甘輝兵，張均東，郭蒙，李燕彪

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

一、引言

輪機(jī)自動化課程是輪機(jī)工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，也是理論性、實(shí)踐性很強(qiáng)難度較高的一門課程。課程中很多艱深的理論知識需要借助對應(yīng)的實(shí)驗實(shí)踐操作來達(dá)到深入認(rèn)識和掌握的目標(biāo)；同時，強(qiáng)化輪機(jī)自動化控制系統(tǒng)的實(shí)踐操作，可加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力，為未來更好地服務(wù)于實(shí)船工作奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

目前，航海院校一般是通過購置相關(guān)的輪機(jī)自動化實(shí)驗裝置來完成配套的實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)。由于設(shè)備購置成本高、更新慢、易損耗及維護(hù)成本高等原因，很難做到與機(jī)艙自動化技術(shù)更新同步配套，也難以達(dá)到讓所有學(xué)生都動手實(shí)驗實(shí)踐的要求，這勢必影響學(xué)生實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)及崗位適任能力的提升。

我國海事局在船員適任能力方面做了明確要求，并在《<中華人民共和國船員培訓(xùn)管理規(guī)則>實(shí)施辦法》中明確規(guī)定，航海院校和培訓(xùn)單位必須配備相關(guān)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備。這些實(shí)訓(xùn)設(shè)備價格較高，平均每套價值達(dá)十萬或幾十萬元人民幣[1]；相關(guān)文件要求的配置1套或2套設(shè)備的最低要求僅能滿足觀摩性教學(xué)的需要，無法做到讓所有學(xué)生動手操作。

經(jīng)過多年持續(xù)不斷的投入和建設(shè)，大連海事大學(xué)輪機(jī)自動化課程先后被評為國家精品課程、國家精品資源共享課程和國家精品在線開放課程(首批國家級一流本科線上課程)，該課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度也得到業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可，同時，輪機(jī)自動化課程引入網(wǎng)絡(luò)化、信息化手段進(jìn)行教學(xué)模式改革已取得一定成果[2-3]。但是，相關(guān)資源的建設(shè)和改革偏向于理論教學(xué)部分，實(shí)驗實(shí)踐部分仍然缺乏系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)。文獻(xiàn)[4]嘗試?yán)锰摂M仿真實(shí)驗室來設(shè)計輪機(jī)自動化課程內(nèi)容，但是利用整套龐大的虛擬實(shí)驗來進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容教學(xué)，一方面對教師提出更高的要求，另一方面有一些實(shí)驗實(shí)踐內(nèi)容難以達(dá)到課程設(shè)計要求或不能滿足主管機(jī)關(guān)的相關(guān)要求。

隨著計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)訓(xùn)領(lǐng)域采用基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真技術(shù)輔助教學(xué)已有較多成功案例。采用三維手段在計算機(jī)中構(gòu)建虛擬的實(shí)船場景并進(jìn)行輪機(jī)操作教學(xué)，可以給學(xué)員提供虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，避免實(shí)物操作造成的安全風(fēng)險和故障。盡管虛擬輪機(jī)操作訓(xùn)練不能完全替代實(shí)船操作，但它有助于提高實(shí)船操作中對控制系統(tǒng)原理與參數(shù)調(diào)整引起的結(jié)果的認(rèn)知，不僅能模擬反饋控制、流程操作及參數(shù)調(diào)節(jié)等正常操作過程，還可以反復(fù)模擬實(shí)際難以演練的故障定位與排除、安全保護(hù)與應(yīng)急操作。這些技術(shù)的發(fā)展都給輪機(jī)自動化課程的實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)帶來了機(jī)遇。

基于以上背景，本文結(jié)合相關(guān)實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)設(shè)備的研發(fā)及教學(xué)實(shí)踐，探討一種輪機(jī)自動化配套實(shí)驗實(shí)踐課程多模式教學(xué)設(shè)計，針對不同的實(shí)驗實(shí)踐內(nèi)容，采用不同的技術(shù)手段和策略來設(shè)計實(shí)驗教學(xué)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)在有限的成本投入下通過使用技術(shù)領(lǐng)先、高效耐用的實(shí)驗設(shè)備完成實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐能力提升產(chǎn)出的最大化。

二、輪機(jī)自動化課程配套實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容及設(shè)備情況

依照輪機(jī)工程專業(yè)培養(yǎng)方案及交通運(yùn)輸部海事局對船員適任能力培養(yǎng)的要求，各航海院校開設(shè)的輪機(jī)自動化課程配套實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容大同小異。以大連海事大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)輪機(jī)自動化課程配套實(shí)驗教學(xué)為例，其主要教學(xué)內(nèi)容包括反饋控制系統(tǒng)認(rèn)識實(shí)驗、自動化儀表實(shí)驗(變送器及調(diào)節(jié)器)、冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)實(shí)驗、主機(jī)燃油黏度自動控制系統(tǒng)實(shí)驗、燃油輔鍋爐時序自動控制系統(tǒng)實(shí)驗、主機(jī)遙控系統(tǒng)實(shí)驗及機(jī)艙監(jiān)控報警系統(tǒng)實(shí)驗等。

反饋控制系統(tǒng)認(rèn)識實(shí)驗屬于通用性較強(qiáng)的演示性實(shí)驗內(nèi)容，幾乎所有自動化類專業(yè)都能涉及，所以這部分的實(shí)驗教學(xué)一般是通過購買通用的自動化教學(xué)實(shí)驗系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的演示性教學(xué)。

自動化儀表實(shí)驗(變送器及調(diào)節(jié)器)主要是對船舶機(jī)艙中常用的傳感器、變送器及調(diào)節(jié)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能了解及性能驗證實(shí)驗教學(xué)。由于船舶機(jī)艙工作環(huán)境的特殊性，這些儀表又不同于陸上通用的自動化儀表實(shí)驗，所以通常需要專業(yè)定制自動化儀表實(shí)驗臺來完成相關(guān)的實(shí)驗教學(xué)或船員評估以滿足海事局對船員適任能力的要求。這部分實(shí)驗內(nèi)容雖然屬于驗證性實(shí)驗，但是需要對相關(guān)儀表進(jìn)行動手實(shí)踐操作，而且船舶機(jī)艙自動化儀表屬于精密儀表，高頻次的實(shí)踐操作會導(dǎo)致實(shí)驗儀器維護(hù)困難和損壞嚴(yán)重，直接關(guān)系到實(shí)驗教學(xué)成本投入的多少和教學(xué)效果的優(yōu)劣。

主機(jī)燃油黏度自動控制系統(tǒng)、燃油輔鍋爐時序自動控制系統(tǒng)、主機(jī)遙控系統(tǒng)及機(jī)艙監(jiān)控報警系統(tǒng)實(shí)驗都屬于典型的船舶機(jī)艙自動控制實(shí)例的驗證和設(shè)計實(shí)驗，也是輪機(jī)自動化配套實(shí)驗教學(xué)重點(diǎn)講授和動手實(shí)踐操作的內(nèi)容。完成這些實(shí)驗的教學(xué)設(shè)備屬于船舶機(jī)艙自動控制系統(tǒng)特有的專用設(shè)備，因此需要專門的研發(fā)或定制。按照目前海事局有關(guān)規(guī)定的實(shí)驗設(shè)備臺套數(shù)的最低配置要求，在有限的實(shí)驗學(xué)時內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)人人動手操作實(shí)踐。同時，由于專門定制的實(shí)驗設(shè)備還存在著更新速度慢和維護(hù)成本高的問題，很難與最新的船舶機(jī)艙自動化技術(shù)同步。這些因素勢必影響到學(xué)生實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)。

三、多模式配套實(shí)驗教學(xué)設(shè)計

針對輪機(jī)自動化配套實(shí)驗課程中三類不同特征的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容及目前存在的問題，設(shè)計一種多模式的實(shí)驗教學(xué)策略，見表1所列。

表1 多模式實(shí)驗教學(xué)策略設(shè)計

針對第一類實(shí)驗教學(xué)，主要采用“實(shí)體現(xiàn)場教學(xué)演示”的教學(xué)模式。為了達(dá)到高效的實(shí)驗演示效果，授課團(tuán)隊首先錄制基于實(shí)體實(shí)驗臺的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)演示視頻供學(xué)生實(shí)驗前反復(fù)觀看與預(yù)習(xí)，讓學(xué)生了解實(shí)驗設(shè)備的基本組成、功能及實(shí)驗?zāi)康?，為現(xiàn)場實(shí)驗教學(xué)奠定基礎(chǔ)。然后學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗室認(rèn)識實(shí)際實(shí)驗設(shè)備，由教師簡要介紹和演示實(shí)驗過程，進(jìn)一步加深理解反饋控制系統(tǒng)組成的幾大要素。在現(xiàn)場教學(xué)時，授課教師可以通過提問的方式了解學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的掌握情況。這種模式可以在有限的實(shí)驗設(shè)備資源和時間內(nèi)做到實(shí)驗教學(xué)的高效有序。

針對第二類實(shí)驗教學(xué)，主要采用“虛實(shí)結(jié)合，以實(shí)為主”的教學(xué)模式。“虛實(shí)結(jié)合，以實(shí)為主”是將虛擬和實(shí)體的自動化儀表實(shí)驗臺結(jié)合起來，以實(shí)體實(shí)驗為主，而虛擬實(shí)驗用于實(shí)體實(shí)驗前的虛擬練習(xí)以輔助實(shí)體實(shí)驗教學(xué)。由于這一類實(shí)驗需要每個學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗臺上進(jìn)行實(shí)踐操作，因此，有必要錄制教學(xué)視頻供實(shí)驗前學(xué)習(xí)，以便事先了解實(shí)驗設(shè)備的組成與原理、注意事項和實(shí)驗?zāi)康摹Ｍ瑫r學(xué)生可以借助虛擬自動化實(shí)驗儀表軟件系統(tǒng)，自主進(jìn)行反復(fù)的操作練習(xí)，達(dá)到熟練操作的程度，接下來進(jìn)入實(shí)驗室進(jìn)行實(shí)際操作。由于實(shí)驗前已經(jīng)安排了虛擬操作預(yù)習(xí)，因此教師只需對實(shí)驗操作注意事項進(jìn)行簡單講解，學(xué)生便可以開展實(shí)驗操作。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生可以快速掌握實(shí)際操作技巧，從而有效避免實(shí)驗中無從下手或?qū)嶒炘O(shè)備損壞的問題。教師不用花費(fèi)大量時間重復(fù)講解，而是將更多的精力用于指導(dǎo)實(shí)踐中學(xué)生遇到的重點(diǎn)難點(diǎn)問題，通過啟發(fā)交流尋找解決方案。這種教學(xué)模式進(jìn)一步改進(jìn)了“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗教學(xué)模式，既能提高實(shí)驗實(shí)踐效果和效率，又能有效延長精密實(shí)驗設(shè)備的使用壽命，節(jié)約實(shí)驗成本。

針對第三類實(shí)驗教學(xué)，主要采用“虛實(shí)結(jié)合，以虛為主”的教學(xué)模式。很顯然，這類實(shí)驗教學(xué)與第二類相比不同之處在于“以虛為主”。之所以采用這樣的教學(xué)模式，一方面在于這類實(shí)驗內(nèi)容是輪機(jī)自動化實(shí)驗課程的重點(diǎn)和精華，而定制的實(shí)體實(shí)驗設(shè)備又不能完全做到和實(shí)船一致，多數(shù)設(shè)備功能類似，只適合演示；另一方面是這類實(shí)驗設(shè)備成本較高，往往各院校只按照相關(guān)規(guī)定的最低要求進(jìn)行配置，不能滿足人手一套進(jìn)行實(shí)驗操作，而且這類實(shí)體實(shí)驗設(shè)備的更新速度無法同步于日新月異的船舶機(jī)艙自動化技術(shù)。“以虛為主”的實(shí)驗教學(xué)模式在這類實(shí)驗教學(xué)中可凸顯優(yōu)勢、彌補(bǔ)不足。教師錄制的教學(xué)視頻包括實(shí)體實(shí)驗設(shè)備操作和虛擬軟件操作兩部分，但是更側(cè)重于虛擬部分。學(xué)生實(shí)驗前可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行預(yù)習(xí)，觀看實(shí)驗視頻，反復(fù)虛擬操作和預(yù)測試，達(dá)到教師設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)后，隨時可以進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗室進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗設(shè)備認(rèn)識與分組操作實(shí)驗。教師不需要花太多時間講授操作過程，而是把重點(diǎn)放在虛擬軟件對應(yīng)實(shí)體部分的操作技巧的點(diǎn)撥上，從而做到虛實(shí)結(jié)合。這一類實(shí)驗教學(xué)中的虛擬部分與第二類實(shí)驗有很大的區(qū)別，這一部分內(nèi)容專業(yè)性更強(qiáng)，涉及的知識點(diǎn)多，借助虛擬實(shí)驗系統(tǒng)可以有效解決時間和空間上對實(shí)驗教學(xué)的限制，學(xué)生可以隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行虛擬實(shí)驗，還可以完成自測。在現(xiàn)場實(shí)驗完成后，還可以再進(jìn)一步將實(shí)體實(shí)驗中遇到的重點(diǎn)難點(diǎn)問題反饋到虛擬實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)中，通過與教師、同學(xué)的互動來進(jìn)一步鞏固加深實(shí)踐知識，再在虛擬實(shí)驗系統(tǒng)中進(jìn)行知識內(nèi)化性實(shí)驗操作。這種教學(xué)模式對提升學(xué)生的實(shí)踐能力有重要幫助。

四、多模式實(shí)驗教學(xué)的可行性分析

多模式實(shí)驗教學(xué)設(shè)計需要相關(guān)實(shí)驗設(shè)備和技術(shù)支撐才能有效完成。

第一類實(shí)驗所需要的實(shí)體實(shí)驗設(shè)備通用性較強(qiáng)，可以選購優(yōu)質(zhì)企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)驗產(chǎn)品滿足實(shí)驗需求。而實(shí)體教學(xué)視頻部分，既可以自行錄制，也可以找專業(yè)公司錄制。由于這部分內(nèi)容通用性強(qiáng)，不需要頻繁更新，請專業(yè)機(jī)構(gòu)制作效果更佳。

第二類和第三類實(shí)驗所需要的實(shí)體實(shí)驗設(shè)備及虛擬操作軟件系統(tǒng)均需專門定制。大連海事大學(xué)、武漢理工大學(xué)及上海海事大學(xué)等院校都具有開發(fā)和研制這些專用設(shè)備的能力和技術(shù)儲備。以大連海事大學(xué)輪機(jī)自動化教學(xué)團(tuán)隊為例，該團(tuán)隊自主研發(fā)的輪機(jī)自動化實(shí)驗設(shè)備得到業(yè)內(nèi)較為廣泛的應(yīng)用。尤其是該團(tuán)隊的“輪機(jī)操作虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目”于2018年獲評國家虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目，2020年被認(rèn)定為國家虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)一流課程。該項目采用虛擬仿真的手段來加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決數(shù)量上的限制，通過自動化評分機(jī)制與反復(fù)練習(xí)來提升專業(yè)水平，最終與現(xiàn)有的理論教學(xué)和實(shí)船操作配套，實(shí)現(xiàn)理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐驗證理論，達(dá)到理論與實(shí)踐的深入融合，探討虛實(shí)結(jié)合的最有效的教學(xué)過程搭配。該項目的相關(guān)技術(shù)為輪機(jī)自動化課程配套實(shí)驗教學(xué)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，從技術(shù)層面來看實(shí)現(xiàn)多模式配套實(shí)驗教學(xué)是切實(shí)可行的。

五、多模式實(shí)驗教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐

近年來，多模式實(shí)驗教學(xué)模式在輪機(jī)自動化實(shí)驗教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，取得了較好的效果。

(1)從學(xué)生角度看：在“虛”的方面，采用二維與三維虛擬仿真和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，不受時空限制，人人都能實(shí)現(xiàn)反復(fù)的實(shí)踐操作練習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，學(xué)習(xí)效果更佳；在“實(shí)”的方面，由于課前觀看視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)和虛擬演練，因此實(shí)踐操作更加高效有序。

(2)從教師角度看：課前布置視頻學(xué)習(xí)或網(wǎng)上虛擬操作練習(xí)，在實(shí)驗室現(xiàn)場教學(xué)中可以節(jié)約大量重復(fù)講授的時間，從而能夠更多地關(guān)注學(xué)生現(xiàn)場實(shí)踐中的重點(diǎn)難點(diǎn)問題，并增加了交流的機(jī)會；而課前課后的網(wǎng)絡(luò)虛擬練習(xí)，教師可以更多關(guān)注學(xué)生實(shí)踐的反饋情況，并及時進(jìn)行線上輔導(dǎo)和交流，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

(3)從實(shí)驗設(shè)備管理者角度看：實(shí)驗設(shè)備的損壞和更換率降低，維護(hù)成本降低，對虛擬化實(shí)驗部分的管理更加方便快捷。

六、結(jié)語

培養(yǎng)具有國際競爭力的輪機(jī)工程專業(yè)人才離不開實(shí)踐能力的培養(yǎng)，尤其是隨著船舶智能化進(jìn)程的加快，輪機(jī)自動化與智能化技術(shù)的重要性日益凸顯，輪機(jī)自動化系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)的重要意義不言而喻。本文通過分析輪機(jī)自動化課程配套實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，根據(jù)不同類型的實(shí)驗特征，探討多模式的實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)策略，做到能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、各有側(cè)重，從而更好地發(fā)揮各個教學(xué)模式的優(yōu)勢，充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，有助于進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)。隨著這種教學(xué)模式的進(jìn)一步深入應(yīng)用與實(shí)踐，研發(fā)相應(yīng)的教學(xué)資源并與輪機(jī)自動化國家級一流線上課程配合使用，對完善和豐富一流線上課程資源，突破傳統(tǒng)配套實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)的時空限制，以及輪機(jī)自動化課程的一體化建設(shè)，奠定相關(guān)理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

雖然在實(shí)踐中針對三類不同實(shí)驗教學(xué)采用了不同的教學(xué)模式，但在實(shí)踐考核上還需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化。下一步需要在實(shí)踐考核中注重形成性評價的過程化考核，除了在各個類型實(shí)驗的現(xiàn)場教學(xué)中的教師主觀評價外，還需要在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗系統(tǒng)中統(tǒng)一不同類型實(shí)驗的考核指標(biāo)，以客觀機(jī)器批閱為主，可以設(shè)置課前和課后的網(wǎng)絡(luò)考核，從而有效避免主觀考核的隨意性。