虚拟仿真技术在高职船体装配教学中的应用

郭明慧，孙 超，江 帆

九江职业技术学院，江西 九江 332007

0 引言

目前国内对虚拟仿真技术在普通教育中的应用研究主要集中在学科教学实践、虚拟学习资源建设、虚拟仿真应用理论探索、虚拟实训室建设等方面[1-2]。针对应用虚拟仿真技术的课程改革研究较少，仍处于起步阶段。

船体装配课程教学主要采用线上线下混合式教学模式，课程资源仅限课件、教案、视频等二维资源和部分三维动画等，从而在课程教学中表现出实物难见、模型失真的问题，导致课堂教学效果不理想，难以激起学生的学习兴趣。目前又受到新冠疫情的影响学生很少有机会到船厂开展实训任务，从而导致实践环节效率低、效果差、机会少、难以全面直观学习完整船舶装配知识等问题。为此，九江职业技术学院开展相关的虚拟仿真实训室项目建设，将虚拟仿真技术融入教学，充分挖掘虚拟仿真实训室的作用，通过其沉浸性、交互性和构想性的特点，让学生全身心投入到三维虚拟船舶装配场景中，提高学习效率和兴趣，使学生能够更好地掌握相关技术技能，从而培养出适应企业岗位需求的技术技能人才。

1 课程分析

船体装配课程以船体装配工作过程为主线，设计船体构件加工、船体部件装焊、船体分段装配和船台合拢总装四个模块，如表1 所示。在每个模块中先进行理论知识讲解，再通过虚拟仿真训练加深对理论知识的理解，并掌握船体装配课程中的实际装配流程。通过对学生运用船舶建造虚拟仿真系统的考核情况进行分析，为后续学生的船体装配实物实训课程的安排提供依据。

表1 船体装配课程安排

2 课程案例

本文以船体装配课程中的分段装配——双层底分段的教学内容为例。双层底分段的装配方法一般有正造法、反造法以及框架式建造法。本次内容要求学生正确掌握船体底部分段在不同装配方法下的装配工艺过程。

本教学内容大致可分为四个部分，分别是：教师进行理论知识讲解；学生自主在学生端进行练习操作；学生以小组为单位在测评端进行小组PK 赛；总得分较高的小组在虚拟仿真系统上进行协同交互装配操作。

3 虚拟互动实践过程

本次教学活动的实践课程主要包括知识回顾、虚拟演示、学生练习、小组PK 赛、虚拟协同交互和考核反思六个环节，每个环节的具体情况与船舶建造虚拟仿真实训系统的应用如下：

3.1 知识回顾

教师在线上平台设置了课前问题，根据学生回答问题的正确率分析学生对知识点的掌握情况，从而引导学生回忆理论课程中讲解的双层底分段的装配方法与装配工艺过程。

3.2 虚拟演示

教师运用系统的教学指导功能演示操作流程，在演示过程中，教师应强调前期场地、装配方式、工艺装备、装配工具的选择，以及后续的装配工艺过程。

3.3 学生练习

通过观看教师的虚拟演示，学生对操作过程已经有了大致了解。随后学生独自进行虚拟练习。学生在操作过程中遇到的问题可及时反馈给教师，教师耐心解答并记录问题。

3.4 小组 PK 赛

学生经过练习，基本掌握了底部分段的装配顺序。之后以小组为单位进行PK，小组成员进入测评端测评，学生选择训练测评后，整个流程只能按顺序进行，如果操作错误，系统会进行错误提示，并在评分系统中记录、扣分，每个操作步骤最多可错三次，用户需选择正确的选项才可进行下一步，当流程操作完毕后，系统会给出评分界面，并给出操作中正确和错误的步骤，最后记录每组成员的得分情况及各个小组的总成绩，成绩第一的进行虚拟仿真协同交互训练。

3.5 虚拟协同交互

每个小组成员依次担任火工、装配工、起重工、电焊工、打磨工的工作。他们相互协作，共同完成分段的装配工作。教师端记录每个小组的用时及每个学生的出错情况。

3.6 考核反思

教师总结学生在虚拟仿真环节中的优缺点，并记录每组成员的工作内容与占比。最后进行本节知识点的回顾总结，对各小组进行评分。

4 虚拟仿真技术融入船体装配课程的效果

将船舶虚拟仿真系统引入船体装配课程可以给课程带来很多新的改变：第一，学生可将所学的理论知识应用于虚拟仿真操作，更直观地了解船体装配；第二，利用虚拟仿真技术“沉浸、交互、感知、智能”的特点，打破传统教学模式下“船厂环境难感知、船舶细节难认知、实际工作难体验”的桎梏；第三，虚拟仿真系统的互动功能为学生提供了虚拟操作机会，通过人机互动解决传统教学模式中互动方式单一、课堂活跃度和表现力不够、课堂效果不理想以及学生对理论课程学习动力不足、兴趣不高的问题；第四，虚拟仿真系统的考核功能验证了学生学习的有效性，将成绩作为后续学生船体实物装配的依据。经过实践发现学生在后续的实物实训中正确率与效率较之前都有所提高[3]。

应用虚拟仿真系统进行教学有其自身的优点，但在开展实践教学的过程中，发现了一些通识性问题。

第一，大部分学校的交互虚拟仿真设备无法满足一个班（50 人） 同时开展训练学习，因此要特别关注教学活动设计，确保在有限的资源下达到最佳的教学效果。船体装配课程教学中采用逐步递进的学习方式，先通过相对简单的桌面AR 系统学习基础知识，学习活动中引入竞争机制，团队积分较高的小组进入第二阶段的交互式虚拟仿真学习阶段。同时课后开放实训室，学生可在课后时间自主去实训室进行交互式虚拟仿真模拟操作。

第二，如何确保学生在“玩”中学且达到既定的学习成效，也是虚拟仿真技术应用过程中必须解决的问题。课程实践过程中以学生学习成果目标为导向，认真推敲虚拟仿真教学活动的难易程度，将教学活动分成若干个10～15 分钟的小活动，每个活动设定可量化的输出成果，同时要求学生根据虚拟场景中生产要素，给出选择此种装配方式的依据，促使学生在“玩”的过程中深入思考知识内容，以保证良好的学习效果[4]。

第三，虚拟仿真教学活动并不能替代传统实训教学活动。目前在教学中利用虚拟仿真技术可帮助学生提前掌握实训过程中的关键知识，并且还可通过对虚拟仿真实训课程中的成绩进行分析来指导传统实训教学的分组与工作安排。但目前还没有做到虚拟仿真教学与传统实训项目有机融合，甚至出现了“虚实分离”的现象，这还需要进一步统筹规划，以便真正做到“虚实”结合。

5 高职船体装配课程开展虚拟仿真教学建议

首先，学校应加强与相关企业的交流合作，了解虚拟仿真系统的发展情况，不断更新虚拟仿真资源以便更好地服务教学；同时，积极与船厂开展交流活动，了解船舶行业的需求，从而更好地安排船舶虚拟仿真项目，保证教学项目与生产实际紧密相连。其次，与其他高职院校合作，相互学习，共享资源，共同进步。最后，教师和学生应增强学习现代教育技术的意识，明确各自目标，最终才能将虚拟仿真技术更好地融入教学，从而提升课程教学效果。