船海虚拟仿真国家级实验教学中心建设浅谈

孙 聪， 郭春雨， 冯 峰， 曲先强

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶与海洋工程国家级实验教学示范中心，哈尔滨 150001)

0 引 言

在信息化技术不断发展和深入的今天，教育信息化越来越受到国家的重视。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》[1]指出，“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”；国家发改委、工信部等部门在“宽带中国2013年专项行动计划”“信息惠民工程”等一系列国家重大工程中，都把教育信息化列为重点建设内容；教育部《关于全面提高高等教育质量的若干意见》[2]《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)[3]中均提出要加强信息化资源共享平台建设，推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式。

国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作顺应了高等教育的发展趋势[4]，是高校实验教学信息化的最新举措，也是我国高等教育质量提高的必然手段[5]。

船海虚拟仿真实验中心[6]2015年获批国家级虚拟仿真实验教学中心。中心以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”为指导思想，在原有教学资源的基础上，进一步组织开展虚拟仿真实验教学资源的建设，取得了显著的成效。

1 建设背景

1.1 凸显船舶与海洋工程专业特点和行业特色

船舶与海洋工程类实践性教学环节具有其特殊性，开展实验教学面临以下难题[7]：实验室的大型设备与特种设备多，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且具有单一性，设备运行消耗的能源大，开展多班次大批量的本科实验教学极为不便；学校地处哈尔滨，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。因此，构建高度虚拟仿真的实验教学环境来解决真实实验平台无法开展和具有高危险性、大型、综合的复杂系统以弥补现场实践的不足，已经成为船舶与海洋工程专业人才工程实践和创新能力培养的必然要求。

1.2 紧跟船舶工业智能化发展

船舶工业正在向以智能制造、使用和管理为核心的工业4.0浪潮逐步迈进[8]，智能化船舶已是船舶工业发展的必然趋势。传统的实验教学已经不能反映现代船舶工业技术发展的最新趋势。因此，开展船舶与海洋工程虚拟仿真实验资源建设，将最新的科研成果融入实验教学，丰富实验教学内容，紧跟船舶工业智能化发展趋势[9-10]，将虚拟仿真技术与实验实践教学紧密结合，已成为实验教学中心发展的必然选择。

2 虚拟仿真教学资源建设

2.1 构建网络交互式虚拟船厂仿真教学与考核平台

船厂实习属于大型、综合实验教学，耗费资金大、组织协调困难、存在不安全因素等问题，交互式网络虚拟船厂仿真系统使船厂近在咫尺，按照学生需要选择学习内容，通过网络学习和亲身参与，并与虚拟软件形成互动。交互式网络虚拟船厂学习系统作为学生“第二学习”课堂，贯穿于学生教学环节的全过程，结合专业课程的推进，随时走入“船厂”实习。特别是在学生进船厂实地实习前集中进行学习，在对船舶企业有了一定了解后再进入到船厂对关键环节重点学习，使其成为学生从校园教学到船舶制造企业现场教学的过度和衔接，在有限的时间内向学生传授更多实践经验和技巧。事实上，由于现代化船舶制造工序多、分工细，即使是身为船厂员工，也难以熟知船厂各个生产环节，而虚拟船厂软件则以船厂漫游的表现形式还原并展示船厂的全貌，轻松学习船厂的生产过程，确保人人得到学习机会见图1～3。该软件在实验教学中应用多年，提高了学生学习兴趣，使学生对船厂有了身临其境的体验，增强了学生学习的积极性和学习效果。

图1 车间内漫游

图2 分段舾装场地

图3 总组装平台

2.2 虚拟散货船仿真教学系统

船舶工程属于大型机械设计制造领域，由于实船建造成本高和占地空间大等原因，很难将整条船搬到教学课堂和实验场所。学生在整个大学学习期间，包括大二、大四2次船厂实习，由于受船舶企业服务能力限制和出于安全因素考虑，不仅实习时间有限，而且没有机会登上在建或完工船舶进行参观和学习，这不仅是一种遗憾，也使船舶工程专业的学生缺少了全面、细致、直观认识和了解船舶这一复杂产品的机会。散货船是我国三大出口船型之一，是最常见和使用的船舶类型，同时也是船舶工程专业本科生教学常用船型，具有典型性。

虚拟散货船仿真教学系统是基于网络开发的多用户参与体验、学习、考评的虚拟仿真软件。可独立用于学生实验也可以挂靠在虚拟船厂仿真平台上，重点教学上层建筑总布置及舱室综合设计、甲板布置及设备、推进和操纵设备等内容，这些内容是在船厂实习时较少能了解到，在课堂教学中较难以形成直观认识。该软件分为教学实验模式和自主实验模式。教学实验模块通过语音教学、触发连接、引导实验(增强型虚拟现实)、漫游仿真、虚拟测试等方法引导学生学习，自主实验时学生独立完成甲舾、防火救生设施布置、IMO标志识别、逃生、设备使用等实验，实验结果通过考核系统将成绩统计完成供教师评定。系统解决了大型装备型实验难于开展、高危实验无法操作、课程综合实验的问题。其趣味性、沉浸感满足学生学习需要，虚拟总布置设计、诱导实验、虚拟操作、立体导航等视觉和环境特效的优点不仅能吸引学生的兴趣和注意力，还增强了船舶空间概念和整体布局设计的能力，达到实船学习无法比拟的效果。

图4 码头

图5 驾驶室

2.3 半潜平台动力定位仿真系统

半潜平台动力定位仿真系统是基于中心“深海半潜式钻井平台工程开发”科研项目开发的一个包括HP图形工作站、SGI图形工作站OCATANII和开发专用计算机，并利用网络通讯技术和串行通讯技术构成的分布式实时系统。仿真系统以HP xw6000图形工作站和SGI图形工作站OCATN II为仿真中心，利用网络通讯技术和串行通讯技术进行网络仿真试验验证。系统能够实现水面艇的视景仿真、水动力计算和风、浪、流等外力的仿真。

系统可以支持作业和待机两种工况下的风、浪、流仿真和水动力仿真。学生可以通过仿真系统单机运行观看演示效果，也可以同显控台联机运行分析水动力特性和外力作用特性。在仿真系统中可单项加载风、浪、流作用力，也可同时加载所有外力，以辅助完成各种情况的水动力特性分析，仿真系统的运行界面及操控台如图6、7所示。目前系统被应用于浮式结构定位系统分析与设计实验课程中。

图6 半潜式平台仿真系统界面

图7 半潜式平台仿真系统操控台

3 建设成效

3.1 数字化虚仿资源凸显船海行业特色

中心秉承船海特色，集成我院教学资源和科研成果，致力于开发凸显船海特色的虚拟仿真系统，构建国内一流的船海虚拟仿真实验教学平台，服务于“三海一核”领域人才培养和科学研究。如某海工船作业半物理虚拟仿真系统，模拟海工船作业全过程(如图8所示)；通过虚拟仿真技术为某水深铺管起重船开发了一套海上起重、铺管作业半物理仿真模拟系统，实现了工程过程预演、工艺推敲(如图9所示)；以上虚拟仿真资源均凸显了鲜明的船海行业特色。

3.2 科研成果转化为虚拟仿真实验教学资源

科研成果转化为虚拟仿真资主要体现在硬条件和软条件两个方面。硬条件转化一是为满足科研条件，以科研经费改造网络环境，实验教学可以共享；二是科研样机转化为实验中心的固定资产。软条件转化则体现在科研资料、科研经验、科研成果融入虚拟仿真系统的开发创作中[11-13]。例如，舰船操控模拟系统是以科研项目为牵引开发的具有自主知识产权的虚仿软件，舰船操控模拟系统的样机在学校船舶博物馆中展出，已应用于船舶操控实验教学和科普教育中，现在已逐步形成模拟操控、模拟作业等多个型号，在国内享有盛誉。网络交互式虚拟船厂仿真系统是基于现代船舶制造企业模式建立的数字化船厂，它是在科研软件数字化船厂仿真系统和产品数据管理在船厂的应用的基础上面向虚拟仿真实验教学开发的实验教学系统，已在虚拟仿真实验教学和预备实习课程中应用。先进的科研设施和创新的研究成果应用于教学，使学生在实验教学过程中可以接触到先进的设备、技术、方法和研究成果[14-16]，有助于开拓视野，提升知识结构，培养综合设计和创新能力。

图8 某海工船作业半物理虚拟仿真系统

图9 深水起重铺管船模拟器

3.3 校企合作，助力虚拟仿真实验教学中心发展

船海虚拟仿真实验教学中心与国内船舶与海洋工程领域的研究院所、船企和高校建立了广泛的合作关系，通过不同方式和不同内容的合作，为虚拟仿真实验教学中心的发展提供了有力的支持。中心每年都派出实验教师到船企参观学习，通过实地考察，全面了解船企的人才需求、岗前培训和技能培训的特点和要求，为虚拟仿真实验教学中心实验课程的建设提供指导；在船企拍摄的大量照片为开发虚拟仿真系统和设备的虚拟教学系统提供了丰富的素材。

自2008年至今，利用虚拟仿真实验教学平台为上海江南造船厂、中远船务工程集团有限公司等提供软件培训，累计培训1 500人次；为山海关船舶重工有限责任公司开发虚拟船厂仿真系统，用于船厂实践培训；为沈阳军区联勤部开发舰船操控模拟模型，用于实船驾控模拟训练；为中船工业第七〇八研究所开发的舰船结构强度、疲劳和振动虚拟测试系统，用于舰船结构强度、疲劳和振动虚拟测试；通过合作既创造了经济效益又产生了社会效益，为虚拟仿真实验教学平台的发展创造了良好的条件。

4 结 语

船海虚拟仿真实验中心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，本着虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，将虚拟仿真技术融入实验与实践教学，同时在现有教学资源的基础上，根据高水平专业人才培养的要求，不断开发出新的虚拟仿真实验教学资源，完善和提高现有虚拟仿真实验教学平台的技术水平，为虚拟仿真技术在船舶与海洋工程领域人才培养中的应用奠定了坚实的基础。