船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学平台的开发与应用

郭磊，赵俊豪，张均东，梁大龙，高跃峰

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

一、引言

轮机工程专业的人才培养具有岗位针对性、国际通用性、法律规范性和国防军事性的特点[1]，因此，轮机工程专业对实践能力的要求非常高，实验实践教学内容占培养计划总学分的28%(总学时占比超过40%)。其中，“船舶柴油机拆装”是学生学习完“船舶柴油机”等专业课程后进行的一门实验课程，是轮机工程专业的核心课程之一，也是国际海事相关公约和我国海船船员相关法规要求的课程[2]。该课程所需的实验设备为大中型船用柴油机，设备经济成本高、占用空间大、更新需求快[3]。国内外高校一般在实验室配置若干拆装用四冲程柴油机，以及少量的二冲程柴油机部件。有条件的少数高校会依托陆上机舱、实习船配置可运行的柴油机，但因频繁拆装对机器有很大的破坏性，且安全性差、成本高，一般不会用于学生的拆装训练。船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学项目能够弥补上述不足，且在《海船船员培训大纲(2016版)》的框架下，使用“轮机模拟器”替代部分实物设备，也是航海教育领域推荐的方法之一[4]。尽管虚拟拆装训练不能完全替代实物拆装，但它有助于提高实船操作中学习者对复杂机械机构外观及维护保养业务的认知，可使学习者在较短的时间内更好地理解船舶柴油机系统的内部原理，深层次掌握系统间的耦合关系，提高关键问题分析和故障预估能力[5]。

本文结合实践对船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学平台的设计与应用进行初步探讨。

二、船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学平台设计

本实验教学平台数据架构采用Socket的方式建立数据通信，主要由“客户端”“服务端”和“数据库”组成[6]，平台系统数据架构图如图1所示。

图1 平台系统数据架构图

“客户端”包括“网络协作客户端”和“船舶柴油机虚拟拆装系统”。“网络协作客户端”用于用户注册登录实验教学平台并进行相应权限下的操作；“船舶柴油机虚拟拆装系统”建立了多型船舶柴油机虚拟拆装模型及动画、脚本控制和三维可视化界面。

“服务端”包括“应用服务”和“WEB服务”，其中“WEB服务”包括“网站管理”和“教务系统”。“应用服务”负责系统协同多个客户端的实时训练、后台管理；“网站管理”用于本实验教学平台的网站建设(http://cz.ers3d.com)，网站提供丰富的在线教学资源供学员学习，包括为“船舶柴油机虚拟拆装系统”配套制作的用户手册、引导视频、慕课视频、教学资料等资源，供在校学生和社会人士进行实验前的预习[7]；“教务系统”用于教练员进行学员学籍管理、课程管理、题库管理、试卷管理、实验报告审批等操作。

“数据服务”完成各类数据的存储、维护与管理。广域网数据处理经转服务器；局域网设置教练员主机，用于监视和管理局域网内的计算机。

三、“船舶柴油机虚拟拆装系统”构建

1.系统框架

系统建设主要内容包括多型船舶柴油机设备零件级模型的构建、设备拆装工艺及维护保养流程的分析与数字化、虚拟拆装环境下人机交互方式的设计与实现、自主拆装及考评功能的实现等[8]，其功能框图如图2所示。

图2 “船舶柴油机虚拟拆装系统”功能框图

“船舶柴油机虚拟拆装系统”以网络协作客户端版呈现，可脱机使用，亦可应用于局域网、广域网，对硬件性能要求适中，为学员及从业人士提供了学习船舶柴油机维护保养业务便捷且高效的解决方案。

2.业务设计

柴油机按照工作循环可以分为四冲程柴油机和二冲程柴油机两类。目前，电子控制式柴油机正在逐步取代传统的机械控制式柴油机，成为船舶柴油机的主流机型。

本实验教学平台提供市场主流的MAN B&W ME型低速二冲程电喷柴油机(主机)和中速四冲程柴油机(副机)关键结构部件的虚拟拆装和维护保养业务，作为传统“船舶柴油机拆装”实验课程的有效补充，涉及业务共计34项，其中主机24项、副机10项。

学员登录“船舶柴油机虚拟拆装系统”客户端后进入船用柴油机选择界面，分别选择后进入“低速二冲程电喷柴油机”和“中速四冲程柴油机”次级菜单，如图3所示。每项业务下设拆卸和装配两种类型，每种类型下设“演示模式”“练习模式”及“考试模式”三种模式。学员选择合适的模式后，将进入“操作引导”界面，仔细阅读并关闭后即可进入船舶柴油机虚拟拆装视景平台，如图4所示。

图3 船舶柴油机虚拟拆装系统选择菜单

图4 船舶柴油机虚拟拆装视景平台

四、虚实结合的“船舶柴油机拆装”实验课程设计

1.课程改革

“船舶柴油机拆装”实验课程的改革方案如图5所示。将虚拟拆装内容纳入课程，占总成绩的20%，实物拆装占总成绩的80%，两项成绩分别根据各自的评分标准给定。原课程为课内40学时。在新的课程框架下，实物拆装课内30学时用于理论授课和评估考试，虚拟拆装课内4学时用于软件介绍和组卷考试，课外26学时用于学生线上自主练习。

图5 “船舶柴油机拆装”实验课程改革方案

在线下，通过使用二冲程柴油机少数部件和四冲程柴油机整机，完成相应的实物拆装；在线上，通过使用虚拟仿真软件，学生自主开展虚拟实验，完成二冲程和四冲程柴油机的虚拟拆装，系统自动评分。对于实物拆装和虚拟拆装重复的知识点，学员须线上完成虚拟拆装任务后方可进行实物拆装。

教学团队教师进行集中教学管理、实验教学资源管理、考核管理、线上答疑等。

2.教学方法

根据“船舶柴油机拆装”实验课程的需要，采用了虚实结合、线上线下、课内课外混合式教学方法[9]。

本着以学生为中心的教学理念，让学生亲自动手操作虚拟仿真系统及设备。教师负责实验方法的讲解和实验过程监控，对学生在实验过程中遇到的问题采用引导、启发的形式帮助其认识问题的关键所在，提高学生对知识的获取兴趣和获取能力，培养学生发现问题、解决问题的能力和实际动手能力。

3.实验流程

学员登录平台网址进行实验预习(http://cz.ers3d.com)，完成预习工作后，在校学生使用预先导入的用户信息登录“网络协作客户端”。社会人士需注册登录，亦可使用系统默认账户登录体验。在“网络协作客户端”加载“船舶柴油机虚拟拆装系统”，用户选择“演示模式”熟悉各项分业务操作流程，随后选择“练习模式”，在规定的时间反复自主练习，将最优成绩上传至服务器。

完成虚拟拆装自主练习任务后，学员到实物柴油机实验室在教师指导下完成实物拆装教学。在课内完成危险系数较低的实物拆装评估和虚拟柴油机拆装组卷考试。实验终了，在平台网址提交电子版实验报告供指导教师评阅。

实验成绩在综合考虑虚拟拆装自主练习成绩、虚实结合考试评估成绩、实验报告成绩三项成绩，进行加权后在线给出。

实验流程如图6所示。

图6 “船舶柴油机拆装”实验课程实施流程

以“ME主机气缸盖拆卸”虚拟训练为例，教师发布任务后，学生通过慕课视频等教学资料学习“船舶柴油机”等课程中有关气缸盖的知识要点。随后学生线上与目标设备进行虚拟交互训练，教师通过微信、QQ等通信软件进行线上答疑。训练结束后，学生将最优训练成绩提交至数据库，并可下载PDF或EXCEL版成绩单。虚拟拆装系统会自动记录学员的每步操作过程和测评结果，使得评分更加客观且科学。教师通过“教务系统”对学员训练记录进行管理，并按比例给出虚拟拆装自主练习成绩。

五、实施效果

本实验教学平台弥补了大连海事大学柴油机拆装实验室缺乏拆装用大型低速二冲程电喷柴油机的空白。本文统计分析了平台运行以来学员虚拟拆装自主练习子任务有效成绩分布情况，共有500余人次提交了ME二冲程主机虚拟拆装子任务有效成绩，200余人次提交了四冲程发电柴油机虚拟拆装子任务有效成绩，平均优秀率高达94%。同时通过调查问卷发现，绝大多数同学认为虚拟仿真实验极大激发了学习热情，提升了专业学习效果，对实物拆装教学起到了有效补充和促进作用,并希望能酌情提高虚拟仿真实验所占课程成绩比例。由此可见，虚拟仿真实验教学平台的应用达到了预期效果。

除了应用于“柴油机拆装”实验教学外，本平台还可广泛应用于“船舶柴油机”“船舶动力装置技术管理”等专业课程理论教学。通过完成虚拟实验任务，学生学习积极性被有效调动，既让学生较为真实地感受了实际船舶轮机机舱环境，生动直观地理解船舶柴油机核心系统的结构和工作原理，又帮助学生更好地掌握教学大纲和国家海事局要求的轮机设备操作及拆装方法步骤。

这种实验方法开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式，将基于互联网的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学方式相结合，激发了学生的学习兴趣，极大地提高了学生的实践操作技能。