船海虚拟仿真实验教学中心的建设与发展

冯 峰，孙 聪，曲先强

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

虚拟仿真实验教学一直是国内学者关注和研究的热点，早在“十一五”国家科技支撑计划中便有虚拟实验教学环境相关课题研究的重点项目。2013年8月，为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》精神，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，这一决定标志着我国对虚拟仿真实验室的建设进入了规模化、系统化、标准化、可持续发展阶段［1－2］。哈尔滨工程大学根据国家和教育部有关文件精神，以“科学规划、资源共享、突出重点、提高效益、持续发展”为指导思想，组织开展船舶与海洋工程虚拟仿真实验教学中心的建设，取得了显著的成效。

1 建设的必要性

船舶与海洋工程（简称船海）类实践性教学环节具有其特殊性，开展实验教学面临3个方面的难题：一是实验室的大型设备与特种设备多，多功能深水池、船模拖曳水池、循环水槽以及结构多点协调加载系统等大型试验设备操作复杂，设备运行消耗的能源大，每次上课前都要花费较多的时间讲解如何操作使用设备，开展多班次大批量的本科实验教学极为不便；二是我校地处哈尔滨，相比沿海城市高校而言，远离船厂以及船舶设计单位，学生无法亲自了解船舶设计与生产流程，专业实习又面临着耗费资金大、外出时间长、组织协调困难、存在不安全因素等难题，实习效果较差；三是用于实验的大型特种设备和深水池等实验环境承担涉密科研项目，部分实验室属涉密单位，为本科实验教学带来不便。

面临以上种种困难，将虚拟仿真技术引入实验教学便成为较好的解决方案。虚拟仿真作为一种通用技术，目前已应用于许多领域。基于虚拟仿真技术所开发的虚拟仿真系统，因其所固有的直观性、高效性及经济性，从发展之初就首先被应用到了教育培训领域，尤其对真实实验平台无法开展的具有高危险性、大型综合的复杂系统以及模拟真实实验教学成本较高的系统，利用虚拟仿真技术可以有效解决当前实验教学中所面临的困难。

2 搭建虚拟仿真实验教学平台

船海虚拟仿真实验教学中心以培养学生综合设计和创新能力为出发点，建设与应用共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，组建了以提高教学能力、拓展实践领域、丰富教学内容、培养创新能力为目的的实验教学平台［3－4］。平台由虚拟仿真系统软件、工具软件和虚拟仿真网站3个部分组成，如图1所示。

图1 虚拟仿真实验教学平台构成

该平台具有如下功能：

（1）运行自行研发具有自主知识产权的虚仿系统，包括“虚拟船厂仿真系统”、“舰船操控模拟系统”、“结构设计实验仿真系统”、“船舶智能查询系统”，如图2所示。

图2 虚拟仿真教学软件系统

（2）运行船舶与海洋工程领域专用工具软件，包括Tribon、Catia、Ansys、Fluent、AutoCAD等。

（3）船舶与海洋工程实验教学中心网站，依托该网站，船海虚拟仿真实验教学中心将虚拟软件资源挂于网站运行，发布实验教学信息，搭建了基于船海虚拟仿真实验教学的信息化平台。

3 虚拟仿真系统在教学中的应用

3.1 虚拟船厂仿真系统

该系统将一所现代化的造船厂完整地搬进了计算机中，厂房、设备、船坞、各种吊车、船舶等一应俱全，如图3所示。系统真实再现了船舶企业以物流流动方向为导向的布局模式，近距离、多角度地观察船厂的地理位置、布局、主要设备设施、生产过程和管理情况，使用者可以身临其境地参观和游弋，也可以进入车间内部观察具体的零部件加工步骤和方法，近距离欣赏船舶制造的全过程。它没有空间和时间的限制，解决了日常教学中缺少整体感官体验，同时可提高学生的学习兴趣。

图3 虚拟船厂仿真系统效果图

3.2 舰船操控模拟系统

该系统以船舶水动力学数学模型为核心，利用计算机仿真技术、网络技术、系统集成技术和多媒体技术，实时再现船舶航行与海洋工程作业过程，如图4所示。系统有助于提高训练的质量、效益和安全系数，解决训练周期长和训练受气候、环境等因素影响的难题，同时有助于减少实船训练消耗，延长船艇使用寿命，对推进军事训练向基地化、网络化、模拟化方式转变起到积极的作用。

图4 舰船操控模拟系统

基于该仿真平台，可以开展水动力环境下船舶运动数学模型研究，对船舶操纵性能、船载设备性能等进行验证与分析，被广泛应用于仿真实验、技能模拟训练、海洋工程作业方案评估领域，具有成本低廉、安全、高效、环保等优点［5］。

3.3 结构设计实验仿真系统

该系统以多点协调加载系统为应用对象，开发了数字化结构实验三维视景仿真平台，导入三维仿真软件生成的实验所需的各种部件、辅助工装和结构实验试件，实现方案设计与考核等功能。并可根据不同结构实验的特点，随时添加新型辅助工装与各种实验试件等，达到学生可以自行设计加载测试方案的目的，如图5所示。

图5 某船舶典型结构疲劳加载实验方案

3.4 船舶查询服务系统

本科生在毕业设计和课程设计过程中缺乏船舶设计的第一手资料，难以找到设计对象和参考资料，各种设计缺乏参考和验证，这是困扰工程设计类人才培养的共性难题之一。船舶查询服务系统共有完整的船型资料300余项，港口与码头工程资料近百项，该系统应用于我院本科实验教学、大学生科技创新、本科毕业设计等教学活动，首页如图6所示。

图6 船舶智能查询综合服务平台

3.5 工具软件

除了上述虚拟仿真软件外，各个工具软件，包括Tribon船体三维建模软件、Catia船体三维建模软件、Ansys船体建模与结构强度分析计算软件、Fluent船体建模与流体力学分析计算软件、AutoCAD船体制图绘制软件等也广泛地用于实验教学和课题研究，为学生提供了强大的学习手段与工具。

4 虚实并举，互为补充

虚拟仿真系统并不是一味追求虚拟，不可能以虚仿代替所有的实验项目。在虚拟实验的基础上，我们尽可能地让学生接触实际，充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则［6－8］。

为此我们总结出“5个相结合”：船厂实习与虚拟船厂相结合；三维模型设计制作与虚拟船厂相结合；流体力学实验、船舶水动力实验与舰船操纵模拟系统相结合；大型结构加载实验平台与结构设计实验仿真系统相结合；船舶博物馆船模与船舶智能查询综合服务系统相结合。其中有实物与虚仿结合，也有半物理模型与虚仿结合，这些结合方式虚实并举，互为补充，为学生提供了安全、可靠、经济、实用的绿色实验项目。

作为范例，在虚拟船厂教学中，教师指导学生以大作业的形式设计某一作品，学生将设计方案导入到快速成型机打印成三维零件，再将三维零件组合成作品，使设计课程不再仅仅体现为抽象的图纸，而是以模型作品再现学生的设计方案设计，完成作品如图7所示。事实上，三维模型具有半物理仿真特点，虚拟船厂和半物理仿真结合，成为实验教学改革的新特色。

图7 学生设计完成的作品

5 建设成效

5.1 科研成果转化为实验教学

船海虚拟实验教学中心围绕教学与科研并重的方针，在建设实验教学环节的同时也注重科学研究［9－10］。通过仿真平台完成科研项目数十项，创造了丰硕的科研成果，依托科研项目已开发出数套科研设备用于实验教学。例如舰船操控模拟系统即是由科研团队研发出来并用于实验教学；基于某型船所设计的舰船操控模拟系统直接应用于实验教学；某船舶典型结构疲劳计算与实验项目直接应用在结构试验仿真典型项目中；某核电站蒸汽管道防甩件抗冲击试验直接应用在结构试验仿真典型项目中。

5.2 改进教学模式

虚拟仿真教学使教学模式发生变化，学生可以更深入地理解相关课程的教学内容，打破时间和地域的限制完成相关实验，同时可自拟、自选实验题目，自行组织实验，摒弃传统的灌输式教学方式，让学生自主参与到教学中来，发挥学生的主动性和创造性［11－13］。自主探索的学习活动，可使学生的个性得到发展，创造能力得到提高，激发学生的学习兴趣。

5.3 校企合作开发虚拟仿真资源

我院与船舶制造企业、科研院所具有良好的合作基础，目前已与上海江南造船厂、广船国际、中远船务、中集烟台来福士、江苏熔盛造船、中国船舶及海洋工程设计研究院等多家单位积极联合开发资源，取得了较好的效果。例如虚拟船厂仿真系统即是中心与有关船厂合作，以现代化的造船企业为背景制作的。中心将充分利用造船企业与设计院所在虚拟仿真方面的人才优势与资源优势，共同开发虚拟仿真教学资源，搭建全面的、可视化的虚拟仿真实验教学仿真平台。

6 结束语

船海虚拟仿真实验教学中心通过统筹规划、资源整合、重点建设，以现代化的教学手段拓展了实验教学领域，丰富了实验教学内容，提高了实验教学水平。中心将以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，始终坚持高标准、求一流的发展目标，发挥学校船舶与海洋工程学科专业优势，使船海虚拟仿真实验教学中心成为高显示度的国家级实验教学中心。

（

）

［1］周详，洪霞.实验教学示范中心的个性化建设［J］.实验技术与管理，2006，23（3）：8－10.

［2］潘信吉，何蕴增.材料力学实验原理及方法［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版，1998.

［3］马晓阳.虚拟仪器技术在教学中的应用［J］.中国职业技术教育，2006（13）：51－52.

［4］韩芝侠，魏辽博，韩宏博，等.仿真虚拟实验教学的研究与实践［J］.实验技术与管理，2006，23（2）：64－66.

［5］Chen Ping，Dong Xinghua，Zhou Xu.Design and implementation of the communication experiments based on open source software SCILAB／SCILAB［C］／／Open source Software for Scientific Computation（OSSC）.Guiyang：IEEE Press，2009：132－134.

［6］杨彦明，吴为团，于宝良.网上虚拟实验室的研究与实现［J］.东北师大学报，2004，36（12）：50－54.

［7］王晶林，焦 玮.虚拟现实技术与应用［J］.实验技术与管理，2003，20（1）：58－61.

［8］吴海燕.虚拟技术在工业工程实验中的应用设想［J］.实验技术与管理，2002，19（3）：43－45，49.

［9］蒋志坚.建设高水平实验教学示范中心中面临的问题及对策［J］.实验技术与管理，2009，26（2）：113－115.

［10］毕丽娜.建设实验教学示范中心的几点体会［J］.实验技术与管理，2006，23（2）：87－89.

［11］路而红.虚拟电子实验室［M］.北京：人民邮电出版社，2005：252.

［12］陈建业.电力电子电路的计算机仿真［M］.北京：清华大学出版社，2003：2－6

［13］陈萍，韩玉芬，谢文苗，等.现代通信实验系统的计算机仿真［M］.北京：国防工业出版社，2003.