運動系統的控制。運動系統包括成型缸和送粉缸的上下運動裝置以及送粉裝置等。氣氛控制系統是保證成形腔室內充滿保護氣體（氬氣、氮氣、氦氣等）降低腔室的氧含量，以保證激光熔化金屬粉末的過程中不出現氧化現象，這樣成形制件的性能才得以保證。為了保證該設備的正常運轉，還須配套穩壓電源、冷干機、空壓機、防爆吸塵器、篩粉機、烘干機、D類金屬專用滅火器等輔助設備，組成激光粉末床熔融成形系統（圖3）。

金屬增材制造使用的主要原材料為金屬粉末，制備金屬粉末的主要方法有機械破碎法、霧化法、還原法、電解法、氫化脫氫法等。其中，霧化法中的氣霧化法、等離子旋轉電極霧化法和等離子霧化法可制備球形金屬粉末，并且粉末的化學成分均勻、氧含量低、球形度高，尤其適用于金屬增材制造，而球形金屬粉末特性也成為決定成形制件性能的先決條件。逐層堆積是激光粉末床熔融成形的特點，粉末層厚度會對制件性能產生影響。而粉層厚度與粉末粒徑是密切相關，粉末粒徑過小會出現粉末團聚現象導致鋪粉不均勻，粉末粒徑過大會導致熔化不徹底，層間結合力弱。因此，所采用的金屬粉末不僅要求是球形粉末，還要求在一定的粒徑范圍內。這就意味著金屬粉末的制備成本大幅度提高。

本設備所需原材料是粒徑在15～53 μm之間的球形金屬粉末。由于金屬粉末十分細小，取用金屬粉末時需要佩戴3M防塵半面具防止粉塵吸入，同時金屬粉末比表面積大、活性大，處理鋁合金和鈦合金時還必須身著防靜電服，具有一定的危險性。

可見，擬開設的金屬增材制造技術實驗項目屬于高風險、高成本、高能耗、高價值的“四高”實驗項目。

2.建設增材再制造虛擬仿真實驗室。采用傳統實驗教學模式開設金屬增材制造相關實驗項目存在明顯不足：首先，由于激光粉末床熔融成形系統的成本高，目前只能部署一臺套，導致無法滿足每名學生均參與實踐上機操作的需求；其次，該系統的操作復雜，必須經過多個學時的專業操作培訓方可上機操作，目前的教學學時有限，無法在課堂上完成操作培訓的教學任務，進而導致學生無法上機操作；最后，實踐過程中涉及粉末清理具有一定的危險性。因此，亟待尋找一個新的實踐途徑解決上述問題。

2013年8月，教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》［2］，2019年10月，《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》同樣提出，要通過建設虛擬仿真實驗教學項目著力解決真實實驗條件不具備或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題。虛擬仿真實驗教學已成為現有教學的重要補充，為實踐教學注入了更豐富的手段。

本課程團隊根據“艦船焊接技術與實踐”課程的實踐教學要求，采用虛擬仿真技術開發的可在網上開展的虛擬實驗，在虛擬仿真管理平臺支撐下，通過瀏覽器（基于B/S架構）使用的實驗資源，課程模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗對象與實驗環境（圖4）。結合繪圖建模、動畫模擬、人機交互、計算機網絡等手段，以二維和三維相結合的方式，形象、生動、有趣地展示教學實驗中涉及的實驗前準備、實驗過程、結果檢測等內容，體驗感強，可以身臨其境地進行細節操作，并且不受時間和空間的限制，能夠反復進行實驗和學習。開發完成的“增材再制造虛擬仿真實驗軟件”，解決了實驗項目中的“四高”和實驗設備不足的問題。虛擬實驗與真實實驗室相互補充，能夠做到優勢互補。虛擬實驗是基于原型專業知識體系，實驗者通過計算機界面進行操作控制，可以像置身在真實場景中進行各種預定的實驗項目，體驗實驗全過程。

二、虛實結合實踐項目教學設計

基于“以學生為中心，成果導向教育”的教育理念，建立一種新型的實驗教學體系，旨在充分調動學生的學習激情，提高其實際操作水平，并鞏固專業教學成果。這一體系將采用虛擬仿真實驗場景，具有“動態更新、貼近實際、虛實結合、以虛補實、能實不虛”的特點。通過這種創新的教學方式，進一步促進教學質量提高，并最終解決增材制造新技術實驗所面臨的諸多局限性（如“四高”和設備不足等問題）以及傳統焊接實踐訓練枯燥無趣的痛點。

針對以上特點，將OBE理念引入金屬增材制造虛擬仿真實驗教學中，主要是基于三個方面的考量：首先，OBE理念強調的是培養學生的核心素養和實際能力。這意味著實驗教學過程中，不僅要求學生掌握金屬增材制造相關的理論知識，更重要的在于運用知識解決問題。通過引入OBE理念，教學過程更加注重培養學生的實際操作能力和創新思維，使其具備運用相關專業技能解決實際工程問題的基本素養。其次，OBE理念還注重教學目標的明確和評估的全面性。在實驗教學中引入OBE理念，可以幫助教師明確教學目標，并設計相應的評估方式，以確保學生在實踐操作能力、創新能力和問題解決能力等方面都能得到全面發展。通過對學生所學成果的全面評估，可以更好地了解學生的學習情況，及時調整教學方法和內容，提高教學質量。最后，通過鼓勵學生開展自主學習、團隊合作等方式，積極參與到實驗操作中，培養其自主學習的能力和團隊協作精神。

OBE教育理念聚焦學生完成過程性學習后的最終學習成果，以成果為目標導向，教師基于此構建課程體系［3-4］。通過反向設計引導設定教學目標，制定具有挑戰性的執行標準，教學過程以及評價工作都以最終成果為基準來設計與實施，以鼓勵學生深度學習，促進更成功的學習，使得學生在學習過程中能充分明確自己的目標，知道自己已經獲得了哪些成就，還需要在哪些方面繼續努力。基于OBE理念開展教學內容的設計。首先向學生輸入知識背景，明確本次實驗的目標；其次，教師的“教”為引導、學生的“學”為核心，通過研討和虛擬仿真實驗平臺自學掌握增材制造技術的定義、原理、特點、方法與操作要點；最后是學習產出評價，學生分組合作完成應急備件制造的方案制定并完成該備件的快速制造，如圖5所示。

三、綜合實踐教學改革的下一步工作

在增材制造技術用于備件快速制造與修復的基礎上設計一大型綜合演練實踐項目。該綜合演練可設定多個任務模塊，學生分組配合完成戰損船只的搶修，不僅考查學生的專業知識水平，還能夠檢驗學生的組織、協調、應變與指揮能力。另外還須加強虛擬訓練系統的使用，探尋虛實融合、實中有虛、虛中有實的耦合方法與策略，將OBE與CDIO模式結合［5-6］，創新性地設計綜合演練實踐項目，提高學生的創新思維能力、解決問題的能力，提高畢業學生的能力認可度。

結語

將新技術以虛實結合的方式引入“艦船焊接技術與實踐”課程中，并以OBE模式設計出小型綜合實驗，既解決了傳統實踐項目陳舊、教學手段單一、教學形式枯燥的問題與新技術的“四高”問題，又有效提高了學生學習的主觀能動性，鍛煉了思維能力、知識的綜合運用能力、溝通與合作能力。虛擬訓練系統的應用，在理論教學與實踐教學的有機結合上進行了初步探索，解決了理論與實踐結合不緊密的問題，做法與經驗可供以后開展進一步教學改革參考。

參考文獻

［1］聶小佳，王中，朱志潔，等.3D打印技術在“艦艇修造工藝”課程教學中的應用與探索［J］.教育進展，2022，12（11）：4740-4747.

［2］關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知：教高司函〔2013〕94號［A/OL］.（2013-08-13）［2021-11-05］.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201308/t20130821_156121.html.

［3］張旺，陳云霞，郭彥兵，等.基于OBE理念的焊接工程技術專業生產實習復合模式探究［J］.教育教學論壇，2020（11）：47-48.

［4］溫飛娟，龍樟，周培山.基于OBE理念的混合式教學改革［J］.中國冶金教育，2023（4）：4-7，10.

［5］史強，陳革新，馬欣.工程教育模式在焊接實驗教學中的應用［J］.創新創業理論研究與實踐，2022，5（19）：31-33.

［6］宋杰.基于CDIO理念的工業機器人虛擬仿真課程教學探索：以“馬鞍型”焊縫焊接仿真為例［J］.軟件導刊（教育技術），2019，18（7）：65-66.

Reform in Education of Virtual Simulation “Ship Welding Technology and Practice” based on OBE Concept： Taking Additive Manufacturing Technology as an Example

NIE Xiao-jia， PENG Fei， WANG Zhong， MOU Jin-lei

（Naval Architecture and Ocean Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan，

Hubei 430033， China）

Abstract： Currently， the practical project of Ship Welding Technology and Practice course is simplistic and fails to keep pace with the advancements in new technology. It lacks comprehensive practical teaching that assesses students’ ability to apply their knowledge comprehensively， as well as their skills in division of labor and coordination. To address this issue， we have introduced the concept of Outcome-Based Education （OBE） and integrated metal additive manufacturing technology into practical teaching through a virtual-reality teaching mode. This approach has been combined with subsequent courses’ professional knowledge to create a “analogy course” teaching design. Our aim is to simultaneously overcome the application bottleneck associated with high risk， high cost， high energy consumption， and high value of metal additive manufacturing practice projects while effectively stimulating students’ interest in learning and exploration.

Key words： outcome-based education; ship welding; additive manufacturing; virtual simulation; practical teaching