虚拟仿真技术在港航专业实践教学中的探索与应用

摘要：基于虚拟仿真平台的软硬件优势，探讨了该技术在港航专业实践教学中的应用。以“自主学习—创新设计—反馈优化”的实验教学和培训过程为主线，结合3D视景仿真系统、场景建模和人机交互等技术，实现了港航业生产场景的3D再现、操作模拟和流程优化，促进了学生创新思维、实践能力的全面发展。

关键词：虚拟仿真;实践教学;人才培养模式

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）22-0271-02

现代信息技术的高速发展促进了高校实验教学体系和手段的多元化發展，改革了现有的人才培养模式。基于虚拟仿真技术的教学模式，不仅能打破传统实验教学的局限，还能对现有教学内容进行完善和拓展。2013年教育部在全国大力推进国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作[1]，加速了高校虚拟仿真实验中心系统化、规模化的发展，而虚拟仿真技术在实验教学中的应用和发展也得到了广泛关注和研究[2，3]。因此，将虚拟仿真技术引入实践教学，改革教学体系和模式，培养港航业实践创新型人才成了当务之急。三维虚拟仿真技术改革了传统实验课程中以讲授和演示为主的实验模式，能够实现港航生产实践环节的流程设计和操作练习。依托三维虚拟仿真技术，学生可以自主进行实验设计与操作训练，激发和培养了学生的科学探索精神和实践创新能力。探索并发展虚实互补、以虚促实的新型实践教学模式是提升实践教学的质量和效果、培养面向行业需求的实践型、创新型人才的重要途径[4，5]。

为实践国家教育信息化战略，培养港航业实践型人才，我校以拓展港航专业实验室虚拟现实实验室的教学功能为契机，优化、整合现有的实验室资源，探索虚拟仿真技术在港航专业实践教学和人才培养方面的作用，以提升港航专业的实践教学质量。

一、三维虚拟仿真平台的构成

我校虚拟现实实验室是港航管理专业的重点实验室，于2017年完成了虚拟仿真平台的所有的软件开发与硬件安装，建设总投资超过650万元。相关的软硬件设备包括Barco立体投影系统、3D建模和环境开发软件、系统仿真软件、应急决策软件、学生配套电脑等。

虚拟仿真平台的操作系统拥有与港航业生产过程一致的仿真模型库，能够再现港航业的实际场景和生产流程，并对学生在各个场景下的操作进行记录和反馈。根据港航管理专业的课程设置，教学模式大体是基于“自主学习—创新设计—反馈优化”的过程，使学生熟练掌握港航管理实务和生产运作流程。学生在课后能远程登录该平台，实现自主预习、自主练习和自主实验设计，不但增强了课程的趣味性，而且培养了学生的创新思维和实践操作能力。

二、实践教学探索与实践

三维虚拟仿真平台能够展现港航业的真实的生产运作场景，实现生产、操作和应急演练的情景再现。根据港航专业的课程设置和虚拟仿真平台的软件配置，实践操作训练的应用大体可分为系统仿真优化和应急决策支持两个方向。

（一）系统仿真优化

将三维虚拟仿真技术应用到物流管理、交通运输、国际航运专业的实践教学中，可为港口装卸工艺、国际航运管理和物流运输组织与管理等课程提供训练平台。通过虚拟仿真平台进行实践训练，不仅能弥补港航业实践教学中场地和设备不足，难以进行实际操作的缺陷，而且解决了学生到港口实习的安全问题。在实践教学中加入仿真操作，学生可通过港口仿真场景的漫游、设备参数设置、模型构建、仿真操作来了解港航日常生产运作、码头装卸作业的相关流程，实现码头装卸作业和运输运作方案的3D仿真，并进行相关流程的优化，掌握港航管理知识。三维虚拟仿真技术以输入的数值进行仿真驱动，学生通过对仿真结果的进行分析和优化，了解和掌握仿真系统中各个因素间联系和制约关系，识别影响系统运行效率的“瓶颈”因素。相比于传统的实践教学方式，三维虚拟仿真平台通过直观的3D视景及以学生为主体的“自主学习”和“自主设计”，使学生对港口规划、资源配置、港航业务组织有深刻的了解，掌握港航业的组织方式和运作流程。

三维虚拟仿真技术具有交互性、开放性和便捷性等特点，学生可以通过登录仿真平台自主进行操作训练来提高自身的实践操作能力。操作训练和流程设计不能脱离港航业的实际情况，因此实验内容需要根据港航业生产运作的发展不断更新和完善。“虚实结合”的港航实践教学模式既能完善和延伸原有的实验教学体系，又能培养和提高学生的实践创新能力。

（二）应急决策支持

三维虚拟仿真技术不仅能够满足港航专业实践教学的操作训练要求，还能实现常规实践教学难以完成的教学功能，尤其在港航业突发事件的应急管理中。港航业的突发事件带来的损失一般较大，如溢油事件、船舶碰撞搁浅等。虽然港航业的突发事件不可避免，但可以通过逼真的应急场景模拟来进行有效的应急决策培训，将事故危害降到最低。传统的实践教学方式下，学生都是通过实验教师的演示讲解来学习应急管理知识，效果不佳。三维虚拟仿真技术可以重现不可控的突发事件场景，学生可以在仿真的环境中模拟应急仿真操作。如将三维虚拟仿真技术应用到船舶溢油应急管理中，学生不但可以对溢油运动轨迹进行3D仿真模拟，而且还能根据事故地点的风向、潮流和溢油轨迹的计算结果，形成溢油应急决策的辅助方案。除自主练习外，学生也可进行分组合作，自主设计船舶溢油场景，模拟不同风向、潮流影响下的溢油运动轨迹，并对比不同场景下的溢油应急决策方案的异同，形成基于时间或可靠性的多个应急方案。

依托三维虚拟仿真技术可以根据港航专业实践教学的发展需求，对应急决策过程进行模拟操作，做到“以虚促实”，既补充了理论知识体系，又提升了港航专业的实践教学效果。

三、结论

根据教育信息化的战略要求和港航专业特色，运用虚拟仿真技术对港航业的生产和运作流程进行认知和实践操作，不仅实现了港航实践教学模式的改革，而且培养了学生的创新思维和实践操作能力。①以学生为主体，充分发挥其能动性和创造力，不受时间和地域的限制来自主完成相关操作实验和训练。②能够实现港航业生产现场难以进行的操作训练，满足了自主学习、开放设计与操作及互动交流的要求。③强化了学生的港航管理的理论知识体系，培养了创新和实践能力，也提升了实践教学的信息化和智能化水平。

随着三维虚拟仿真技术研究的不断深入，高校的实践教学模式也应该同步更新。加强虚拟仿真实验教学资源的开发和建设，让虚拟仿真技术在港航专业技术人才培养中发挥更大的作用。同时，在虚拟仿真的基础上也要注重实际，进行虚实结合，互为补充，培养港航业创新型、实践型人才。

参考文献：

[1]教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html，2013-08-13.

[2]祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理，2015，32（11）：156-158.

[3]刘亚丰，余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J].实验技术与管理，2016，33（04）：108-110+114.

[4]李晓东，曲本全，陈晖，朱傳同，陈永松，韩俊腾，赵冬旭，孙源秀，刘振东.虚拟仿真软硬件技术在实践教学的应用与探索[J].实验技术与管理，2017，34（03）：130-133+137.

[5]丁美荣.虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性实验教学探究[J].实验技术与管理，2011，28（05）：163-166.

Exploration and Application of Virtual Simulation Technology in Port and Shipping Management Major

WANG Ying

（College of Transport & Communications， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： Based on the advantages of virtual simulation platform， the application of virtual simulation technology in the practical teaching of port and shipping management major is discussed in the paper. With the experimental teaching and training process of "autonomous learning-innovative design-feedback optimization" as the main line， 3D visual simulation system， scene modeling and human-computer interaction are combined to realize the 3D scene reproduction， operation simulation and process optimization in the port and shipping industry，  which promotes the comprehensive development of students' innovative thinking and practical ability.

Key words： virtual simulation; practical teaching; talent training mode

收稿日期：2019-10-24

基金项目：2019年上海市教委实验技术队伍建设资助计划（“四大计划”）

作者简介：王颖（1985-），女（汉族），江苏泰州人，硕士，工程师，研究方向：交通运输规划与管理。