船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源的建设与实践

费景洲， 路 勇， 高 峰， 李淑英， 马修真

(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院， 哈尔滨 150001)

·实验教学示范中心建设·

船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源的建设与实践

费景洲， 路 勇， 高 峰， 李淑英， 马修真

(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院， 哈尔滨 150001)

为解决能源动力类专业实验教学中存在的难题，将虚拟仿真技术引入实验教学，充分发挥虚拟仿真实验在实验场地、实验消耗和实验安全等方面的优势，建设船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源。以“教学科研相融合、虚拟现实相结合”为指导思想，构建面向内燃机、燃气轮机、蒸汽动力和轮机工程等专业方向的虚拟仿真实验教学系统，阐述虚拟仿真实验教学系统的主要功能以及在各个专业课程中的教学应用情况。从虚拟仿真实验在实验教学体系中的地位、虚拟仿真实验与真实物理实验关系、科研成果向虚拟仿真实验转化、优质实验教学资源共享等四个方面，阐述了船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设的几点体会。

船舶动力技术； 虚拟仿真实验； 教学资源建设

0 引 言

虚拟仿真实验综合利用虚拟现实技术、多媒体技术、数据库和网络通讯等技术手段，构建具有高逼真度的虚拟仿真实验环境。虚拟仿真实验具有低风险、低成本、使用及维护方便等优点，适合实验操作风险高、实验建设和运行维护费用大的实验教学项目，已经成为高校实验教学研究的重要内容[1-5]。为充分发挥虚拟仿真实验的作用，切实提升高校实验教学质量，教育部在全国范围内开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。

学校根据国家和教育部有关文件精神，结合船舶动力学科专业特点，以“教学科研相融合、虚拟现实相结合”为指导思想，组织开展船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设。在建设过程中，注重虚拟仿真与物理实验相结合，推进科研特色和优势转化为实验教学资源，加强优质实验教学资源的开放共享。船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心已成功获批国家级虚拟仿真实验教学中心，虚拟仿真实验教学手段在船舶动力专业的实验教学中广泛应用，取得了明显成效。

1 虚拟仿真实验资源建设的必要性

目前能源动力类专业实验教学中面临的主要问题是综合性、创新性实验项目匮乏，其专业实验设备多为高温、高压、结构复杂、高速旋转的大型动力机械，学生实际操作具有较大的风险性，同时受设备台套数少、实验准备时间长、实验费用高、运行安全等因素制约，难以开展实际大型设备的实验教学工作。根据对国内能源动力类专业实验教学现状的调研，能源动力类专业的实验教学实践中，普遍存在“三多三少一缺乏”的问题[6]，即“基础课实验项目多，专业课实验项目少；验证性实验项目多，综合性实验项目少；实验环节学生看得多，做得少；部分实验因操作风险大被取消，系统性训练缺乏”。

为解决上述能源动力类实验教学中存在的问题，将虚拟仿真技术引入实验教学，充分发挥虚拟仿真实验在实验场地、实验消耗和实验安全等方面的优势，开发船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源，构建多个面向能源动力类专业的虚拟仿真实验教学项目。

2 船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设

船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源主要包括内燃机结构、内燃机性能虚拟仿真实验系统、燃气轮机结构、燃气轮机性能虚拟仿真实验系统、增压锅炉结构、增压锅炉性能虚拟仿真实验系统、联合动力装置虚拟仿真实验系统等。平台示意图见图1。这些虚拟仿真实验教学资源，都是从科研成果转化过来的，实验项目配置和实验教学方法上都表现出虚实结合的特点。整个虚拟仿真实验教学资源的建设都围绕 “教学科研相融合、虚拟现实相结合”这一指导思想展开。

3 虚拟仿真实验在教学中的应用

3.1 内燃机性能虚拟仿真实验系统

内燃机性能仿真实验系统基于Matlab软件和GT-

图1 船舶动力虚拟仿真实验教学资源构成示意图

power等软件联合编程，建立面向能源动力类专业本科生，可以开设11项柴油机专业的仿真实验系统。实验项目包括增压匹配、进排气正时、示功图、负荷特性、油耗测量、指示指标测量仿真实验等TBD234V12柴油机实验项目；同时还可以开设5个4102柴油机的实验项目，包括：进排气正时仿真实验、示功图仿真实验、负荷特性仿真实验、油耗测量仿真实验、指示指标测量仿真实验。其中增压匹配仿真实验操作界面如图2所示，具体的实验过程详见哈尔滨工程大学船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心网站(网址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)。

图2 增压柴油机增压匹配仿真平台

3.2 内燃机结构虚拟仿真实验系统

内燃机结构虚拟仿真实验系统利用虚拟仿真技术，构建4105柴油机的三维模型，具备网上远程柴油机虚拟拆卸和虚拟装配实验功能。该实验系统面向柴油机结构、柴油机设计等专业课程，具体内容详见哈尔滨工程大学船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心网站(网址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)和哈尔滨工程大学内燃机教学网虚拟拆装平台。

3.3 燃气轮机性能虚拟仿真实验系统

燃气轮机性能虚拟仿真实验系统包括仿真机和物理实体两部分：燃气轮机装置做仿真机，推进系统用物理实体。系统在发挥虚拟仿真实验优势的同时，又可以让学生获得接近实际系统的操作感受。

仿真系统面向能源与动力专业的本科生，开设燃气轮机方向的6个实验项目，包括分轴燃机稳态变工况、三轴燃机稳态变工况、分轴燃机动态变工况、三轴燃机动态变工况性能试验、单轴发电燃气轮机启动过程仿真实验、船舶燃气轮机装置性能自主设计仿真实验等实验项目。系统的开始界面如图3所示，具体的实验过程详见哈尔滨工程大学船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心网站(网址同上)。

图3 燃气轮机性能虚拟仿真实验平台界面

3.4 增压锅炉结构虚拟仿真实验系统

该虚拟仿真实验系统按照学校船舶动力技术实验教学中心的小型增压锅炉蒸汽动力实验系统参数开发。建模过程按照实际系统尺寸建立三维模型，综合利用多种仿真技术手段，对锅炉工作原理、锅炉结构与部件制造、蒸汽系统构成、蒸汽系统运行操作等内容进行了全方位的讲解。仿真系统构建与真实实验室高度相似的虚拟仿真实验环境，学生能够在虚拟仿真实验过程中，获得与实际系统接近的实验感受。

虚拟仿真实验系统面向能源与动力工程专业本科生开设4门实验课程，包括锅炉本体装配、锅炉启动运行、充气系统启动、蒸汽推进系统运行等多个实验项目。增压锅炉和蒸汽动力系统的锅炉虚拟拆装过程图如图4所示，具体的实验过程详见学校船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心网站。

3.5 增压锅炉性能虚拟仿真实验系统

增压锅炉性能虚拟仿真实验系统是按照实际增压锅炉实验装置的结构和性能参数构建的数字化实验系统，其实验过程与实际物理实验过程基本相同。通过仿真实验项目操作，能加强学生对增压锅炉动力装置整体性能的认识，有利于学生对增压锅炉动力系统的运行、调控有更深层次的理解和掌握。

该虚拟仿真实验系统可进行增压锅炉装置稳态负

图4 增压锅炉和蒸汽动力系统锅炉虚拟拆装过程图

荷、变负荷实验操作、不同运行边界条件下增压锅炉运行性能测试、增压锅炉供蓄热器周期性负荷演示实验等虚拟仿真实验项目。增压锅炉虚拟实验教学系统的稳态测试操作界面见图5，具体的实验过程详见学校船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心网站。

图5 增压锅炉稳态负荷测试实验界面

3.6 联合动力装置虚拟仿真实验系统

联合动力装置虚拟仿真实验系统是由数字化燃机轮机、数字化柴油机、数字化发电机和监控系统组成的虚拟仿真实验系统。系统的总体结构布局如图6所示。整个虚拟仿真系统与我校的联合动力装置物理实验系统相对应，实现物理设备与虚拟仿真实验的紧密结合，互为补充。

该系统对应船舶动力装置、燃气轮机装置原理、燃气轮机电站等专业课程，可以开设柴、燃联合发电实验、船舶联合动力装置并车控制实验、船舶联合动力输出特性实验、联合动力故障模拟与诊断实验等实验项目。利用该系统还可开展多种联合动力装置运行特性、联合动力装置控制策略等实验项目。

4 虚拟仿真实验中心建设的几点体会

(1) 明确虚拟仿真实验的地位。明确虚拟仿真实验在整个实验课程体系中的地位和作用是一个首要的问题，应该从人才培养的高度进行综合考虑。在重视虚拟仿真实验的同时，要加强对虚拟仿真实验资源建

图6 联合动力装置总体结构布局图

设中各种关系的理解，认识到虚拟仿真实验的局限性[7-9]。在实际的建设过程中应该结合学科的特点，分析虚拟仿真实验方法在本学科实验教学中的优势和劣势，扬长避短，有所为有所不为。

在船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心建设过程中，从能源动力学科专业的特点出发，分析能源动力类实验教学中存在的主要问题，从学科建设和人才培养角度进行顶层设计，将虚拟仿真实验定位成综合类、创新类的专业课程实验项目。充分发挥虚拟仿真实验在高风险、高耗能、不可逆等方面的优势，集中优质科研资源建立船舶燃气轮机、船舶柴油机、船舶蒸汽动力装置、联合动力装置等虚拟仿真实验资源，较好地解决了制约船舶动力技术专业实验教学发展的瓶颈问题。对于基础实验课程或者实验投入和实验风险较小的实验项目，则尽量不开设虚拟仿真实验项目。

(2) 解决好虚拟仿真实验与真实物理实验的关系。教育部在国家级虚拟仿真实验教学中心建设的文件中指出“虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则”。这就明确了虚拟实验和真实物理实验的关系。具体落实到仿真资源的建设过程中，我们的做法是实验项目设置、虚拟仿真平台结构和实验教学方法做到“虚实结合”。

在实验项目设置上，“虚实结合”表现为物理实验项目和虚拟实验项目相结合。基础类的实验项目、实验风险较小的项目，在实验经费能够满足的条件下，尽可能采用真实的物理实验，做到”能实则实”。学生的基本实验技能还是应该通过物理实验设备的实际操训练，在这一点上，真实物理实验操作训练的作用是不可替代的。对于高能耗、高风险的综合类实验项目，则可采用虚拟仿真实验。

据不完全统计，2017年，中国船舶燃油供应总量为2176万吨，比上年增长12%，保持稳定增长态势。预计2018年中国船供油总量达到2330万吨，比上年增长7%，其中，保税油供油总量预计为1150万吨，比上年大幅增长15%，成为带动中国船供油市场需求总量快速增长的主要动力（见图1）。

在虚拟仿真平台结构上，“虚实结合”表现为虚拟仿真技术与真实物理设备相结合，尽量采用半物理方式构建虚拟仿真平台。比如燃气轮机性能虚拟仿真实验系统，燃气轮机装置为虚拟的数字化系统，推进系统则用物理实体设备。采用半物理仿真平台，在充分发挥虚拟仿真系统优势的同时，让学生在实验训练过程中，尽可能获得与真实物理实验接近的操作感受。

实验教学方法上，“虚实结合”表现为课下虚拟仿真、课上真实实验的教学方法。以柴油机拆装实验课程为例，学生在课下先通过内燃机教学网站进行内燃机虚拟拆装实验，课上再对柴油机进行真实拆装训练。除了柴油机结构虚拟仿真实验以外，柴油机性能虚拟仿真实验、燃气轮机性能虚拟仿真实验、增压锅炉结构虚拟仿真实验、增压锅炉性能实验等实验课程都引入“虚实结合”的实验教学方法。大量的教学实践表明，这种课下虚拟仿真、课上物理实验的教学手段，能够降低实验难度，提高实验质量，加强学生对实验操作过程的总体把握[10]。

(3) 促进科研成果转化为虚拟仿真实验项目。围绕船舶动力行业，将科研特色和优势转化为实验教学资源，是我们在船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心建设的重要举措[11]。将科研成果转化为虚拟仿真实验项目，在满足科研的需要的同时可以兼顾实验教学，实现教学科研紧密结合。积极促进科研成果转化虚拟仿真实验项目，既推进科研成果转化，也不断提升实验教学平台的技术水平，保证实验教学平台的长期可持续发展。从长远发展角度来看，促进科研成果转化虚拟仿真实验项目是实现虚拟仿真实验教学长期可持续发展的重要保证。

(4) 推进优质虚拟仿真实验教学资源共享。虚拟仿真资源的网络运行特性为资源共享提供了技术条件；同时资源共享也为虚拟仿真建设带来了更多用户体验反馈，便于虚拟仿真实验系统的改进完善。教育部在虚拟仿真实验教学中心建设的指导思想中明确指出要“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”。推进资源建设与共享是虚拟仿真实验教学中心建设的一项重要工作内容，资源共享的机制、方式、手段都需要不断探索完善。

船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源，通过实验教学网站(网址：http://pees.hrbeu.edu.cn/Article/)，初步实现优质实验教学资源共享。船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心的内燃机结构拆装虚拟仿真实验教学资源，通过网络平台、光盘资源出版、企业合作推广等方式积极推进优质教学资源共享，目前已被32个国家和地区的142所国内外著名院校采用，占据多个搜索引擎的显著位置，在优质实验教学资源共享方面做出有益的尝试。未来将继续加强资源共享和示范辐射作用，不断提高优质实验教学资源的利用率。

5 结 语

在船舶动力技术国家级虚拟仿真实验教学中心建设过程中，从虚拟仿真实验地位、虚拟仿真实验与真实物理实验关系、科研成果转化虚拟仿真实验和优质实验教学资源共享等方面总结了虚拟仿真实验教学资源建设的几点体会，可供其他院校参考。

[1] 张居华,陈国辉,钟 宏,等.矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心[J].实验室研究与探索，2015,34(7)：111-113.

[2] 唐富山,原凌燕,刘爱东,等.虚拟实验教学在生物药剂学与药物动力学教学中的应用[J].现代教育技术，2015,33(15)：41-42.

[3] 纪金豹,李炎峰,李振宝,等.结构虚拟实验教学系统的开发与应用[J].实验室研究与探索，2013,32(9)：98-100.

[4] 冯 峰,孙 聪,曲先强.船海虚拟仿真实验教学中心的建设与发展[J].实验技术与管理，2014,31(1)：11-14.

[5] 徐 明,刘 艳,陆金钰,等.土木工程虚拟仿真实验教学资源的建设[J].实验技术与管理，2015,32(12)：116-119.

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[7] 徐 进. 2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J].实验室研究与探索，2014,33(8)：1-5.

[8] 王晓迪.虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理，2014,31(8)：9-11

[9] 李 平,毛昌杰,徐 进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013,32(11)：5-8.

[10] 王卫国，胡今鸿，刘 宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015,34(5)：214-219.

[11] 胡今鸿,李鸿飞,黄 涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015,34(2)：140-144.

Practice and Experience of Virtual Simulation Experimental Teaching Resources of Marine Power Technology

FEIJing-zhou,LUYong,GAOFeng,LIShu-ying,MAXiu-zhen

(College of Power & Energy Engineering，Harbin Engineering University, Harbin 150001，China)

The virtual simulation technology is introduced into experimental teaching to solve the problems which exist in the experimental teaching of energy and power major. Virtual simulation experimental teaching resources of marine power technology are developed. It holds advantages of virtual simulation experiment in experimental space, experimental consumption and experimental safety. "Integration of teaching and research, combination of virtual and reality" is regarded as the guiding ideology. Experimental simulation teaching system is constructed to meet the needs of each professional teaching, including the major of internal combustion engines, gas turbines, steam turbines and power engineering. The basic function of the virtual simulation teaching system and teaching applications in various professional courses are explained. Experiences of resources of virtual simulation experimental teaching in marine power technology are discussed, including the position of virtual simulation experiment teaching in the whole teaching system, the relationship between virtual simulation and real physical experiments, the conversion from scientific research into virtual simulation teaching resources and resource sharing in experimental simulation.

marine power technology; virtual simulation experiment; teaching resources construction

2016-07-24

哈尔滨工程大学教改项目(JG2016BZD03)

费景洲(1976-)，男，黑龙江讷河人，博士，实验师，研究方向：船舶动力装置总体性能分析与控制、实验教学与管理。

Tel.:0451-82519307; E-mail：feijingzhou@hrbeu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0147-05