虚实结合船舶柴油机拆装实验教学实践

高跃峰，张均东，赵俊豪，郭 磊，徐 赛，陈 刚，曲宏飞，赵龙文，马忠民，李敬阳

(大连海事大学 a.轮机工程学院 b.理学院，辽宁 大连 116026)

一、引言

轮机工程专业旨在培养具备机械原理和轮机系统等方面知识，满足相关国际公约及海事局要求的海上从业人员。该专业对实践能力的要求非常高，大连海事大学轮机工程专业(普通班)本科培养计划(2020)显示，实验实践教学内容占培养计划总学分的22.54%(总学时占比超过35%)。其中，“船舶柴油机拆装”实验课程总课时40学时，是轮机工程专业的核心实践课程之一，也是国际海事相关公约和我国海船船员相关法规要求的必修课程。交通运输部办公厅发布的《海船船员培训大纲(2016)版》(交办海〔2017〕33号)文件明确了船舶柴油机拆装实验教学内容和学时，同时提出了实践考核的评价标准[1]。本课程着重培养学生的实际动手能力、沟通能力和团队协作能力，进一步巩固和深化课堂所学理论知识，增强对船舶柴油机结构的理解，进而具备船舶柴油机拆卸、检查、维修保养、测量、装配及调整的基本能力。

该课程所需的实验设备为大中型船用柴油机，经济成本高、占用空间大、更新需求快。通常高校在实验室配置若干拆装用四冲程柴油机，以及少量的二冲程柴油机部件，但由于成本、空间限制，当前我国航海类高校一般无法提供拆装用二冲程柴油机整机。有条件的少数高校会依托陆上机舱、实习船配置可运行的柴油机，但因频繁拆装对机器有很大的破坏性，且安全性差、成本高，一般不会用于学生的拆装训练。此外，传统的实验室现场教学模式虽然直观、易于互动，但也存在一定的缺陷。首先，学生必须在规定时间、规定地点进行集中训练，无法随时随地学习拆装知识和进行自主训练；其次，受时间限制，现场教学内容一般只选择有代表性的部件供学生拆装，而其他部件如滑油自动反冲洗滤器、滑油离心滤器等重要部件教学中难以面面俱到，学生也无法直观了解相应部件的内部结构和工作原理；由于传统的实验现场教学形式单一，部分学生学习积极性较低，教与学的效果都不理想。加之，2020年初受新冠肺炎疫情影响，学生在学校实验室进行集中拆装训练的时间难以得到保证，若无相应的教学模式替代，则无法正常完成规定的实验课程。

虚拟仿真技术为解决上述问题提供了可能。该技术目前已在医学、机械、建筑等多个学科领域教学中得到广泛应用。虚拟仿真实验教学融合前沿信息技术与实验教学，具有真实性高、沉浸感强和交互性好等特点，扩展了学习资源，适应了现代教育技术的发展，丰富了学生的学习模式，特别适合用于模拟大型化、高能耗、高危险性的实验[5]。中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《加快推进教育现代化实施方案(2018—2022年)》中指出，要着力构建基于信息技术的新型教育教学模式，促进信息技术与教育教学深度融合，开展国家虚拟仿真实验教学项目等建设[6]。

大连海事大学船舶柴油机教学团队设计研发了船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学平台，采用项目导向的教学方法，将虚拟仿真同实物拆装相结合，构建了虚实结合的船舶柴油机拆装实验教学模式，并对该模式进行了教学实践应用和应用效果调查。本文结合实验对虚实结合的船舶柴油机拆装实验教学实施过程及效果进行深入探讨。

二、船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学平台简介

船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学平台以PC机为载体，构建了三维虚拟的柴油机并可以进行拆装训练，同时可以实现记录和管理用户数据等功能。拆装对象包括ME型低速二冲程柴油机(主机)和中速四冲程柴油机(副机)两种典型船用柴油机，拆装内容涵盖柴油机固定件及运动件等34个常见拆装项目。考虑到当前新造船舶主机大都采用电子控制式柴油机，为使学生能掌握主流二冲程柴油机的结构及拆装步骤，本平台以MAN B&W 7S80ME-C9船用柴油机作为二冲程柴油机拆装原型，该柴油机为十字头式可逆转废气涡轮增压型，活塞行程3450 mm，活塞平均速度9 m/s，柴油机平均有效压力17.3 bar，持续运营功率21220 kW(68 rpm)，取消了传统柴油机的机械式凸轮轴机构，改为电子控制装置和液压伺服系统配合实现对喷油和排气定时的精确控制。对于四冲程柴油机，则以日本YANMAR公司近年生产的6EY22ALW型柴油机作为拆装原型，该柴油机为直立单作用直接喷射式废气涡轮增压型，缸径220 mm，活塞行程 320 mm，平均有效压力 23.75 bar，额定转速900 rpm，额定功率1300 kW，一般用作船舶副机，可为学生完整展示四冲程机典型内部结构及拆装过程。两种柴油机详细参数见对应型号产品说明书。图1为本平台拆装用二、四冲程柴油机整体模型结构及气缸盖、活塞连杆组件模型示意图。

拆装平台包含演示、练习和考试三种模式，支持虚拟现实手持输入设备及头盔显示器，提供高沉浸感的船舶柴油机拆装体验。图2展示了虚拟拆装系统中构建的二冲程柴油机活塞连杆组件和气缸盖组件拆卸时的场景。此外，为有效评估学生的虚拟拆装水平，平台提供了拆装考评系统，可以判断学生在规定的时间内是否掌握柴油机部件的正确拆装步骤，以及是否能够正确选用拆装工具。考试结束后，经过综合评定，最终给出相应的考试分值，并详细列出学生的每一步操作和得分(见图3)。此外，为方便教师对学生虚拟拆装训练过程及结果进行管理，平台提供了教务管理系统，教师可以在后台实现用户管理、题库管理、课程管理、实验报告管理、更新管理、训练管理、考试管理以及试卷管理等功能。

三、虚实结合船舶柴油机拆装实验教学实践

依托辽宁省虚拟仿真实验教学项目，船舶柴油机拆装实验教学团队近三年来一直探索将虚拟仿真实验应用到实验教学中的方法，开发了一套行之有效的虚实结合教学模式，如图4所示。该模式基于虚拟拆装仿真平台及大连海事大学船舶柴油机实体拆装实验室，运用以项目为导向的线上线下相结合、课内课外相结合和虚实相结合的混合式教学方式，建立了课前自主制订拆装计划、课上实施计划、课后复习反思和多元考核评价的教学模块，将虚拟仿真线上学习同柴油机实物线下操作有机结合、优势互补，实现了船舶柴油机拆装实验课程的信息化改革。

图1 虚拟拆装柴油机及零部件模型

图2 虚拟拆装场景示意图

图3 活塞拆卸考试过程及成绩单

图4 虚实结合教学模式

1.项目导向法

船舶柴油机涉及零件多、拆装过程复杂、实践性强，传统教学手段难以达到理想教学效果，因此尝试采用项目导向法开展教学。项目导向法是一种以实践为前提、以学生为主体、以教师为主导、以项目为媒介、以培养学生能力为目标的教学方法[7]。采用该方法让学生以小组为单位，通过项目式教学过程，经历项目资讯阶段、计划决策阶段和实施验收阶段，使学生在此过程中掌握专业知识，提高实践能力[8]。

(1)项目资讯阶段。在理论课上，由专任教师发布拆装项目计划，并利用PPT、图片、动画等形式讲解船舶柴油机知识，使学生初步掌握柴油机各部件的结构及功能。例如，若项目计划为气缸盖拆装，学生需掌握柴油机气缸盖的位置、形式和作用，以及气缸盖上方进排气阀、起动阀、安全阀、喷油器等附属部件的位置及作用。通过项目资讯阶段，学生对柴油机结构形式建立初步印象，为下一步计划实施建立基础。

(2)计划决策阶段。计划决策阶段要求学生以4～6人小组为单位，针对即将实施的项目任务编写项目计划，并由教师对计划进行审核决策确认。例如，针对船舶柴油机活塞的拆装，要求每个小组查阅说明书和实验指导书，同时在虚拟仿真平台进行训练，提前制订拆装计划。计划中应包含活塞的结构及作用、详细的拆卸和安装步骤、所用工具以及拆装过程中应注意的问题等，教师对各小组提交的计划进行修改并确认。通过计划决策阶段，学生可提前对拆装过程进行规划和预演，以保证在进行实际拆装时能够正确、有序。

(3)实施验收阶段。实施验收阶段要求学生实施前期制订的项目计划，并在此期间不断自查、互查，以确保项目顺利完成；完成后，由教师对项目成果进行验收，确认项目是否顺利完成。例如，在实验教学过程中，教师需确认学生对柴油机零部件的拆装步骤是否正确、工具使用是否合理、团队协作是否良好、是否存在暴力拆卸等；拆装结束后，由教师对零部件进行检查，以确认其结构功能是否完整。学生通过实施验收阶段可验证所制订计划的正确性和合理性，同时真正进行拆装实践，掌握柴油机拆装技能，为上船实践打下坚实的基础。

2.虚实结合课堂实施

(1)课前准备。教师根据发布的拆装任务对学生进行分组。学生根据老师发布的任务进行资料搜集，通过查阅教材、柴油机说明书和PPT，观看动画、视频资料等手段，初步了解拆装步骤、所用工具和安全事项等，通过虚拟拆装软件进行相关部件的拆装练习操作，了解柴油机各部件的结构，并熟悉整个拆装流程。综合上述资料及操作，学生以小组为单位制订详细拆装工作计划以供下一步实施。

(2)课堂实施。进入实验室后开始进行线下实物拆装阶段。首先由实验教师对学生制订的拆装工作计划进行审核，确认无误后学生按照计划内容对柴油机实物部件进行拆卸、检查、测量及安装。拆装部件包含四冲程柴油机气缸盖、活塞连杆组件、气缸套、主轴承以及高压油泵和喷油器，同时对各部件进行解体，测量的项目主要包含活塞环的高度、厚度、天地间隙和搭口间隙，以及活塞外径和缸套内径等，而这些教学内容学生已在课前虚拟拆装软件中进行训练，可以用来指导拆装实践，使学生掌握船舶柴油机的实际维护与修理技能。

(3)课后复习。要求学生在完成课堂实物拆卸后，在课后再次对所学习的拆装实验进行虚拟仿真训练，对实践拆装过程中不熟悉的结构反复查看学习，以达到巩固知识点的目的。同时对实验中的困惑提出疑问，教师在微信群针对学生提出的问题进行解答。学生在学习完成后，在老师规定的时间进行虚拟拆装在线考试，并将成绩上传至教师端服务器。最后撰写实验报告，要求学生用语言陈述各部件的拆装过程及技术要点，客观记录测得的各项实验数据并进行分析，对虚拟和实物拆装过程提出自己的意见或建议。

(4)多元评价。根据学生的各项表现，综合给出评价结果。评价主要包含线下学习评价(40%)、线上学习评价(40%)和终结性评价(20%)。线下评价主要是评价学生在实验室进行实物拆装的技能及素质，主要包含拆装步骤及工具的使用是否正确，同时包含学生出勤、实验积极性和主动性等；线上学习评价主要是为了评价学生的虚拟拆装技能，主要根据虚拟拆装线上考试成绩；终结性评价则通过评阅学生提交的实验报告，评价学生对知识的梳理和实验报告的撰写水平。

改革后的船舶柴油机拆装虚实结合实践教学计划安排5天，共40学时，具体时间分配见表1。首先进行安全教育及拆装工艺、工具和量具使用的培训，并告知学生本周教学计划安排；随后，实验室现场教学与虚拟仿真教学交替进行，且保持二、四冲程机的拆装部件一致，使学生能够对两种机型进行对比学习。考虑到实践课还应以学生动手操作为主，因此在教学计划中为现场教学分配了较多的课时，形成“现场教学为主，虚拟教学为辅”的教学模式。在结束全部线上线下学习后，由任课教师组织学生进行四冲程柴油机拆装现场评估和二冲程柴油机拆装线上评估，给出每个学生的评估成绩，并指出其评估过程中存在的问题。受教学时长限制，教学过程无法对柴油机所有零部件进行拆装，因此只选择表1所列的代表性部件作为教学内容。

表1 船舶柴油机拆装虚实结合教学计划

四、虚实结合实验课程建设成效

为了解学生对虚实结合教学模式的满意程度，以学校轮机工程(海上方向)2017级本科生为调查对象，以课程中“柴油机气缸盖拆装”章节为内容展开调查。调查问卷由任课实验教师编写，通过微信群在线发布，要求学生按时完成并提交。调查主要从虚拟仿真资源评价、虚实结合教学效果评价和虚拟仿真教学优势三方面进行调查，共收回有效问卷421份，调查结果统计如下。

(1)在虚拟仿真资源评价的调查中，97.15%的学生认为所提供的虚拟柴油机零部件模型逼真、结构正确，能够真实反映实船中零部件的内外部结构；94.54%的学生认为本虚拟拆装、检查和测量实验步骤合理，能够真实模拟实船的拆装过程；87.41%的学生对本虚拟实验项目建设感到满意，10.21%的学生认为部分满意。

(2)在虚实结合教学效果评价的调查中，91.92%的学生认为这种虚实结合的教学模式有助于理解柴油机零部件的内部结构及工作原理，同时可以更好地指导实物拆装，为下一步上船工作奠定基础；86.70%的学生认为这种教学模式对教学效果有良好的帮助。

(3)在虚拟仿真教学优势的调查中，85.04%的学生认为虚拟拆装将传统实物教学三维数字化和网络化，能够不限时间、不限空间，在安全、便捷的条件下开展实验，并将知识点融会贯通，有助于切实掌握船舶柴油机系统的专业知识。

此外，学生也对实验课程教学提出建议：一是客户端软件对电脑配置要求较高，希望在更新版本时能够合理优化资源，使低配置的电脑也能流畅运行虚拟客户端；二是希望在虚拟拆装软件中加入柴油机运行的动画效果，以便更好地理解柴油机的工作原理；三是希望丰富虚拟拆装软件的文字说明，以便更好地理解相关的结构和工作原理。总之，学生对新的教学模式较为满意。基于虚拟仿真平台构建的“船舶柴油机拆装虚拟仿真实验”课程已被认定为2020年辽宁省虚拟仿真实验教学一流本科课程。

五、结语

船舶柴油机拆装教学团队按照轮机工程专业“船舶柴油机拆装”实验大纲要求，针对当前高校实验室无法提供拆装用二冲程柴油机，以及四冲程柴油机型号老旧等问题，基于船舶柴油机拆装教学平台构建了以项目为导向的线上线下相结合、课内课外相结合和虚实相结合的混合式教学方式，建立了课前自主制订拆装计划、课上实施计划、课后复习反思和多元考核评价的教学模式。实践后调查发现，新的教学模式能有效调动学生的学习积极性，既让学生较为真实地感受实船机舱环境，生动直观地再现船舶柴油机核心系统的结构和工作原理，又帮助学生更好地掌握教学大纲和国家海事局要求的轮机设备操作及拆装方法步骤，有助于提高学生对复杂机械结构的认知和拆装能力，切实提高其综合实践能力和专业水平，培养学生的主动学习能力、问题解决能力和实际动手能力，对高等航海人才的培养起到促进作用。