費景洲， 路 勇， 高 峰， 李淑英， 馬修真

(哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

·實驗教學(xué)示范中心建設(shè)·

船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)與實踐

費景洲， 路 勇， 高 峰， 李淑英， 馬修真

(哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

為解決能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)中存在的難題，將虛擬仿真技術(shù)引入實驗教學(xué)，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在實驗場地、實驗消耗和實驗安全等方面的優(yōu)勢，建設(shè)船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源。以“教學(xué)科研相融合、虛擬現(xiàn)實相結(jié)合”為指導(dǎo)思想，構(gòu)建面向內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽動力和輪機(jī)工程等專業(yè)方向的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，闡述虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的主要功能以及在各個專業(yè)課程中的教學(xué)應(yīng)用情況。從虛擬仿真實驗在實驗教學(xué)體系中的地位、虛擬仿真實驗與真實物理實驗關(guān)系、科研成果向虛擬仿真實驗轉(zhuǎn)化、優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源共享等四個方面，闡述了船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)的幾點體會。

船舶動力技術(shù)； 虛擬仿真實驗； 教學(xué)資源建設(shè)

0 引 言

虛擬仿真實驗綜合利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)手段，構(gòu)建具有高逼真度的虛擬仿真實驗環(huán)境。虛擬仿真實驗具有低風(fēng)險、低成本、使用及維護(hù)方便等優(yōu)點，適合實驗操作風(fēng)險高、實驗建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費用大的實驗教學(xué)項目，已經(jīng)成為高校實驗教學(xué)研究的重要內(nèi)容[1-5]。為充分發(fā)揮虛擬仿真實驗的作用，切實提升高校實驗教學(xué)質(zhì)量，教育部在全國范圍內(nèi)開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作。

學(xué)校根據(jù)國家和教育部有關(guān)文件精神，結(jié)合船舶動力學(xué)科專業(yè)特點，以“教學(xué)科研相融合、虛擬現(xiàn)實相結(jié)合”為指導(dǎo)思想，組織開展船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)。在建設(shè)過程中，注重虛擬仿真與物理實驗相結(jié)合，推進(jìn)科研特色和優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源，加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的開放共享。船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心已成功獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，虛擬仿真實驗教學(xué)手段在船舶動力專業(yè)的實驗教學(xué)中廣泛應(yīng)用，取得了明顯成效。

1 虛擬仿真實驗資源建設(shè)的必要性

目前能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)中面臨的主要問題是綜合性、創(chuàng)新性實驗項目匱乏，其專業(yè)實驗設(shè)備多為高溫、高壓、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高速旋轉(zhuǎn)的大型動力機(jī)械，學(xué)生實際操作具有較大的風(fēng)險性，同時受設(shè)備臺套數(shù)少、實驗準(zhǔn)備時間長、實驗費用高、運(yùn)行安全等因素制約，難以開展實際大型設(shè)備的實驗教學(xué)工作。根據(jù)對國內(nèi)能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)研，能源動力類專業(yè)的實驗教學(xué)實踐中，普遍存在“三多三少一缺乏”的問題[6]，即“基礎(chǔ)課實驗項目多，專業(yè)課實驗項目少；驗證性實驗項目多，綜合性實驗項目少；實驗環(huán)節(jié)學(xué)生看得多，做得少；部分實驗因操作風(fēng)險大被取消，系統(tǒng)性訓(xùn)練缺乏”。

為解決上述能源動力類實驗教學(xué)中存在的問題，將虛擬仿真技術(shù)引入實驗教學(xué)，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在實驗場地、實驗消耗和實驗安全等方面的優(yōu)勢，開發(fā)船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，構(gòu)建多個面向能源動力類專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

2 船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)

船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源主要包括內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)、內(nèi)燃機(jī)性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)、燃?xì)廨啓C(jī)性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)、增壓鍋爐結(jié)構(gòu)、增壓鍋爐性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)、聯(lián)合動力裝置虛擬仿真實驗系統(tǒng)等。平臺示意圖見圖1。這些虛擬仿真實驗教學(xué)資源，都是從科研成果轉(zhuǎn)化過來的，實驗項目配置和實驗教學(xué)方法上都表現(xiàn)出虛實結(jié)合的特點。整個虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)都圍繞 “教學(xué)科研相融合、虛擬現(xiàn)實相結(jié)合”這一指導(dǎo)思想展開。

3 虛擬仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 內(nèi)燃機(jī)性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)

內(nèi)燃機(jī)性能仿真實驗系統(tǒng)基于Matlab軟件和GT-

圖1 船舶動力虛擬仿真實驗教學(xué)資源構(gòu)成示意圖

power等軟件聯(lián)合編程，建立面向能源動力類專業(yè)本科生，可以開設(shè)11項柴油機(jī)專業(yè)的仿真實驗系統(tǒng)。實驗項目包括增壓匹配、進(jìn)排氣正時、示功圖、負(fù)荷特性、油耗測量、指示指標(biāo)測量仿真實驗等TBD234V12柴油機(jī)實驗項目；同時還可以開設(shè)5個4102柴油機(jī)的實驗項目，包括：進(jìn)排氣正時仿真實驗、示功圖仿真實驗、負(fù)荷特性仿真實驗、油耗測量仿真實驗、指示指標(biāo)測量仿真實驗。其中增壓匹配仿真實驗操作界面如圖2所示，具體的實驗過程詳見哈爾濱工程大學(xué)船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站(網(wǎng)址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)。

圖2 增壓柴油機(jī)增壓匹配仿真平臺

3.2 內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗系統(tǒng)

內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗系統(tǒng)利用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建4105柴油機(jī)的三維模型，具備網(wǎng)上遠(yuǎn)程柴油機(jī)虛擬拆卸和虛擬裝配實驗功能。該實驗系統(tǒng)面向柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、柴油機(jī)設(shè)計等專業(yè)課程，具體內(nèi)容詳見哈爾濱工程大學(xué)船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站(網(wǎng)址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)和哈爾濱工程大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教學(xué)網(wǎng)虛擬拆裝平臺。

3.3 燃?xì)廨啓C(jī)性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)包括仿真機(jī)和物理實體兩部分：燃?xì)廨啓C(jī)裝置做仿真機(jī)，推進(jìn)系統(tǒng)用物理實體。系統(tǒng)在發(fā)揮虛擬仿真實驗優(yōu)勢的同時，又可以讓學(xué)生獲得接近實際系統(tǒng)的操作感受。

仿真系統(tǒng)面向能源與動力專業(yè)的本科生，開設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)方向的6個實驗項目，包括分軸燃機(jī)穩(wěn)態(tài)變工況、三軸燃機(jī)穩(wěn)態(tài)變工況、分軸燃機(jī)動態(tài)變工況、三軸燃機(jī)動態(tài)變工況性能試驗、單軸發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)啟動過程仿真實驗、船舶燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能自主設(shè)計仿真實驗等實驗項目。系統(tǒng)的開始界面如圖3所示，具體的實驗過程詳見哈爾濱工程大學(xué)船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站(網(wǎng)址同上)。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)性能虛擬仿真實驗平臺界面

3.4 增壓鍋爐結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗系統(tǒng)

該虛擬仿真實驗系統(tǒng)按照學(xué)校船舶動力技術(shù)實驗教學(xué)中心的小型增壓鍋爐蒸汽動力實驗系統(tǒng)參數(shù)開發(fā)。建模過程按照實際系統(tǒng)尺寸建立三維模型，綜合利用多種仿真技術(shù)手段，對鍋爐工作原理、鍋爐結(jié)構(gòu)與部件制造、蒸汽系統(tǒng)構(gòu)成、蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行操作等內(nèi)容進(jìn)行了全方位的講解。仿真系統(tǒng)構(gòu)建與真實實驗室高度相似的虛擬仿真實驗環(huán)境，學(xué)生能夠在虛擬仿真實驗過程中，獲得與實際系統(tǒng)接近的實驗感受。

虛擬仿真實驗系統(tǒng)面向能源與動力工程專業(yè)本科生開設(shè)4門實驗課程，包括鍋爐本體裝配、鍋爐啟動運(yùn)行、充氣系統(tǒng)啟動、蒸汽推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行等多個實驗項目。增壓鍋爐和蒸汽動力系統(tǒng)的鍋爐虛擬拆裝過程圖如圖4所示，具體的實驗過程詳見學(xué)校船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站。

3.5 增壓鍋爐性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)

增壓鍋爐性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)是按照實際增壓鍋爐實驗裝置的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)構(gòu)建的數(shù)字化實驗系統(tǒng)，其實驗過程與實際物理實驗過程基本相同。通過仿真實驗項目操作，能加強(qiáng)學(xué)生對增壓鍋爐動力裝置整體性能的認(rèn)識，有利于學(xué)生對增壓鍋爐動力系統(tǒng)的運(yùn)行、調(diào)控有更深層次的理解和掌握。

該虛擬仿真實驗系統(tǒng)可進(jìn)行增壓鍋爐裝置穩(wěn)態(tài)負(fù)

圖4 增壓鍋爐和蒸汽動力系統(tǒng)鍋爐虛擬拆裝過程圖

荷、變負(fù)荷實驗操作、不同運(yùn)行邊界條件下增壓鍋爐運(yùn)行性能測試、增壓鍋爐供蓄熱器周期性負(fù)荷演示實驗等虛擬仿真實驗項目。增壓鍋爐虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)測試操作界面見圖5，具體的實驗過程詳見學(xué)校船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站。

圖5 增壓鍋爐穩(wěn)態(tài)負(fù)荷測試實驗界面

3.6 聯(lián)合動力裝置虛擬仿真實驗系統(tǒng)

聯(lián)合動力裝置虛擬仿真實驗系統(tǒng)是由數(shù)字化燃機(jī)輪機(jī)、數(shù)字化柴油機(jī)、數(shù)字化發(fā)電機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)組成的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。整個虛擬仿真系統(tǒng)與我校的聯(lián)合動力裝置物理實驗系統(tǒng)相對應(yīng)，實現(xiàn)物理設(shè)備與虛擬仿真實驗的緊密結(jié)合，互為補(bǔ)充。

該系統(tǒng)對應(yīng)船舶動力裝置、燃?xì)廨啓C(jī)裝置原理、燃?xì)廨啓C(jī)電站等專業(yè)課程，可以開設(shè)柴、燃聯(lián)合發(fā)電實驗、船舶聯(lián)合動力裝置并車控制實驗、船舶聯(lián)合動力輸出特性實驗、聯(lián)合動力故障模擬與診斷實驗等實驗項目。利用該系統(tǒng)還可開展多種聯(lián)合動力裝置運(yùn)行特性、聯(lián)合動力裝置控制策略等實驗項目。

4 虛擬仿真實驗中心建設(shè)的幾點體會

(1) 明確虛擬仿真實驗的地位。明確虛擬仿真實驗在整個實驗課程體系中的地位和作用是一個首要的問題，應(yīng)該從人才培養(yǎng)的高度進(jìn)行綜合考慮。在重視虛擬仿真實驗的同時，要加強(qiáng)對虛擬仿真實驗資源建

圖6 聯(lián)合動力裝置總體結(jié)構(gòu)布局圖

設(shè)中各種關(guān)系的理解，認(rèn)識到虛擬仿真實驗的局限性[7-9]。在實際的建設(shè)過程中應(yīng)該結(jié)合學(xué)科的特點，分析虛擬仿真實驗方法在本學(xué)科實驗教學(xué)中的優(yōu)勢和劣勢，揚(yáng)長避短，有所為有所不為。

在船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)過程中，從能源動力學(xué)科專業(yè)的特點出發(fā)，分析能源動力類實驗教學(xué)中存在的主要問題，從學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)角度進(jìn)行頂層設(shè)計，將虛擬仿真實驗定位成綜合類、創(chuàng)新類的專業(yè)課程實驗項目。充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在高風(fēng)險、高耗能、不可逆等方面的優(yōu)勢，集中優(yōu)質(zhì)科研資源建立船舶燃?xì)廨啓C(jī)、船舶柴油機(jī)、船舶蒸汽動力裝置、聯(lián)合動力裝置等虛擬仿真實驗資源，較好地解決了制約船舶動力技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)發(fā)展的瓶頸問題。對于基礎(chǔ)實驗課程或者實驗投入和實驗風(fēng)險較小的實驗項目，則盡量不開設(shè)虛擬仿真實驗項目。

(2) 解決好虛擬仿真實驗與真實物理實驗的關(guān)系。教育部在國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的文件中指出“虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛的原則”。這就明確了虛擬實驗和真實物理實驗的關(guān)系。具體落實到仿真資源的建設(shè)過程中，我們的做法是實驗項目設(shè)置、虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)和實驗教學(xué)方法做到“虛實結(jié)合”。

在實驗項目設(shè)置上，“虛實結(jié)合”表現(xiàn)為物理實驗項目和虛擬實驗項目相結(jié)合?；A(chǔ)類的實驗項目、實驗風(fēng)險較小的項目，在實驗經(jīng)費能夠滿足的條件下，盡可能采用真實的物理實驗，做到”能實則實”。學(xué)生的基本實驗技能還是應(yīng)該通過物理實驗設(shè)備的實際操訓(xùn)練，在這一點上，真實物理實驗操作訓(xùn)練的作用是不可替代的。對于高能耗、高風(fēng)險的綜合類實驗項目，則可采用虛擬仿真實驗。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2017年，中國船舶燃油供應(yīng)總量為2176萬噸，比上年增長12%，保持穩(wěn)定增長態(tài)勢。預(yù)計2018年中國船供油總量達(dá)到2330萬噸，比上年增長7%，其中，保稅油供油總量預(yù)計為1150萬噸，比上年大幅增長15%，成為帶動中國船供油市場需求總量快速增長的主要動力（見圖1）。

在虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)上，“虛實結(jié)合”表現(xiàn)為虛擬仿真技術(shù)與真實物理設(shè)備相結(jié)合，盡量采用半物理方式構(gòu)建虛擬仿真平臺。比如燃?xì)廨啓C(jī)性能虛擬仿真實驗系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)裝置為虛擬的數(shù)字化系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)則用物理實體設(shè)備。采用半物理仿真平臺，在充分發(fā)揮虛擬仿真系統(tǒng)優(yōu)勢的同時，讓學(xué)生在實驗訓(xùn)練過程中，盡可能獲得與真實物理實驗接近的操作感受。

實驗教學(xué)方法上，“虛實結(jié)合”表現(xiàn)為課下虛擬仿真、課上真實實驗的教學(xué)方法。以柴油機(jī)拆裝實驗課程為例，學(xué)生在課下先通過內(nèi)燃機(jī)教學(xué)網(wǎng)站進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)虛擬拆裝實驗，課上再對柴油機(jī)進(jìn)行真實拆裝訓(xùn)練。除了柴油機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗以外，柴油機(jī)性能虛擬仿真實驗、燃?xì)廨啓C(jī)性能虛擬仿真實驗、增壓鍋爐結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗、增壓鍋爐性能實驗等實驗課程都引入“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)方法。大量的教學(xué)實踐表明，這種課下虛擬仿真、課上物理實驗的教學(xué)手段，能夠降低實驗難度，提高實驗質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生對實驗操作過程的總體把握[10]。

(3) 促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗項目。圍繞船舶動力行業(yè)，將科研特色和優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源，是我們在船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的重要舉措[11]。將科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗項目，在滿足科研的需要的同時可以兼顧實驗教學(xué)，實現(xiàn)教學(xué)科研緊密結(jié)合。積極促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化虛擬仿真實驗項目，既推進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化，也不斷提升實驗教學(xué)平臺的技術(shù)水平，保證實驗教學(xué)平臺的長期可持續(xù)發(fā)展。從長遠(yuǎn)發(fā)展角度來看，促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化虛擬仿真實驗項目是實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)長期可持續(xù)發(fā)展的重要保證。

(4) 推進(jìn)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)資源共享。虛擬仿真資源的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特性為資源共享提供了技術(shù)條件；同時資源共享也為虛擬仿真建設(shè)帶來了更多用戶體驗反饋，便于虛擬仿真實驗系統(tǒng)的改進(jìn)完善。教育部在虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的指導(dǎo)思想中明確指出要“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”。推進(jìn)資源建設(shè)與共享是虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的一項重要工作內(nèi)容，資源共享的機(jī)制、方式、手段都需要不斷探索完善。

船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，通過實驗教學(xué)網(wǎng)站(網(wǎng)址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)，初步實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源共享。船舶動力技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝虛擬仿真實驗教學(xué)資源，通過網(wǎng)絡(luò)平臺、光盤資源出版、企業(yè)合作推廣等方式積極推進(jìn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，目前已被32個國家和地區(qū)的142所國內(nèi)外著名院校采用，占據(jù)多個搜索引擎的顯著位置，在優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源共享方面做出有益的嘗試。未來將繼續(xù)加強(qiáng)資源共享和示范輻射作用，不斷提高優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的利用率。

5 結(jié) 語

在船舶動力技術(shù)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)過程中，從虛擬仿真實驗地位、虛擬仿真實驗與真實物理實驗關(guān)系、科研成果轉(zhuǎn)化虛擬仿真實驗和優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源共享等方面總結(jié)了虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)的幾點體會，可供其他院校參考。

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Practice and Experience of Virtual Simulation Experimental Teaching Resources of Marine Power Technology

FEIJing-zhou,LUYong,GAOFeng,LIShu-ying,MAXiu-zhen

(College of Power & Energy Engineering，Harbin Engineering University, Harbin 150001，China)

The virtual simulation technology is introduced into experimental teaching to solve the problems which exist in the experimental teaching of energy and power major. Virtual simulation experimental teaching resources of marine power technology are developed. It holds advantages of virtual simulation experiment in experimental space, experimental consumption and experimental safety. "Integration of teaching and research, combination of virtual and reality" is regarded as the guiding ideology. Experimental simulation teaching system is constructed to meet the needs of each professional teaching, including the major of internal combustion engines, gas turbines, steam turbines and power engineering. The basic function of the virtual simulation teaching system and teaching applications in various professional courses are explained. Experiences of resources of virtual simulation experimental teaching in marine power technology are discussed, including the position of virtual simulation experiment teaching in the whole teaching system, the relationship between virtual simulation and real physical experiments, the conversion from scientific research into virtual simulation teaching resources and resource sharing in experimental simulation.

marine power technology; virtual simulation experiment; teaching resources construction

2016-07-24

哈爾濱工程大學(xué)教改項目(JG2016BZD03)

費景洲(1976-)，男，黑龍江訥河人，博士，實驗師，研究方向：船舶動力裝置總體性能分析與控制、實驗教學(xué)與管理。

Tel.:0451-82519307; E-mail：feijingzhou@hrbeu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0147-05