“虚实结合”轮机工程专业船员实操模式探究

王永坚，陈景锋

(集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021)

“虚实结合”轮机工程专业船员实操模式探究

王永坚，陈景锋

(集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021)

轮机工程专业船员实操训练和评估过程中存在的诸多不足及船舶日益朝向信息化、智能化方向发展对航海人才提出新要求，虚拟现实等先进信息技术在不同学科领域内的创新应用不可或缺。基于已成功开发的符合船员主管机关要求的轮机虚拟操作及拆装仿真训练与评估系统，综合实物设备和虚拟训练与评估各自优点，设计“虚实结合”轮机工程专业船员实操教学模式并投入实践培训教学中，效果明显。

轮机工程专业;实操训练与评估;虚拟现实;改革与创新

航海教育是一种具有鲜明特色的航海专门人才培养教育，它兼具学位教育与职业教育的双重性质，国际海事组织 (IMO)颁布并实施的《1978年海船船员培训、发证和值班标准公约》［1］及其2010年修正案 (以下简称“STCW公约马尼拉修正案”)对海船船员的综合素质，特别是实践动手能力提出了严格的要求。随着国内外船员劳务市场的蓬勃发展、中国经济的迅速崛起带动航运业的繁荣发展以及船舶向智能化、信息化、自动化方向的高速发展等对船员的综合素质提出了更高的要求［2］，必须改革创新我国航海专门人才培养模式及其教育培训机制，特别是现有船员实操训练教学模式，以适应国内外航运企业和国际海员市场对高素质航海人才提出的新要求，同时也有利于对我国航海教育事业与航运人才市场的要求实现无缝对接。

一 轮机工程专业船员实操教学环节的现状分析

根据IMO“STCW公约马尼拉修正案”的相关要求及我国船员主管机关的规定，轮机工程专业毕业的船员要取得各等级适任证书前必需完成的各种轮机设备实操训练和评估工作［3］。当前，轮机工程专业船员实操教学环节均采用传统的训练教学模式，即:轮机模拟器训练采用单机环境、二维式、混合型的仿真训练，其他主管机关规定的实训项目均采用实物设备进行训练与评估。尽管这种实物式的轮机操作与拆装训练具有能让学员直观地参与设备拆装与操作，通过有力感的操作训练不断提高学员的实际动手操作技能，对提升学员解决拆装与操作过程中的实际问题具有显著的促进作用等方面的优点，但这种基于实物设备训练与教师主观式的评估与考核方式存在着诸如:设备老化、训练设备台套数有限、受训地点和时间不灵活等问题［4］，一定程度影响了船员实操教学培训质量。现就轮机工程专业船员实操教学环节现状分析如下:

(一)重理论教育轻实操教学的现象非常普遍

当前，各船员培训机构在制订人才培养计划和船员培训方案时均提出要加强航海类应用型人才的实操教学环节，但实操教学计划仅能满足《STCW公约》及其修正案的最低标准以及国家有关船员培训和适任评估的基本要求，在计划的实际执行过程中，实操教学在人才培养计划所占的学时与学分比例依然在30%以下:一方面体现在一些学校实操教学设备投入不足;另一方面存在实操教学环节投入的师资力量不足造成实操教学学时少、学分比例普遍偏低的尴尬局面。这些不利因素的存在，使得目前各船员培训机构实操教学训练环节处于较薄弱的现状之中。面对轮机工程专业船员实操培训学时不足等方面的问题，寻找解决问题的方法，创新船员实操培训新模式，全面提高轮机工程专业船员实操培训质量是船员教育和培训机构必须共同关注的焦点之一。

(二)实训设备台套数不足及使用状态不佳是普遍现象

近年来，随着船员需求量的不断上升，船员培训机构为了能够获得利益的最大化，不断地扩大培训规模，在实操教学和培训方面出现了不少的问题:(1)学员人数的增加带来实训设备台套数的不足，造成多人共用一台实操设备，减少了学员参与轮机设备操作与拆装的时间，对学员操作技能、动手能力的提高和分析问题、解决问题能力的提升都将产生不利的影响。(2)由于训练人数的增加，实训设备的超负荷使用，这些设备比较容易出现损坏或故障，且故障设备的未能及时修复等问题均会造成实操训练无法顺利进行，影响船员实操培训的质量。(3)培训过程中易耗材的损耗未能及时补充或数量不足，也影响实操训练等实践教学环节的顺利进行。

(三)实操考核与评估过程缺乏客观性，影响对学员综合素质的正确评价

当前，轮机工程专业船员实操项目的考核与评估也存在一定的不足:(1)由于实操设备使用状态不佳等客观原因以及部分评估员责任心不强等缘故，使得船员适任实操评估往往流于形式，甚至出现所谓的“口述吊缸”、“口述主动力装置备车、起动操作”等令人不可理解的实操评估现象，这些实操考核过程中存在的问题不仅严重影响实操评估的威信，而且对学员实操动手能力、分析问题能力等各方面素质的客观、公正评价也将产生不利的影响。(2)船员培训主管机关监控力度不足影响实操考核与评估过程的有效落实。随着船员培训人数的逐年增加，船员培训主管机关由于人手不够以及每年大量的实操评估监控，使得其在实操监控方面出现心有余而力不足的被动局面，造成了船员实操评估监控力度不到位，进而影响实操评估过程的有效落实。

笔者以为，以上三个方面是现有轮机工程专业实物式的实操教学模式与评估方式存在的主要缺陷，当然还有其他方面的不足，由于篇幅的限制，在此不再一一陈述。

二 虚拟现实技术及在轮机工程专业船员实操教学中的应用

(一)虚拟现实技术简介

虚拟现实技术是一种利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术生成一个以视觉感受为主，包括触觉、听觉的综合感知的人工仿真环境［5］。虚拟现实技术大致包含如下几种:利用专用的虚拟现实或视景仿真软件如Mu1tiGen Creator、Vega结合3DMax等实现高逼真度三维场景的搭建与人机交互;基于Web的标准建模语言Vrml，综合其它程序语言如C++、JavaScript等实现可远程访问三维模型的创建与人机交互。

基于Web3D虚拟现实技术具有如下特点:(1)采用三维建模技术在互联网或局域网上用虚拟现实的手法对多姿多彩的现实世界进行展示。(2)采用远程在线传输与虚拟真实感并举的通信技术。(3)可实现网络化、人机交互式、可视化的虚拟仿真操控，并实时刷新交互界面。基于Web3D虚拟现实技术的仿真系统的开发过程大致由如下四部分组成: (1)基于图形或图像三维模型的搭建。 (2)场景对象交互仿真程序的设计。(3)具有交互功能三维场景的网上发布。(4)远程在线访问和和交互仿真操控过程的实现。它们之间的相互关系如图1所示。

图1 基于Web3D虚拟现实技术仿真系统的开发结构图

(二)虚拟现实技术在轮机工程专业船员实操教学中的应用

根据《中华人民共和国海船船员适任考试、评估和发证规则》(简称“04规则”)以及《海船船员评估大纲和规范 (轮机部分)》 (2010年版)的相关规定，实操教学与培训是轮机专业船员取得适任证书前最重要的培训内容。实操培训项目包括如下六大项目:动力设备拆装、电工工艺与电气测试、自动控制实验、金工工艺、船舶电站操作、轮机模拟器。随着虚拟现实、网络等先进信息技术的快速发展，改革创新轮机工程专业船员实操教学模式，实现实操培训项目远程在线、模拟真实环境下的仿真操作训练与考核评估已成为现实［6］。

1.基于互联网或局域网虚拟现实技术船员实操训练与考核平台搭建。(见图2)

图2 基于Web3D主动力装置虚拟操控仿真训练系统

基于互联网或局域网虚拟现实技术轮机工程专业船员实操训练与考核平台可以采用如下的方式进行搭建:(1)采用合适的三维建模工具建立实操训练项目所属的轮机设备的三维造型及其操控场景。(2)根据实际的操作逻辑与拆装步骤，基于已搭建设备的三维造型及其操控场景设计人机交互式的操作与拆装仿真过程。(3)设计人机交互界面，实现具有虚拟操作与拆装仿真功能的轮机设备三维场景的网上发布。(4)通过互联网或局域网，远程用户访问已搭建的实操项目三维场景，利用交互工具 (鼠标和键盘)，在完全模拟实际操控与拆装过程的环境下实现船员主管机关规定的船员取得相应等级适任证书必须完成的实操训练及考核评估工作。

2.部分已开发的案例简介。 “主动力装置操作”和“船舶电站操作”是船员主管机关规定的轮机工程专业船员取得适任证书必须参加实操培训与评估的项目之一。上述两个实操训练项目现有的培训方式均采用半物理量、软硬件相结合仿真模拟器进行训练与评估。由于受到训练场地、时间和人数的限制以及评估过程主观性强等不利因素的影响，实操培训质量有待进一步提高。图2、3是综合运用虚拟现实、网络、多媒体等先进信息技术搭建的船舶主动力装置及船舶电站虚拟操作与评估系统，通过上述仿真操作训练系统可以让学员在船舶主动力装置和船舶电站三维场景内，在完全模拟实际操控环境下实现无限次数、无限场地、人数、远程网络式的训练与考核评估工作。除了上述两个系统之外，课题组还成功开发了动力设备虚拟拆装、船舶辅助设备和系统等虚拟仿真训练系统，这些系统或平台已在福建辖区十余所航海培训机构及福建海事局船员考试中心得到推广应用，系统由于其功能齐全、运行可靠、方便学员训练、科学的评估方式等优点得到了福建海事局和广大船员的一致认可，取得显著的经济效益和社会效益。

图3 远程船舶电站虚拟操作训练系统

3.船员实操虚拟仿真训练系统的优缺点及其发展前景。与传统实物式实操训练和评估方式相比，采用虚拟现实等现代信息技术搭建的远程在线船员实操虚拟训练与评估系统是虚拟现实、计算机技术在船员实操训练及考核评估培训领域内的一种应用性创新，利用已搭建的轮机设备虚拟仿真系统进行远程网络式的训练与考核评估具有显著的优点:一是可以实现学员无限场地、无限人数、远程网络式训练及考核评估工作，可以在非常低的成本和完全模拟实际操控环境下完成主管机关规定的轮机工程专业船员取得适任证书前必须完成的各项实操训练及考核评估，对提升学员的培训质量具有重要的促进推动作用;二是虚拟系统的使用克服了实物设备在训练和考核过程中出于人员和设备的安全考虑，在故障问题设置和模拟能力方面存在的不足，通过虚拟实训与评估系统，可以设置并模拟轮机设备的任何故障问题而无需考虑人员和设备的安全问题，明显地提升了学员分析问题、解决问题的能力;三是虚拟系统开发的学员操作与拆装过程的自动评阅模块能真正做到客观、公正、公平的考核评估，评估结果能完全反映学员实际的操作训练水平，能较真实地反映了学员的综合素质，有助于主管机关对船员进行正确、科学的评价;四是系统的成功开发可以大大地节省学员训练与评估过程的成本，显著地提高训练与评估效率。

三 基于“虚实结合”轮机工程专业船员实操教学模式的改革探索

航海类专业是一种特殊专业，鉴于轮机工程专业实操教学环节采用基于实物设备进行训练和教师主观式的评估与考核传统的教学模式存在许多的不足。以及基于“虚实结合”的实操训练已在飞行员训练、军事训练等领域得到广泛的应用。探索虚拟现实等现代信息技术与轮机工程专业船员实操培训的有机融合，创新轮机工程专业船员实操教学模式是船员主管机关和培训机构必须共同关注的焦点之一。

(一)实操教学模式的创新性设计

基于课题组已在轮机工程专业船员适任训练与考核评估项目中搭建的各类虚拟仿真操作训练系统，在综合结合虚拟仿真训练系统和实物操作设备优点的基础上，创新性地设计了轮机工程专业船员实操项目教学与评估模式，即:采用“虚实结合”的实操训练与评估方式完成船员实训项目的训练与评估，分析如下:

首先，让学员在虚拟轮机仿真训练系统内，在三维操控与拆装的环境下，完全模拟真实操控逻辑和拆装步骤进行实操评估大纲规定的各种评估项目的远程网络式训练。这样做的好处在于:一是可以让学员通过互联网或局域网在不限地点、时间的前提下通过用户端的鼠标和键盘等人机交互工具进行轮机实训项目操作和拆装过程任意训练，由于系统搭建了高逼真度的三维场景以及根据实际操控逻辑和拆装过程进行仿真设计和快速、实时人机交互信息的传输，可以非常方便学员，特别是在职船员取得更高等级适任证书前进行的各种实操训练与评估;二是学员在远程PC机进行操作与拆装训练过程出现的任何疑问或困难，均可通过系统设置的帮助模块得到快速地解决，保证学员在无指导教师指导的情况下完成各种轮机设备的操作与拆装，方便学员的实操训练;三是系统可以实时地记录学员在操作和拆装过程中的每一步操作内容和逻辑，在完成每项训练后可以立即查询相应的操作与拆装结果，查阅自己在训练过程中存在的不足，以便学员在下次训练过程中及时加以改进，可明显地提高学员的培训质量。

接着，当学员经过虚拟轮机操作和拆装仿真系统充分训练，较熟练地掌握所有实操项目的操作和拆装过程和要求之后，再到培训机构实物设备进行有力感、更为直观的训练。由于学员已经过虚拟仿真系统的充分练习，本环节的训练可以在非常少的人力和物力投入的情况下快速地完成相关的训练。

当前，轮机工程专业船员实物设备式训练以及评估员面对面的主观式的评估方式存在着诸多的缺陷，如何让主管机关要求的实操评估项目真正做到科学、客观、公平的考核与评估是所有培训机构共同面对的问题之一。笔者以为，采用“虚实结合”的实操训练与评估方式可以真正做到科学、客观的评估。当学员已经完成虚拟和实物设备两个环节的训练之后，在完全掌握实操项目的整个操作逻辑和拆装过程之后，通过已成功开发的轮机设备虚拟仿真训练系统附带的自动评阅模块，可以实现自动操作和拆装过程的实时、自动评阅，过程如下:(1)根据系统操作要求，学员输入个人账户和密码，进入考核与评估界面;点击进入考试，系统随机生成三道题目 (题目的难易程度可自动搭配及每道题均有操作时间的限制)。(2)学员评估时，通过交互工具 (鼠标和键盘)任意点击已自动生成的试题便开始实操项目的评估考试，系统自动进行操作过程的时间计时，后台数据库将实时记录评估考试过程中学员所有操作或拆装过程详细内容和相关参数，包括每步操作正确与否、出现操作错误的次数与错误类别等相关的操作情况，每道实操题操作完毕后，点击“答题完成交卷”后，后台数据库及时给出本道题学员操作过程的所有动作信息 (如操作逻辑、技术参数、口述检查内容、错误类型和错误次数、起始和终止时间、操作总时间、超时扣分等)，并进行自动评阅，给出对应的分值，进而判定学员是否通过本道题的考核评估。当每道考试题点击交卷后，该道题便不允许重复进行考试。通过上述的评估考试方式真正实现公正、客观的考核与评估。

(二)教学模式的实践应用

基于课题组已经成功开发的轮机实操项目虚拟操作与拆装训练系统，课题组将“虚实结合”的实操训练与评估新型教学模式在多批次的轮机工程专业船员适任实操训练与评估培训中进行了实践应用，该教学模式应用以来，得到了广大学员的一致肯定，不仅节省了学员大量的训练时间和培训经费，方便学员接受训练与评估，更为重要的是显著地提高了学员实操培训质量。另一方面，该教学模式满足评估大纲的要求，具有非常高的性价比，有着显著的社会效益和经济效益。表1为“船舶电站操作”项目训练与评估过程传统教学模式与新型教学模式效果对比表。从表中，可以清楚地看到，新型实操教学模式在训练时间、人数、培训地点、指导教师人数以及评估效果等方面具有显著的优势。

表1 “船舶电站操作”项目训练与评估过程传统方式与新型方式对比表

四 结束语

“虚实结合”的实操训练与评估模式是虚拟现实等先进信息技术在船员实操培训领域的创新性应用，新型轮机工程实操教学模式的推广应用，不仅显著提高了学员适任实操训练与评估的效率、节约了教育资源，而且有效降低了轮机工程专业实训设备维护和更新的成本。该实操教学模式运行以来受到广大船员、学生的喜爱，也得到了船员教育培训机构的高度肯定，对促进船员教育培训的信息化进程，航海教育的发展及创新有着积极的贡献。

［1］国际海事组织 (IMO).1995年修正的1978年海员培训、发证和值班国际公约 (STCW78/95公约)［S］.1995:1－8.

［2］董丽梅，陈航.高等航海教育国际化的路径选择［J］.航海教育研究，2008(2):22－23.

［3］中华人民共和国海事局中华人民共和国海船船员适任适任评估大纲与规范［S］.大连:大连海事大学出版社.2009:107－108.

［4］肖根连.提高船员培训质量的对策［J］.浙江海洋学院学报:自然科学版，2003(2):171－174.

［5］蒋燕萍，夏旺盛，黄心渊，几种Web3D技术的比较［J］.北方工业大学学报，2003，15(1):21－25.

［6］徐艳.虚拟现实技术在教育教学中的应用研究 ［J］.中国科技信息.2008(7):235－236.

Reform and Innovation for Marine Engineering Professional Practical Teaching Mode Based on“the combining of virtual and real”

WANG Yong-jian，CHEN Jing-feng
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

Facing the faults of Marine engineering professional practical training and evaluating’process，new requirements coming from vessel’s gradually developing in informational andintelligent direction and Advanced information technology such virtual reality Innovative application in different discipline，Marine Engineering Professional Practical Teaching Mode Based on“thecombining of virtual and real”is innovatively designed，basing on the successful development simulating system of marine engineering V.R.operating and disassembling training and its evaluating and also integrating with the advantages of real devices and V.R.training.After the new practical teaching has been put into used，the satisfactory results have been obtained.

marine engineering professional;practical training and evaluating;virtual real;reform and innovation

G 427

A

1671－6493(2012)02－0110－05

2011－04－24

福建省教育厅资助项目 (JK2009018)

王永坚 (1972—)，男，福建晋江人，集美大学轮机工程学院副教授/高级轮机长，主要研究方向为轮机工程教学及船舶轮机模拟器、柴油机性能优化。

(责任编辑:吴姝)