智能船舶背景下轮机自动化智慧化教材研究

甘辉兵，张均东，林叶锦，曾鸿

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

一、引言

随着科学技术的快速发展，尤其是近年来人工智能技术、网络信息技术及计算机等技术在船舶上的应用，船舶也越来越向着大型化、专业化和智能化方向发展。作为未来船舶的发展方向，智能船舶成为研究热点，世界主要造船国家均在竭尽全力推进本国智能船舶的研发与实船应用。在智能船舶的大背景下，航海类专业人才培养模式的改革逐渐成为研究与实践热点，相应的课程体系重构和教学方式的变革也应随着智能船舶发展的不同阶段进行动态调整。作为课程核心建设内容——教材建设，更应该适应未来科技发展与航海类专业教学改革的节奏。

“轮机自动化”作为航海类轮机工程专业一门主干专业课程，其内容主要包括船舶机舱各种控制、监测系统及各种自动化仪表、控制元件和逻辑元件包括计算机在内的工作原理及操作管理等内容。无论是现在智能船舶发展的初级阶段，还是未来智能船舶发展的终极阶段(无人化)，船舶机舱自动化系统对保障船舶安全都起着重要的作用。但是，保持日新月异更新势头的轮机自动化与智能化技术也给轮机自动化教材建设和课程建设带来了挑战，尤其是纸质版的传统教材的更新速度很难跟上机舱自动化技术的发展，这势必会影响专业人才培养质量和学生应对未来技术革新的应变能力培养。

随着互联网技术、计算机虚拟仿真技术等与高等教育深度融合，智慧化教材作为一类新型的数字化学习资源也应运而生，它具有富媒体性、开放性、交互性、实时性等特点，能够快速适应信息化条件下教学的需要。智能船舶背景下，船舶机舱自动化系统具有高度集成和模块化、智能化、更新换代速度快等特点，而智慧化教材正好能满足当前船舶智能化背景下轮机自动化课程教学需要，可以有力地促进教与学的交互自然化、场景可视化及过程智慧化。此外，对单个轮机自动化系统开展高沉浸感的在线式虚拟交互操作训练，可以使学习更加方便快捷、绿色环保，具有不受时空限制、升级更新速度快等优点。

在国内，众多学者对智能船舶背景下航海类人才培养进行了研究，在人才培养模式和路径改革上进行深入剖析，主要从专业调整、课程体系重构及实践创新能力等方面提出了总体建议和思路[1-3]，对推动我国新形势下航海类人才培养改革提供了重要支撑。在智慧教材建设方面，文献[4-5]以某专业课程为例，从教材体系、教材内容、教材资源等方面阐述了智慧教材的建设思路，对其他课程教材建设具有一定的借鉴意义。在轮机自动化课程与教材建设方面，文献[6-7]的研究具有代表性，提出的翻转课堂教学模式和配套教学实践的多模式教学对轮机工程专业课程建设与改革具有借鉴意义，同时，该团队建设的课程获得国家级一流本科课程的认定，在国内起到一定的示范应用效果。而在国外，整体上体现在不同学科不同课程在慕课、翻转课堂及网络教学方面的研究与实践成果[8-11]。

从国内外主要文献分析上看，有关智能船舶背景下航海类具体专业课程和教材建设改革仍处于初级阶段，尤其在航海类专业具体某门课程完备的智慧化教材建设与改革方面的研究尚未见发表。因此，针对航海类专业某门具体课程，集中优势力量和资源，开展智慧教材研究与建设，占领相关研究高地，对促进新形势下我国航海类人才培养具有重要作用。基于以上背景，本文结合轮机自动化教材的智慧化建设，探讨了该教材在智能船舶背景下智慧化建设的重点内容和实现路径，为相关航海类专业课程的智慧教材建设提供思路。

二、轮机自动化教材现状

由大连海事大学编写的《轮机自动化》教材最早于1964年在大连海运学院(现为大连海事大学)以讲义的形式印刷，1980年由人民交通出版社正式出版，并分别于1982、1987和1998年进行了三次修订，并多次重印，一直是交通部(现为交通运输部)指定的统编教材，在国内相关专业教学领域具有非常重要的地位和影响。随着船舶自动化技术的不断发展，尤其是计算机网络技术和船舶柴油机电子喷射技术的发展，该教材于2009年进行了大幅度修订，作为“十一五”国家级规划教材和航海类专业精品系列教材出版，并于2012年第一批入选“十二五”国家规划教材。近年来，该教材经过体系结构的进一步调整和优化，并首次嵌入了数字化资源，于2019年再版发行，教材质量得到进一步的提升。但是，计算机网络技术、大数据和智能化技术的普及应用是船舶自动化发展的必然趋势，当前船舶自动化水平存在多代技术共存的现象，这为轮机自动化教材的编写带来一定的挑战，主要包括以下几个方面：

(1)现有教材内容体系更新速度与船舶机舱自动化与智能化技术迭代更新发展不匹配。随着船舶智能化的逐步推进，机舱自动化与智能化技术更新换代速度非常快，亟须通过构建适宜的轮机自动化教材内容体系更新机制，以确保教材内容的与时俱进，适应行业技术的进步。

(2)现有教材中嵌入资源丰富度欠缺，呈现和获取方式灵巧便捷度差。教材嵌入资源丰富度与呈现和获取方式的灵巧便捷度直接关系到学习者的学习效率和效果，因此，需要通过多样化的资源和多样式嵌入方式来解决这一问题，如嵌入丰富的设备或系统动画、图像、声音、视频等多媒体素材。

(3)现有教材中单个轮机自动化设备或系统高环境真实感和行为真实感的轻量化在线虚拟实践操作软件资源内容缺乏。

三、轮机自动化智慧化教材改革重点

《轮机自动化》教材的主要内容包括自动控制基本理论(含自动化仪表基础知识)和轮机自动化系统两大部分。因此，教材智慧化的改革应根据这两部分内容的特点，重点从内容体系的更新机制、智慧教学手段和方式的改革创新等方面入手建设，具体如下：

(1)改革现有轮机自动化教材内容体系的更新机制以适应船舶智能化的发展要求。在基本控制理论部分，根据智能船舶发展的阶段逐步融合智能控制的基本思想和理念；在轮机自动化系统部分，改革现有教材的内容组织模式，重点突出轮机自动化系统涉及的通用原理与智能化技术的融合，而实例部分重点通过智慧呈现方式实现，减少静态文本的呈现方式。

(2)丰富和更新轮机自动化教材嵌入资源的形式及方式。在嵌入常规的教学视频资源的基础上，融合更多体现船舶机舱自动化与智能化新技术的设备或系统的动画、图像、声音、视频等多媒体素材，充分调动学生的视觉、听觉、触觉等多种感官，使教学内容更生动，教学过程更加有趣；嵌入章节自测练习题库，实现自我学习测试；丰富资源呈现和获取方式，以图像识别、二维码识别及其他多媒体素材链接跳转等方式实现智慧化的资源获取。

(3)改革轮机自动化系统虚拟交互式内容。通过计算机仿真技术、虚拟现实技术和互联网技术，对高度模块化、自动化、智能化和集成化的轮机自动化系统学习方式进行重构，搭建各个单系统的在线虚拟交互操作软件，可实现高沉浸感交互操作练习和评估，提高实践创新能力。此种方式既能满足智能化背景下机舱自动化系统技术快速迭代更新的学习需求，解决实验设备购置成本高、台套数不足、更新速度慢及维护成本高等实际问题，突破实验场地和时间的限制，避免实物操作带来的安全风险以及故障损失，又能有机地融入现有传统纸质版教材中，具有节约能源、绿色环保、便于携带等优点。

四、轮机自动化智慧化教材实现路径

针对轮机自动化智慧化教材的改革重点，以现有国家规划教材内容为主体，结合船舶智能化的发展趋势，融合国家级线上一流课程和国家级虚拟仿真实验教学项目一流课程资源，依托轮机模拟仿真技术平台，提出一种轮机自动化智慧化教材的实现路径，具体如图1所示。

图1 轮机自动化智慧化教材实现路径图

由图1可见，在教材内容体系更新机制上，以学校新建智能与实训两用船中智能机舱系统技术为依托，通过梳理智能船舶不同发展阶段机舱自动化系统涉及的基本理论和技术内容，拟构建经典自控理论内容少更新、智能化基础理论逐步更新，轮机自动化系统通用原理少更新、最新轮机自动化技术与实例及时更新的四类更新机制，将更新的内容与传统教材相融合，匹配智慧获取和呈现方式，以确保教材内容与行业技术进步保持同步。

在教材智慧资源丰富和更新方面，主要以现有国家规划教材内容为主体，将现有国家级一流线上课程和虚拟仿真实验教学项目相关教学视频资源嵌入教材相应知识点，更新智能化理论或技术方面的视频内容，同时丰富轮机自动化设备及系统方面的原理动画、现场声效、拆装展示视频、章节练习题库等资源，通过优化布局资源呈现方式和获取形式，采用图像识别、二维码识别等多样的形式来完善教材智慧化的获取与应用。

在教材配套单个轮机自动化系统的高真实感在线虚拟操作示范应用方面，主要依托轮机模拟仿真技术平台及团队现有的技术沉淀和储备，通过需求分析，对冷却水温度控制、净油单元控制、供油单元控制、辅锅炉自动控制、反冲洗滤器自动控制、主机遥控系统及监控与报警等系统开展建模仿真，提取各个单系统的边界条件，开展轻量化二维操作软件、高沉浸感三维虚拟操作软件的改造和开发，能够实现自动控制设备或系统原理示教、虚拟操作、故障排查及考核评估等功能，通过程序优化、平台移植性研究，使之能运行于PC端和移动端。

最后，将以上三个方面的内容进行融合，实现轮机自动化智慧化教材的应用与示范，首先在校内开展应用实践，服务于本校轮机工程专业人才的培养和一流专业点的建设。经过不断实践与应用测试反馈，进一步完善后推广应用至国内其他航海类院校、企事业培训单位，提升教材的影响力，同时为航海类专业相关教材的研发提供思路和经验。

以上实现路径的可行性保障在于以下几个方面：

(1)课程团队已先后完成了“轮机自动化”国家级精品课程、国家级和省级精品资源共享课程、国家精品在线开放课程、国家级和省级一流本科线上课程以及国家级一流本科虚拟仿真实验项目课程建设与应用，积累了丰富的课程建设与教学模式改革经验，为智慧资源丰富和更新方面提供了有力保障；

(2)课程团队成员隶属于轮机模拟仿真技术研究团队，完成了大量的轮机模拟仿真产品自主研发与推广应用，具有很强的技术开发能力，积累了丰富的开发与应用经验，为教材配套单个轮机自动化系统的高真实感在线虚拟操作示范应用提供了强有力的技术支撑；

(3)学校智能与实训两用船的建造为教材有关机舱智能化理论与技术内容的更新提供最新的资料与技术。

五、结语

轮机自动化教材是船舶机舱自动化教学内容的主要载体，也是教学的重要依据，尤其在船舶智能化进程的不断推进及新一代信息技术与高等教育深度融合的双重背景下，开展轮机自动化智慧化教材建设对培养具有国际竞争力的轮机工程专业人才具有重要意义。本文通过分析轮机自动化教材的现状及新形势下面临的挑战，探讨了该教材智慧化建设的重点内容，并结合课程团队已有的建设成果，提出一种针对轮机自动化教材智慧化实现的有效路径。智慧化教材是以智能技术为支撑，以提高教学质量、促进学生个性发展为宗旨，在教材编写实践过程中，尚须在理念上、组织上、技术上等多个层面进行更广泛而深入的研究与探索。