孫 聰， 郭春雨， 馮 峰， 曲先強

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心，哈爾濱 150001)

0 引 言

在信息化技術不斷發(fā)展和深入的今天，教育信息化越來越受到國家的重視。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》[1]指出，“信息技術對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”；國家發(fā)改委、工信部等部門在“寬帶中國2013年專項行動計劃”“信息惠民工程”等一系列國家重大工程中，都把教育信息化列為重點建設內(nèi)容；教育部《關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》[2]《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)[3]中均提出要加強信息化資源共享平臺建設，推動信息技術與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作順應了高等教育的發(fā)展趨勢[4]，是高校實驗教學信息化的最新舉措，也是我國高等教育質(zhì)量提高的必然手段[5]。

船海虛擬仿真實驗中心[6]2015年獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心。中心以“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導思想，在原有教學資源的基礎上，進一步組織開展虛擬仿真實驗教學資源的建設，取得了顯著的成效。

1 建設背景

1.1 凸顯船舶與海洋工程專業(yè)特點和行業(yè)特色

船舶與海洋工程類實踐性教學環(huán)節(jié)具有其特殊性，開展實驗教學面臨以下難題[7]：實驗室的大型設備與特種設備多，船模拖曳水池、循環(huán)水槽以及結構多點協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)等大型試驗設備操作復雜且具有單一性，設備運行消耗的能源大，開展多班次大批量的本科實驗教學極為不便；學校地處哈爾濱，遠離船廠以及船舶設計單位，學生無法親自了解船舶設計與生產(chǎn)流程，專業(yè)實習又面臨著耗費資金大、外出時間長、組織協(xié)調(diào)困難、存在不安全因素等難題，實習效果較差。因此，構建高度虛擬仿真的實驗教學環(huán)境來解決真實實驗平臺無法開展和具有高危險性、大型、綜合的復雜系統(tǒng)以彌補現(xiàn)場實踐的不足，已經(jīng)成為船舶與海洋工程專業(yè)人才工程實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必然要求。

1.2 緊跟船舶工業(yè)智能化發(fā)展

船舶工業(yè)正在向以智能制造、使用和管理為核心的工業(yè)4.0浪潮逐步邁進[8]，智能化船舶已是船舶工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。傳統(tǒng)的實驗教學已經(jīng)不能反映現(xiàn)代船舶工業(yè)技術發(fā)展的最新趨勢。因此，開展船舶與海洋工程虛擬仿真實驗資源建設，將最新的科研成果融入實驗教學，豐富實驗教學內(nèi)容，緊跟船舶工業(yè)智能化發(fā)展趨勢[9-10]，將虛擬仿真技術與實驗實踐教學緊密結合，已成為實驗教學中心發(fā)展的必然選擇。

2 虛擬仿真教學資源建設

2.1 構建網(wǎng)絡交互式虛擬船廠仿真教學與考核平臺

船廠實習屬于大型、綜合實驗教學，耗費資金大、組織協(xié)調(diào)困難、存在不安全因素等問題，交互式網(wǎng)絡虛擬船廠仿真系統(tǒng)使船廠近在咫尺，按照學生需要選擇學習內(nèi)容，通過網(wǎng)絡學習和親身參與，并與虛擬軟件形成互動。交互式網(wǎng)絡虛擬船廠學習系統(tǒng)作為學生“第二學習”課堂，貫穿于學生教學環(huán)節(jié)的全過程，結合專業(yè)課程的推進，隨時走入“船廠”實習。特別是在學生進船廠實地實習前集中進行學習，在對船舶企業(yè)有了一定了解后再進入到船廠對關鍵環(huán)節(jié)重點學習，使其成為學生從校園教學到船舶制造企業(yè)現(xiàn)場教學的過度和銜接，在有限的時間內(nèi)向學生傳授更多實踐經(jīng)驗和技巧。事實上，由于現(xiàn)代化船舶制造工序多、分工細，即使是身為船廠員工，也難以熟知船廠各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而虛擬船廠軟件則以船廠漫游的表現(xiàn)形式還原并展示船廠的全貌，輕松學習船廠的生產(chǎn)過程，確保人人得到學習機會見圖1～3。該軟件在實驗教學中應用多年，提高了學生學習興趣，使學生對船廠有了身臨其境的體驗，增強了學生學習的積極性和學習效果。

圖1 車間內(nèi)漫游

圖2 分段舾裝場地

圖3 總組裝平臺

2.2 虛擬散貨船仿真教學系統(tǒng)

船舶工程屬于大型機械設計制造領域，由于實船建造成本高和占地空間大等原因，很難將整條船搬到教學課堂和實驗場所。學生在整個大學學習期間，包括大二、大四2次船廠實習，由于受船舶企業(yè)服務能力限制和出于安全因素考慮，不僅實習時間有限，而且沒有機會登上在建或完工船舶進行參觀和學習，這不僅是一種遺憾，也使船舶工程專業(yè)的學生缺少了全面、細致、直觀認識和了解船舶這一復雜產(chǎn)品的機會。散貨船是我國三大出口船型之一，是最常見和使用的船舶類型，同時也是船舶工程專業(yè)本科生教學常用船型，具有典型性。

虛擬散貨船仿真教學系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡開發(fā)的多用戶參與體驗、學習、考評的虛擬仿真軟件?？瑟毩⒂糜趯W生實驗也可以掛靠在虛擬船廠仿真平臺上，重點教學上層建筑總布置及艙室綜合設計、甲板布置及設備、推進和操縱設備等內(nèi)容，這些內(nèi)容是在船廠實習時較少能了解到，在課堂教學中較難以形成直觀認識。該軟件分為教學實驗模式和自主實驗模式。教學實驗模塊通過語音教學、觸發(fā)連接、引導實驗(增強型虛擬現(xiàn)實)、漫游仿真、虛擬測試等方法引導學生學習，自主實驗時學生獨立完成甲舾、防火救生設施布置、IMO標志識別、逃生、設備使用等實驗，實驗結果通過考核系統(tǒng)將成績統(tǒng)計完成供教師評定。系統(tǒng)解決了大型裝備型實驗難于開展、高危實驗無法操作、課程綜合實驗的問題。其趣味性、沉浸感滿足學生學習需要，虛擬總布置設計、誘導實驗、虛擬操作、立體導航等視覺和環(huán)境特效的優(yōu)點不僅能吸引學生的興趣和注意力，還增強了船舶空間概念和整體布局設計的能力，達到實船學習無法比擬的效果。

圖4 碼頭

圖5 駕駛室

2.3 半潛平臺動力定位仿真系統(tǒng)

半潛平臺動力定位仿真系統(tǒng)是基于中心“深海半潛式鉆井平臺工程開發(fā)”科研項目開發(fā)的一個包括HP圖形工作站、SGI圖形工作站OCATANII和開發(fā)專用計算機，并利用網(wǎng)絡通訊技術和串行通訊技術構成的分布式實時系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)以HP xw6000圖形工作站和SGI圖形工作站OCATN II為仿真中心，利用網(wǎng)絡通訊技術和串行通訊技術進行網(wǎng)絡仿真試驗驗證。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)水面艇的視景仿真、水動力計算和風、浪、流等外力的仿真。

系統(tǒng)可以支持作業(yè)和待機兩種工況下的風、浪、流仿真和水動力仿真。學生可以通過仿真系統(tǒng)單機運行觀看演示效果，也可以同顯控臺聯(lián)機運行分析水動力特性和外力作用特性。在仿真系統(tǒng)中可單項加載風、浪、流作用力，也可同時加載所有外力，以輔助完成各種情況的水動力特性分析，仿真系統(tǒng)的運行界面及操控臺如圖6、7所示。目前系統(tǒng)被應用于浮式結構定位系統(tǒng)分析與設計實驗課程中。

圖6 半潛式平臺仿真系統(tǒng)界面

圖7 半潛式平臺仿真系統(tǒng)操控臺

3 建設成效

3.1 數(shù)字化虛仿資源凸顯船海行業(yè)特色

中心秉承船海特色，集成我院教學資源和科研成果，致力于開發(fā)凸顯船海特色的虛擬仿真系統(tǒng)，構建國內(nèi)一流的船海虛擬仿真實驗教學平臺，服務于“三海一核”領域人才培養(yǎng)和科學研究。如某海工船作業(yè)半物理虛擬仿真系統(tǒng)，模擬海工船作業(yè)全過程(如圖8所示)；通過虛擬仿真技術為某水深鋪管起重船開發(fā)了一套海上起重、鋪管作業(yè)半物理仿真模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了工程過程預演、工藝推敲(如圖9所示)；以上虛擬仿真資源均凸顯了鮮明的船海行業(yè)特色。

3.2 科研成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源

科研成果轉化為虛擬仿真資主要體現(xiàn)在硬條件和軟條件兩個方面。硬條件轉化一是為滿足科研條件，以科研經(jīng)費改造網(wǎng)絡環(huán)境，實驗教學可以共享；二是科研樣機轉化為實驗中心的固定資產(chǎn)。軟條件轉化則體現(xiàn)在科研資料、科研經(jīng)驗、科研成果融入虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)作中[11-13]。例如，艦船操控模擬系統(tǒng)是以科研項目為牽引開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的虛仿軟件，艦船操控模擬系統(tǒng)的樣機在學校船舶博物館中展出，已應用于船舶操控實驗教學和科普教育中，現(xiàn)在已逐步形成模擬操控、模擬作業(yè)等多個型號，在國內(nèi)享有盛譽。網(wǎng)絡交互式虛擬船廠仿真系統(tǒng)是基于現(xiàn)代船舶制造企業(yè)模式建立的數(shù)字化船廠，它是在科研軟件數(shù)字化船廠仿真系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理在船廠的應用的基礎上面向虛擬仿真實驗教學開發(fā)的實驗教學系統(tǒng)，已在虛擬仿真實驗教學和預備實習課程中應用。先進的科研設施和創(chuàng)新的研究成果應用于教學，使學生在實驗教學過程中可以接觸到先進的設備、技術、方法和研究成果[14-16]，有助于開拓視野，提升知識結構，培養(yǎng)綜合設計和創(chuàng)新能力。

圖8 某海工船作業(yè)半物理虛擬仿真系統(tǒng)

圖9 深水起重鋪管船模擬器

3.3 校企合作，助力虛擬仿真實驗教學中心發(fā)展

船海虛擬仿真實驗教學中心與國內(nèi)船舶與海洋工程領域的研究院所、船企和高校建立了廣泛的合作關系，通過不同方式和不同內(nèi)容的合作，為虛擬仿真實驗教學中心的發(fā)展提供了有力的支持。中心每年都派出實驗教師到船企參觀學習，通過實地考察，全面了解船企的人才需求、崗前培訓和技能培訓的特點和要求，為虛擬仿真實驗教學中心實驗課程的建設提供指導；在船企拍攝的大量照片為開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)和設備的虛擬教學系統(tǒng)提供了豐富的素材。

自2008年至今，利用虛擬仿真實驗教學平臺為上海江南造船廠、中遠船務工程集團有限公司等提供軟件培訓，累計培訓1 500人次；為山海關船舶重工有限責任公司開發(fā)虛擬船廠仿真系統(tǒng)，用于船廠實踐培訓；為沈陽軍區(qū)聯(lián)勤部開發(fā)艦船操控模擬模型，用于實船駕控模擬訓練；為中船工業(yè)第七〇八研究所開發(fā)的艦船結構強度、疲勞和振動虛擬測試系統(tǒng)，用于艦船結構強度、疲勞和振動虛擬測試；通過合作既創(chuàng)造了經(jīng)濟效益又產(chǎn)生了社會效益，為虛擬仿真實驗教學平臺的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。

4 結 語

船海虛擬仿真實驗中心以全面提高學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，本著虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，將虛擬仿真技術融入實驗與實踐教學，同時在現(xiàn)有教學資源的基礎上，根據(jù)高水平專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，不斷開發(fā)出新的虛擬仿真實驗教學資源，完善和提高現(xiàn)有虛擬仿真實驗教學平臺的技術水平，為虛擬仿真技術在船舶與海洋工程領域人才培養(yǎng)中的應用奠定了堅實的基礎。