基于虚拟现实技术的船舶认知实验课程教学模式设计

唐成港，翁建军，刘敬贤，严庆新

(1.武汉理工大学 航运学院，武汉 430063；2.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)

一、引言

随着信息技术的快速发展和在教育领域的广泛应用，高校课程教学模式、教学方法和教学手段等均发生较大变化，基于云课堂、虚拟课堂、翻转课堂、微课堂、慕课等新的教学形式进行的各种教学探索成为高校教学改革发展的“新常态”[1]。近年来，虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)在教学中得到日益广泛的应用。虚拟现实技术能够为用户提供沉浸性、多感知性、交互性的互动体验，具有重复性强、不受时间空间限制、成本低且风险小等优势，被视作下一代信息技术的集大成者[2-3]。

航海院校基于虚拟现实技术进行教学改革和创新，并取得了初步的成果。戴树龙等[4]将虚拟仿真技术应用到“船舶高级消防”课程实践教学，提出建设船舶高级消防虚拟仿真实验教学项目的设想，通过建设实船虚拟场景，开展基于任务的消防综合实训教学；陶瑞等[5]对虚拟现实技术在船舶消防培训系统中的应用进行了整体构架设计，运用三维建模技术构建了水灭火系统、二氧化碳灭火系统和消防员穿戴装备的仿真模型；郭磊等[6]结合实践对船舶柴油机拆装虚拟仿真实验教学平台的设计与应用进行初步探讨。从以往相关研究与实践成果来看，虚拟现实技术在航海教育的应用尚处于探索阶段，虽然有学者借助三维建模技术构建虚拟场景并应用于教学实践，但相关研究还有待深入。本文以船舶认知实验课程为例，结合实践探讨虚拟现实技术背景下课程改革的实施路径。

二、船舶认知实验课程教学现状

船舶认知实验课程作为轮机工程专业大一新生的实践类必修课程，也是后续专业理论与实验教学的基础，在课程培养计划和课程设置中起着重要作用。同时，该课程对激发学生专业兴趣、稳定专业思想意义重大。课程主要包括船舶结构设备、船舶动力性能、船舶装卸设备及作业流程、港口机械设备、码头附属设施和船舶航行练习等六大部分的认知教学。课程具有涉及知识面较广、教学内容较多、学时安排紧凑等特点，要求任课老师能在较短时间内完成规定的教学任务。然而现阶段各院校对于认知实验的重视程度不高，对教师授课形式以及学生掌握程度的要求也较低，导致认知实验的总体教学效果不佳。目前，船舶认知实验课程教学尚存在明显不足。

1.教学方法单一，传统教学效果不佳

传统的船舶认知实验课程教学基本上是以教师为主的讲授型教学，教学形式主要以“PPT+视频”为主，重在介绍基本概念等基础知识，学生的主要任务是听课记笔记，学习方法也多为死记硬背，学习效率、学习效果不理想。本课程所涉及的设施、设备(如船舶主机、辅机、船舶装卸作业流程等)工作原理复杂抽象、操作演示难度高，传统教学模式下学生理解起来比较困难，进而影响学生建立正确的知识体系框架。

2.设备实操难度大，不能满足教学要求

虽然船舶认知实验课程是以认知实践为主，但实践是认识的基础和发展的动力，只有通过实践才能使浅层的认知得到深化，让学生体验实践乐趣，激发专业兴趣，了解相关背景知识，建立合理的知识结构，拓宽知识范围，为后续课程的学习打下基础。特别是大一新生好奇心强、求知欲旺盛，愿意动手实践，这就对实验室设备和认知实践教学提出了较高的要求。现阶段，本课程在日常教学中考虑到一些船用设施设备的复杂性、危险性及操作难度，课堂上教师仅能做一些简单的操作演示，难以满足学生亲自动手操作的要求。另外，船舶主机、辅机、港口机械等设备的实操具有一定的危险性，不适合对大一学生开放。

3.实验时间空间受限，教学目标难以达成

船舶认知实验课程是一门通识类课程，实验室及实验设备较为分散，教学用到的实验设备分散在航运学院、交通与物流工程学院、船舶与能源动力工程学院三个学院，同时考虑到每个实验室容纳的学生数量，日常教学时需对学生进行分批排课，学生利用实验室的时间严重不足，难以真正完成教学目标。

4.考核评价单一，不能以考促学

在课程考核方面，鉴于学时少、内容多以及学生人数多，教师采取上课出勤率和实习日志相结合的方式进行考核。由于课程的特点，学生的最终成绩往往仅与实习日志的完成质量挂钩，单一的评价指标和评价方式，不能很好地体现学生学习的效果及对知识的掌握程度，达不到以考促学的目的。

三、船舶认知实验教学改革总体建设方案

随着信息技术特别是计算机图像技术的快速发展，虚拟现实在教育教学中的应用越来越广泛[7]。相比传统的教学方式和在线教学方式，在学习效果方面呈现出较大的优势，见表1。

表1 传统教学方式、在线教学方式和虚拟现实教学方式的对比

为了更好地弥补船舶认知实验课程教学存在的不足，培养学生的专业兴趣，提高教学效率和学习效果，本文提出利用虚拟现实技术搭建一套全场景交互式实验平台。该平台能够打破时空限制，降低学习成本，把抽象的设施设备工作原理以更直观、全面、生动的方式呈现给学生，为学生创造一个可以随时随地进行沉浸式学习的环境，积极引导学生自我管理、主动学习，激发求知欲望，提高学习效率。

(一)建设目标

依托现阶段船舶认知实验课程的实验条件，应用虚拟现实技术搭建一套全场景交互式的实验平台，沉浸式的虚拟教学平台不仅可以整合船舶认知类实验教学资源，而且还将大大提升教学效率和效果，提高教学质量。

(二)平台改革框架

根据船舶认知实验课程教学大纲，结合实验课程的教学内容，运用虚拟现实技术构建船舶认知全场景交互式虚拟平台。平台建设框架如图1所示。

该平台框架由应用层、资源层、硬件层和用户层组成。其中，用户层包括参与实验教学的学生、实验人员、教辅人员和管理员，主要负责实验教学过程中用户登录、管理和教学效果评价等；硬件层由服务器、交换机、单人VR终端和其他网络终端组成，硬件层可以在计算机机房的基础上进行搭建，教室采用局域网进行数据传输访问，其他终端可以通过外网通过账号登录的方式登录服务器，以此构建室内室外的网络链接搭建；资源层是存储在服务器中的VR课程资源，由船舶交通的三维视景模型、三维船舶模型、码头设施模型和装卸设备模型组成，资源层是进行虚拟现实课程实施的核心和基础；应用层是在VR课程资源的基础上，建立由船舶结构设备认知、船舶动力性能认知、船舶装卸作业认知、港机设施设备认知、码头功能设施认知和船舶航行操纵练习等组成的感知交互模块。

四、船舶认知实验教学改革的具体实施

(一)VR教室环境搭建

VR教室作为开展日常教学活动的主要场所，应在充分利用多媒体设备、网络接入等信息技术手段的基础上搭建，以便更好地支持课堂教学互动。目前，VR教室布局方案多采用按功能区域划分的布局方案。VR教室一般分为教师授课区和学生学习区两大功能区域。教师授课区以大屏投影为授课方式，教师可随时掌握授课进度，控制课堂气氛；学生学习区内学生可单独使用或分组使用一台计算机，对所学知识进行预习、学习和复习等活动。VR教室在硬件设备配置上主要包括用于数据访问、存储和处理的服务器，用于连接单人VR终端的网络(一般为局域网)和适用于学生操作互动的单人VR终端(计算机与VR设备)，如图1所示。另外，VR教学除了可以在VR教室现场教学外，还可以通过外网建立远程登录服务器的方式进行远程在线教学。

(二)VR教学管理系统设计

VR教室搭建完成后，如需实现真正的VR教学，则需要与教学内容相适应的教学管理系统，该系统主要能够实现访问登录管理、VR课程资源运行与管理、实验过程记录等功能，以实现教学过程的管理，辅助教学。VR教学管理系统可以根据课程教学需要进行设计定制，一般包括用户管理、课程设置、实验分类与管理、作业提交、考试设置、成绩管理、学校管理、消息通知等功能，如图2所示。

(三)制作VR课件与课程安排

VR课件的质量是开展虚拟现实教学的核心，也是影响教学效果的关键。良好的VR课件资源不仅能够较好地展示教学内容，还可以给学生带来良好的沉浸体验和想象空间。VR课件的制作主要包括两大部分内容：三维模型的构建与渲染；感知交互的实施。其中，三维建模可主要依托成熟的Unity 3D引擎开发技术，因其操作简单、成本低廉、模型适用性强等特点备受三维模型开发者喜欢[8]。此外，还可以将其与3DS MAX、Maya和Rhino等渲染软件结合起来使用，开发出真实度较高的三维模型产品[9]。课题组利用3DS MAX开发的三维场景如图3、图4所示。感知交互的实施是虚拟现实课程教学的关键，目前虚拟现实环境中的交互主要借助3D体感摄像机、操作手柄和手套等实现[10]。

图3 客滚船舱室三维场景 图4 船舶锚机三维场景

结合课程教学大纲，实施该课程虚拟现实教学的三维模型主要包括三维视景模型、三维船舶模型、码头设施模型和装卸设备模型。三维模型的构建应适应教学内容的要求，例如根据船舶结构设备认知的需要，三维船舶模型应由船舶总体结构(船艏、船艉、甲板、机舱、生活区、驾驶台等)、舱室结构(货舱、顶边舱、底边舱、压载舱、艏尖舱等)、船舶设备(主机、辅机、锚机、舵机、系泊设备、救生设备等)组成，并且可以借助VR设备进行三维漫游展示或操作。

在课程安排方面，依托交互式的三维模型资源，结合课程内容与教学要求安排实验，学生可以借助VR设备在全场景交互式虚拟认知平台上进行操作练习，以达到更好地掌握所学内容的目的。基于虚拟现实技术的全场景交互式船舶认知实验教学情景设计见表2。

表2 基于VR的全场景交互式船舶认知实验教学情景设计

(四)考核与评价

考核与评价是课程教学不可或缺的部分，考核形式、评价方法与评价标准直接决定了课程教学的好坏。在本门课程中，考核的内容应紧密贴近教学大纲，以课程培养目标为指导，结合认知与实践的特点，设置任务清单型的考核内容，侧重评价学生的知识掌握能力和动手实践能力。考核方式可以针对每一项操作任务预设好得分项和扣分项进行计算，最后系统自动统计总体得分。除此之外，以上内容还应根据上课情况进行及时完善和修订。

五、结语

针对船舶认知实验课程的教学现状，本文结合课程培养大纲目标，从课程总体设计、教学内容安排和教学组织三个方面提出了课程教学改革思路，构建了基于虚拟现实技术的全场景交互式船舶认知平台框架，并给出了具体实施方案。教学改革目标明确、针对性强，为解决学生课堂参与度低、学习积极性不高、教学效果差等问题提供行之有效的思路。鉴于各校依托的平台、资源不尽相同，在课程具体改革实践中需结合实际情况，制订具有自身特点的改革方案，以满足不同培养目标条件下的教学需求。