工程教育專業(yè)認證背景下輪機虛擬仿真實驗教學(xué)的探索

叢巖　王寶軍　姜興家　楊少龍

摘 要：為響應(yīng)我國建設(shè)世界水平的工程教育體系，促使我國從工程教育大國走向工程教育強國的戰(zhàn)略部署，培養(yǎng)滿足《工程教育專業(yè)認證標準》的航海類專業(yè)人才，提升實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，對輪機虛擬仿真實驗教學(xué)模式進行了研究，建設(shè)了輪機虛擬仿真實驗教學(xué)平臺并應(yīng)用于本科教學(xué)。通過虛實結(jié)合輔助現(xiàn)場實操，取得一定的教學(xué)效果。對工程教育專業(yè)認證背景下輪機專業(yè)實操類實驗課程的教學(xué)改革有借鑒的意義。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認證;輪機;虛擬仿真;實驗教學(xué)

中圖分類號：U664.8? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0068-03

1背景

工程教育專業(yè)認證是工程教育在國際上互認和工程師資格國際互認的基礎(chǔ)。2016年6月，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》第18個成員國，這意味著通過認證專業(yè)的畢業(yè)生學(xué)位會得到國際互認，同時也標志著我國高等教育走向了世界[1]。2018年9月，教育部、工信部和中國工程院發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，強調(diào)為適應(yīng)新一輪科技變革和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國[2]。

工程教育認證要求專業(yè)培養(yǎng)的目標為“對該專業(yè)畢業(yè)生在畢業(yè)后5年左右能夠達到的職業(yè)和專業(yè)成就的總體描述”，強調(diào)的是學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。這要求在對輪機管理專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)上，不僅要滿足國家海事局基于STCW公約對航海類專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，更要滿足《工程教育專業(yè)認證標準》，具備結(jié)合所學(xué)專業(yè)理論知識解決和應(yīng)對實際復(fù)雜工程問題的能力[3]。

虛擬仿真實驗教學(xué)課程作為教育部著力打造的五大金課之一，是一流本科課程建設(shè)“雙萬計劃”的重要部分[4]。虛擬仿真實驗教學(xué)借助現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，通過多通道感知人機交互的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生先驗知識的建立和發(fā)展，有助于學(xué)生更加關(guān)注自己的學(xué)習(xí)任務(wù)，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、溝通能力和組織能力的發(fā)展和提高[5]。

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于輪機管理專業(yè)的實操類實驗課程符合國家實驗教學(xué)信息化，建設(shè)國際高水平工程教育體系的戰(zhàn)略要求。

2建設(shè)輪機虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的必要性

輪機管理專業(yè)本科生需要完成一系列現(xiàn)場實操類的實驗課程。例如輪機綜合實驗和機艙資源管理兩門必修實驗課。這兩門課程都是綜合類實操實驗，涉及到的專業(yè)知識非常廣泛和復(fù)雜。讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)，熟練地應(yīng)用所學(xué)知識完成現(xiàn)場操作并解決復(fù)雜問題的難度非常大。另外，學(xué)生在沒有豐富實際操作經(jīng)驗的情況下直接現(xiàn)場操作真實的設(shè)備，對學(xué)生自身的安全，對實驗室的安全都帶來不小的威脅！

學(xué)生實操的場所為大連海事大學(xué)陸上機艙實驗室，要完成實驗需起動系統(tǒng)和真實的設(shè)備，燃油、電力等能耗非常巨大，設(shè)備的維修和維護成本非常高。由于現(xiàn)場實操的條件所限，學(xué)生的操作效率低，誤操作頻率高，分組操作導(dǎo)致學(xué)生的操作步驟也不完整。

基于VR等信息技術(shù)建立輪機實操類實驗課程的虛擬仿真實驗平臺，應(yīng)用于輪機專業(yè)本科的實驗教學(xué)以輔助現(xiàn)場實操，既可以大大降低實操類實驗的各種成本，提高實驗的安全性，又可以提高實驗教學(xué)質(zhì)量，還可以通過加深學(xué)生的具身認知，提升學(xué)生的實驗興趣和學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)生應(yīng)對和處理復(fù)雜工程問題的能力。

3 輪機實操類實驗課程虛擬仿真教學(xué)模式

輪機實操類實驗虛擬仿真教學(xué)的目標是利用虛擬仿真的教學(xué)環(huán)境提升學(xué)生感性認識，加深學(xué)生對業(yè)務(wù)知識的理解，完成輪機管理知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，掌握所學(xué)并能靈活運用，提升解決現(xiàn)場實際設(shè)備不能夠模擬的復(fù)雜問題的能力，從而提升安全意識和敬業(yè)精神，彌補傳統(tǒng)現(xiàn)場教學(xué)方法中的不足。此類教學(xué)模式在傳統(tǒng)的單向輸出式教學(xué)的基礎(chǔ)上有所改進和提升。通過前期的準備，教師分析學(xué)生所掌握知識結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和學(xué)習(xí)需求，準備教學(xué)內(nèi)容并在線發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容和虛擬仿真實驗教學(xué)幫助文檔，學(xué)生通過仿真系統(tǒng)漫游機艙，學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)，完整操作和線上考核，從而輔助完成現(xiàn)場實操課程。此外，仿真系統(tǒng)把實驗過程中各數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析后反饋給學(xué)生、系統(tǒng)設(shè)計人員和實驗教師，以完善系統(tǒng)平臺和教學(xué)內(nèi)容，形成實驗教學(xué)的閉環(huán)系統(tǒng)。

利用實驗教學(xué)的線上學(xué)習(xí)，仿真操作，線上考核，輔助現(xiàn)場實操和現(xiàn)場考核，通過數(shù)據(jù)的收集、處理和反饋，形成閉環(huán)，指導(dǎo)和完善實驗過程和實驗內(nèi)容，完善教學(xué)平臺，是與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ阶铒@著的不同之處。

4 虛擬仿真平臺的建設(shè)、實施及效果

依托大連海事大學(xué)陸上機艙實驗室建設(shè)輪機虛擬仿真實驗平臺。實驗室建筑面積5000平方米，分為5層，涵蓋了船舶機艙所有的設(shè)備及儀器儀表和系統(tǒng)，選用目前遠洋船舶上具有代表性的船用設(shè)備，以實船標準嚴格按照中國船級社入級規(guī)范建造。

陸上機艙實驗室每年要承擔(dān)輪機管理專業(yè)大四本科生近1400左右學(xué)時的必修實驗課程和大約800學(xué)時的社會船員實訓(xùn)和評估，學(xué)生必須在完成大部分專業(yè)課的學(xué)習(xí)，完成教學(xué)實船上的實踐環(huán)節(jié)，并有了深刻的感性認識和理解的基礎(chǔ)上，才能在陸上機艙實驗室開展綜合類實操實驗課程的學(xué)習(xí)。

按照輪機實操類實驗課程虛擬仿真教學(xué)模式，項目組設(shè)計了輪機虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)，建設(shè)了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。

仿真教學(xué)系統(tǒng)的授課模塊包括：對機艙所有設(shè)備的介紹，對性能參數(shù)、維護保養(yǎng)管理要點、操作要點的講解，對燃油、滑油、海水、淡水、空氣、蒸汽、電路等各個系統(tǒng)的介紹和講解。學(xué)生可在陸上機艙的3D虛擬場景中，通過人機交互指示標識任意的場景中漫游和行走，在不同的場景中，激活智能顯示的熱點、熱區(qū)或設(shè)備部件，調(diào)出相關(guān)的音頻、視頻、模型、動畫或設(shè)備結(jié)構(gòu)細節(jié)的展示，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，掌握操作和管理要領(lǐng)，如圖1所示。

系統(tǒng)的仿真操作模塊包括：備車、機動航行、定速航行和機艙的巡回檢測、完車等關(guān)鍵操作的學(xué)習(xí)和仿真操作。在智能交互指示標識的引導(dǎo)下，學(xué)生在機艙中行走和轉(zhuǎn)換不同視角，完成各操作步驟，仿真啟動各船舶系統(tǒng)和設(shè)備。也可設(shè)置不同系統(tǒng)和設(shè)備的故障，這時系統(tǒng)中各模擬量和開關(guān)量的參數(shù)會對應(yīng)發(fā)生變化，并發(fā)出聲和光的報警，學(xué)生根據(jù)各故障現(xiàn)象，通過觀察各變化中的系統(tǒng)參數(shù)，分析故障原因，解決并處理故障，完成仿真實驗，如圖2所示。

從2017級輪機管理專業(yè)中選取了兩個班級，在輪機綜合實驗課上應(yīng)用了仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)以輔助現(xiàn)場實操。設(shè)計了調(diào)查問卷評估教學(xué)效果，采用李克特五級量表評估學(xué)生實驗過程中的感受和實驗效果。結(jié)果表明，學(xué)生普遍對采用虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)輔助現(xiàn)場實操的教學(xué)方法持正面和積極的態(tài)度，認為這種方式有效、有趣而且印象深刻，在實操環(huán)節(jié)中效率更高了，手動操作更加大膽了，團隊協(xié)助更加順暢和有效了。

經(jīng)過對平臺反饋的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析及在學(xué)生中的走訪發(fā)現(xiàn)，不同學(xué)生對信息技術(shù)的掌握程度不同，有的甚至從來不玩電腦或手機的游戲，不同學(xué)生掌握仿真教學(xué)系統(tǒng)的操作和使用方法，并靈活運用于仿真操作的熟練度也不同。虛擬仿真系統(tǒng)可線上操作，學(xué)生的操作環(huán)境并不是統(tǒng)一授課的教室，不同的環(huán)境導(dǎo)致學(xué)生在實驗過程中的專注度不同。所以，現(xiàn)階段需要完善的是：軟件和系統(tǒng)的幫助文檔，并在軟件中加入計時、提醒等功能，提高學(xué)生在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上的實驗效率和專注度。

5 結(jié)語

輪機虛擬仿真實驗輔助現(xiàn)場實操通過虛實結(jié)合，彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的短板，激發(fā)了學(xué)生對輪機綜合類實驗的熱情，提高了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。降低了輪機綜合類實驗現(xiàn)場實操的實驗成本和安全隱患。

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的不斷深化，為培養(yǎng)更加適應(yīng)未新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展符合工程教育認證標準的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才和航海類專業(yè)人才，應(yīng)進一步完善輪機虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，提高學(xué)生的工程能力，以響應(yīng)國家建設(shè)世界一流教育強國的戰(zhàn)略需求。

參考文獻：

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基金項目：遼寧省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度立項課題“遼寧省智能船舶航海類專業(yè)人才培養(yǎng)研究”（JG20DB057）;華中科技大學(xué)實驗技術(shù)研究項目“船用電機降壓啟動控制虛擬仿真實驗”（2021ch01）;大連海事大學(xué)教改項目“線上線下混合式學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計的實施與實踐工作坊”（JF2020Y13）。