数字孪生船舶与课堂、实验教学的融合探索

袁利毫，刘旸，昝英飞，陈淼

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

面对科学技术的更新换代，教育教学应走在其前列[1]，尤其在设计领域实现模型全三维化、设计数据可查询、可衍生是必不可少的条件，因此数字孪生是未来教育方式变革的重要技术之一[2]。 针对船舶与海洋工程专业船舶设计教学目标[3]，推动数智化（数字化、智能化）技术与船海专业教育教学深度融合，重新构建教育教学信息化模式，解决当前船舶设计教学过程中人机交互手段匮乏、 学生难以掌握船舶设计流程、设计方案难以评估与优化等问题，改变传统思维，开拓新思维，与行业领先设计理念衔接，储备人才，进一步推动船海教育领域的格局和教学模式变革，实现教学管理的数智化。

1 船舶与海洋平台设计教学知识点梳理与体系建设

以船舶与海洋工程专业核心课程《船舶与海洋平台设计原理》为例，围绕课程教学大纲，全面梳理传统船舶与海洋平台设计教学过程中较难掌握知识点和设计要素。 结合船舶设计课程教学目标，针对散货船、油船、集装箱船等代表性船型，进行船舶总体设计的知识点分析，包括主尺度选取、船体型线设计、总布置设计、主机功率选取等内容，并从稳性、快速性、操纵性、 耐波性等方面建立相应的教学评价指标体系；构建网上学习平台，基于“智慧树”慕课学习平台，建立《船舶与海洋平台设计原理》慕课、习题库、思政案例库、船型设计库和专家讲学课，将知识点碎片化，通过设计案例将知识重新组合，在翻转课堂进行学生课后的案例设计评价。 图1为本课程的慕课学习入口。 该课程获批2021年黑龙江省线上线下混合式教学一流课程，配套教材获评2021年工信部“十四五”规划教材。

图1 慕课建设

2 船舶在线虚拟设计教学平台建设

将数字孪生船舶理念融入课堂和实验教学中，构建线上线下、虚实结合、一体的教学模式。将“互联网+”概念应用到特色实验教学中去，师生可以在互联网上共享虚拟实验学习资源，学习方式自由、 学习时间自主，更有利于安排学习计划，实现线下教学一体化。

2.1 在线总体设计部分

分析船舶设计流程，针对主流船舶开发三维船体、总布置、阻力与推进、操纵与耐波等数字孪生模型，建设了课堂和实验教学所需的在线虚拟设计教学平台。利用课题组在船舶总体设计、数字孪生、船舶运动建模与仿真等方面研究基础和科研队伍，重点构建了船舶与平台需求分析和母型船选择、排水量设计、主尺度设计、载重量校核、重心估算、稳性校核、船体阻力、推进、主机功率、航速、型线和模型生成、操纵性仿真等数字孪生模型，并完成在线虚拟设计教学平台的软件开发与系统集成测试。学生按照学号登录，选择设计任务书和母型船开始虚拟设计，教师使用工号登录教师端，查看学生设计过程报告和结果，予以评价。图2为船舶在线虚拟设计教学平台。

图2 船舶在线虚拟设计教学平台

2.2 虚拟实验操作部分

由于海洋平台海上安装风险高，模型实验还原困难，课堂互动体验不便，因此利用数字化与仿真技术，以构建“人在回路”的仿真实验为标准，以高精准的多系统耦合运动数值建模与实时解算为技术核心，搭建了海洋平台安装虚拟仿真实验平台。 平台分为工程认知、滑移装船、浮托安装、实验考核4 个模块，共计40个实验交互操作步骤，涵盖10 个核心知识点[4-5]。 学生可以在线（图3a）或使用线下模拟器（图3b）完成海洋平台的安装过程，实时感知不同环境下对平台浮态、运动的影响，学习和掌握海洋平台安装要求，实现了课堂教学与工程应用的无缝链接，为学生构建了从设计、制造、安装到运维的全链条完整专业知识体系，提升了学生对海洋平台的认知和实验水平，强化了学生的工程能力[6]。 将专业知识教学贯穿于整个安装作业，使理论教学和工程应用互相印证，全方位梳理从设计到安装的船海专业知识体系，该虚拟仿真实验课程获评2021年黑龙江省虚拟仿真实验教学一流课程，并获工信部推荐参评2021年国家级虚拟仿真实验教学一流课程评审。 图3为海洋平台安装虚拟仿真实验平台。

图3 海洋平台安装虚拟仿真实验平台

3 教学实验与效果评估

3.1 在线总体设计部分

依托船舶在线虚拟设计教学平台，开展与课堂、实验教学的交叉融合探索，由学生全程自主设计船舶并进行在线评估，同时建立教师与学生反馈机制对教学模式进行优化。 利用在线实验教学平台进行学生上机实践，学生自主设计船舶并生成数字孪生船舶，进行在线评估，主要根据设计流程、船体模型、性能评估结果等进行学生成绩评价；同时对照传统授课方式进行对比分析，主要从教学质量、教学效果、学生反馈等方面设立多个指标，做到量化评估。

3.2 虚拟实验操作部分

构建以数字孪生工程仿真为标准的实验考核体系。不同于常规的流程虚拟仿真实验，本实验以经过工程验证的船舶压载数值模型、 船缆耦合运动数值模型为基础，根据学生不同的实验操作和环境条件，最多可进行多达10 条缆绳与驳船的运动耦合，实时生产精确的实验结果，实验结果经过模型实验或实船数据校核，逼真反映船舶作业特性，形成以数据为中心的评价依据。同时课程以海上作业规范为准则，设置实验的考核标准，形成以工程仿真为标准的科学评价体系。将教学科研深度融合，使科研成果全方位应用于教学领域，提升教学效果和效率，进一步促进科研创新人才的培养，实验教学科研一体化。

图4为实验教学管理与评价平台，图5为虚拟仿真实验教学中心。

图4 实验教学管理与评价平台

图5 虚拟仿真实验教学中心

4 多元化考核方式

多元化的教学模式应配套以体现学生综合能力的过程性考核和教师综合评价方法为主[7]。 以《船舶与海洋平台设计原理》课程为例，学生成绩评定方式和构成如表1所示。

表1 学生成绩评定方式和构成

5 结语

数字孪生船舶与课堂教学、 实验教学的深度融合提供了一种船舶在线设计与实验的教学模式，学生可在线获取船舶性能计算结果并评估设计方案，解决了以往课程知识点抽象、 难以分析设计参数对船舶性能影响、设计方案大多依靠经验优化等问题，利用大数据和智能化等技术实现所见即所得的教学效果。 船舶与海洋平台设计与实验全过程数据动态可视化，学生可实时直观感知设计结果，更加易于理解和掌握船舶设计过程的因果和制约关系，进一步增强分析问题、解决问题和科研创新的能力。有效发挥学生的学习主体地位，激发学生的学习兴趣，在自主解决设计问题的过程中，不断获得成就感，达到传统教学模式难以达成的效果。