VR技术在船舶结构与货运课程教学中的应用分析

陶肆 邓华 程嘉庆 毛奎

摘 要：随着全球海洋运输需求持续升高，我国航运业的快速发展，对高质量的海运人才的需求也在日益增加，而借助新兴技术灵活开展航海类专业课教学，增强航海专业教育成效显得非常重要。VR技术（Virtual Reality Technology）是一种软件系统，利用电脑、图形处理、多媒体感应、Web等技术对虚拟世界进行创建和体验。本文将结合船舶结构与货运课程教学现状及VR技术的应用优势，分析VR技术在船舶结构与货运课程教学中的应用价值，相关成果可为船舶结构与货运课程教学提供更多帮助，同时也为航海类专业课程教学改革提供了新视角。

关键词：VR技术；船舶结构与货运；教学改革；分析

1 概述

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，VR）以计算机技术为基础，可进行实时、实地、实景的虚拟仿真转换，让用户沉浸在虚拟环境中自主学习，以大数据的网络系统为载体。VR技术是对3D技术的重建，可以实现三维体验，在3D中实现逼真的操纵感，以身临其境、互动性强、感性多、观念强、自主为特点。随着5G和虚拟技术的发展，越来越多的VR技术涌现出来，包括动态环境建模、实时3D图形生成、操作系统开发、合成系统技术等，目前应用场景比较丰富的有航海、航空、医疗、矿藏、工程、教学、军事等领域。［1］

2 VR技术在教学应用中现状分析

VR技术可以用于医疗上的远程会诊、工程领域的技术分析、复杂构件和危险环境教学上的虚拟仿真等众多领域。其中，协同虚拟现实工作是VR技术研究和应用的热点，它引出了包括人的因素和网络、数据库技术等［2］在内的新的应用技术。它需要考虑的是，在共享空间内，多个用户之间如何互动，如何在多个用户的共同作用下有所表现。因此，对VR技术在教学中的应用进行研究意义重大。

最近几年，很多基于VR技术的学者在教学和研究方面做出了很大的贡献。秦咏梅以实际VR技术的积极探索为基础，对汽车教学实训课程中VR虚拟仿真的主要方式和设计进行分析，以兴趣为基础，以任务为主导，反复演练，强化技能，增强学生的职业意识，启发学生的学习兴趣，进而提高专业操作课程的教学效果。［1］崔江红等为满足教学和实际训练使用而开发了一套虚拟模拟操作系统，［3］用户能在该虚拟仿真交互系统中完成“真实”工艺实验，能作为机械类课程直观展示的教学模块，能作为教师、学生的科研、学习渠道，在人机交互下高效率地开展工程数据设置、研究等。由于现在航海类高职高专大院校多缺乏教学实习用船，这给学生学习船舶构造和航海知识造成了很大的困难，张如凯等采用Multigen Creator进行建模，经过模型优化和格式转换，从而解决了此类教与学中的疑难问题。利用Unity3D这一跨平台虚拟现实应用开发引擎来完成虚拟舰船平台的搭建，并解决教学资源匮乏的问题。伊善强等以现代全景模拟导航技术为基础，利用船舶构造和装备课程教学中遇到的实际需求高的问题，研制出360°全景船舶导航系统。［4］在讲授船舶构造和货运课程时，这套系统可以让学员在实际操作能力方面有所提高。通过在船舶构造和货运课程中构建三维船模的虚拟仿真，提高学员对空间的理解力，让学员更好地获得真实感和体验感。蒋效彬等根据船舶锚机教学训练中锚机设备笨重、结构复杂、学生操作风险大的现状，提出锚机交互仿真系统应用虚拟现实技术的方法。［5］为船舶锚机开发的三维互动操作系统，可模拟船舶锚机使用的全过程，满足新的教学需要和实际操作演練。王在高等从海事院校实船教学设备不足，师资力量缺乏企业一线实践经验，大多停留在应试教育等方面分析船舶结构与货运课程在教学实践中存在的多种问题，并从理论和实践教学两个方面提出了VR技术在船舶结构与货运课程教学中的应用优势［6］。刘松等采用虚实结合的教学模式，仿照货舱内声波传播的路径，将VR技术引入声学实训教学中。［7］采用虚实结合的真实实验模型和模拟情景教学模式，提高学生学习的积极性，使学生对理解音波传播路径、货舱噪音等理论知识有了更深的理解和理解。

基于以上的研究，VR虚拟技术在教学中的运用已经越来越完善。本文结合航海类专业教育教学特点，深度探析VR技术在船舶结构与货运课程设计与教学中的应用。教师充分发挥VR技术的应用价值，可以使船型结构和货运型教学效果得到显著增强，对于学生高效学习和精练练习都有很大的帮助。

3 船舶结构与货运课程教学概述

3.1 课程内容及特点

船舶结构与货运课程是依据STCW公约及海船船员培训大纲（2021）涵盖的内容，按以往的教学安排，船舶结构一般安排在大学一年级进行学习。而海上货物运输安排在较高年级教学的主要专业课程，两门课程结合紧密，与船舶应用性和实践性较强，船舶结构与货运课程培训及考试科学合理，是培养航海技术专业能力和职业素质的专业核心课程。

由于船舶结构课程具有很强的空间立体感，学生需要零距离接触船舶，才能对船舶有基本的感性认识。要想取得理想的教学成绩，如果学校没有实船教学是非常困难的。因海运船舶的种类很多，其船舶结构及货舱构造不尽相同，货物包装形式不统一，装卸及运输方式相差甚远。船舶货运课程目前的课程内容涉及几种主要的船舶类型，例如：客船、杂货船、集装箱船、散货船、矿砂船、滚装船、木材船、冷藏船、多用途船、油船、液体化学品船、液化气船、挖泥船、工程船、公务船等。因每一种船舶结构与设备都不一样，即便学校有教学实习船，也很难有全门类的船舶类型，所以虚拟仿真技术（VR）在船舶结构与货运课程教学中作用明显。

3.2 课程教学现状分析

由于船舶结构与货运课程开设较早，该门课程存在一定的特殊性，其在实际的教与学中存在着许多问题，本文通过从学生的学和教师教两个方面深度剖析该课程在实际教的教学现象。

3.2.1 学生专业基础缺乏

由于学生缺少船舶的感官认识，更缺乏相关专业知识，对实船的认知欠缺。所以该课程的前期教学是比较困难的，甚至会对学生的积极性造成影响，尽管学生和教师都付出了大量的时间和精力，教学效果不佳。

3.2.2 专业教学资源紧缺

海事院校常规教学过程中，实船教学设备及教学资源相对缺乏，特别是上船教学过程太少，教学过程很难理论联系实际。船舶结构与货运课程的知识点均围绕船舶实际进行教学。全国航海类院校拥有自己教学实习船的学校相对较少，即使有教学实习船的学校，也很难满足大规模的教学实习，因为一艘教学船同时能容纳几十到一百多名实习生。传统的教学方式都是学生学完所有的专业课以后再上船实习，过程枯燥乏味。目前各航海院校的船舶结构与货运课程教学以多媒体讲授为主，实操、实训为辅，学生难以体会真实船舶沉浸性、交互性。

然而，随着高考扩招和职业教育的大力发展，学生在校学习时间相对较短，航海技术专业的教学资源捉襟见肘。

3.2.3 实践教学环节薄弱

船舶结构与货运知识点较多，大多需要通过真实的观看和实际操作，如船舶货舱构造、锚机设备、舱盖设备、救生设备、系泊设备、舵设备、起重设备、系固设备等，才能真正理解和掌握到感官上的认识，才能有效理解构造知识。这些相关知识，如果实地参观，并在实船上操作，就能做到心中有数，融会贯通。由于实船教学及实训基地较少与过多的学生学习需求存在矛盾，使得大多数船舶结构与货运课程教学停留在理论知识的教学的阶段，需要学生去发挥空间想象或者死记硬背。［8］让一堂精彩绝伦的实战课变得索然无味，新意不足。并且船舶结构与货运课程的实训课很多，目前各院校课程安排以设备或者模拟实验室为主，上船参观及实习为辅。近几年，无法安排学生到船舶实训，在线学习是完美选择，也规避了实船实习的风险。

3.2.4 课堂教学存在不足

现在教材内容相对枯燥，多媒体内容相对单一，导致学生缺乏深入学习的动力。尤其是遇到大量晦涩的专业结构术语、种类繁多、结构复杂的设备及其组成、种类繁多、种类繁多的不同运输时。以课堂教学为主要手段的教学活动，是教师教学联系学生学习的一种双边活动。［9］

专业课程教学以课堂教学为主阵地，目前船舶结构与货运课程的课堂教学存在诸多不足。教师忽视学生是课堂主体，学生失去自主性，对课堂没有沉浸感，对于船体结构及货物特征这样晦涩难懂的课程，听起来会十分吃力。课堂教学呈现的内容不具重復性，根据记忆曲线原理，知识的获取都需要反复学习、记忆及理解。在课程教学中，实训课程考核也是一个重要的模块。［1］无论是学校组织的结业考试还是海事局组织的适任考试，学生只求通过考试，而不求对知识的真正理解、掌握。尽管这样学生可以通过考试，但是知识还是掌握不牢固，实际效果不佳，而通过引用VR技术可以很好地解决此类问题。

4 VR技术应用于船舶结构与货运教学优势

可以通过计算机模拟技术，实现船舶狭小空间漫游，在观者眼前形成一个虚拟的逼真的船舶货舱及货物内外结构，使人有身临其境的感觉，动态模拟与仿真来进行船舶结构与货运课程的教学可以激起学生的学习兴趣，提升教学效果。

4.1 教学内容视觉化变优

以往教学过程中主要采用以下方法，使学生在结构中感受到每个构件的立体感官认识：利用每个构件的画面，通过PPT进行播放，在船舶结构与货运课程教学中，经常要使用实船构件模型，如球鼻艏、首尖舱、螺旋桨、舵叶、锚等。但这样的展示只能提供对空间缺乏认知作用的平面视角，模式化教学除了视角不同，在不同位置的学生眼中也各有不同，不失为一种好用的方法。而且并不是所有构件都有相应的教学模型，通过电脑多维建模，建立立体模型，再将任意视角通过旋转的方式展现出来，可以说是一种相对理想的方式，但也有严重的不足之处。由于动画是预先设定好的，不能任意更改过程，使用时需要学生暂停，缺乏交互感。

4.2 学习中的交互性变好

在教学中，我们需要把这些立体空间呈现给学生，但因为没有实船，所以不可能让学生进入这些立体空间。在以往的教学中，学生的空间想象是通过教师的讲述来启发的，一个虚拟的空间是让学生想象出来的。比如，让学生在水里看船底，在船底构造教学是不可能的，双层船底结构授课，学员无法全部钻进双层船底舱进行实物观摩。在教学中运用虚拟现实技术，既能让学生想象出船的空间，又能使学生看得见、听得见，甚至触手可及。这些教学立体空间都是利用虚拟现实技术精确构建出来的。走进这个完全虚拟的世界，学生会有一种身临其境地观察各种船底构造、双层船壳构成的感觉，仿佛置身于实船立体环境之中。对传统理论教学的革新和挑战，无疑这种虚拟情境的教学是独特的。

4.3 学习沉浸真实感变强

多维虚拟仿真场景（MultiVirtual Simulation）是指在现实生活中可能出现的一些场景，在不同的时间或地点通过虚拟仿真技术进行展示。在船舶结构与货运课程教学中，船舶结构的重点可分为常识、船舶结构、锚泊设备、救生设备、上层建筑等，兼顾了实际船舶工作的实际需要。设置虚拟模拟教学场景，把真实的作业状态在船舶的实际工作中构建成一个场景。场景包括船舶靠离码头、船舶抛锚起锚、船舶消防救生演习等，像自己在船上工作、亲身体验一样，通过学生观察虚拟场景。学生通过这些模拟情景教学，对结构和器材有了更好的了解，对装卸货物的操作也比较熟悉。

基于以上分析，通过VR技术搭建全面、真实的教学环境能够很好地弥补船舶结构与货运课程教学中存在的不足。同时，引入VR技术和“互联网+”技术，能够在专业教学内容深度提升、教学平台拓展等方面很好地改善航海类专业课的教学条件。

结语

随着世界海运的快速发展以及科学技术的日新月异，基于VR技术的教学技术将很快成为航海类专业教学的重要方式。通过VR技术的构建和模拟，船舶结构与货运课程的教学更加轻松自如，增强了课程的立体感、互动感和即视感，极大提高了课程的教学效率。通过VR技术的运用，学员更好地体验到课程教学的每一个环节，更直观地感受和感悟到专业知识的学习，从而更加得心应手地掌握复杂难懂的专业知识。目前，随着VR技术的不断完善和发展，计算机软件和硬件设备价格下降，通过合理有效的教学设计，制作更多的教学资源，VR技术可为航海类专业教学提供强有力的辅助作用。

参考文献：

［1］秦咏梅，周定武，胡鸿飞.VR技术在汽车专业的教学探索［J］.科技创新导报，2020，17（17）：209210.

［2］刘希.基于VR技术的设计学类人才培养模式创新融合与发展［J］.明日风尚，2016（23）：26.

［3］崔江红，吴孔燃，张海城，等.基于VR的针刺机虚拟仿真实验教学系统［J］.机械工程师，2021，3：2629.

［4］伊善强，崔刚.基于Pano2VR全景技术的船舶结构与设备课程教学研究［J］.青岛远洋船员职业学院报，2017，38（4）：3539.

［5］蒋效彬，谭家万，任鸿翔，等.基于虚拟现实技术的船用锚机交互仿真系统［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2019，38（6）：1216.

［6］王在高，张小兰.三维立体虚拟技术在高职专业实训教学中的应用——以《船舶结构与货运》课程为例［J］.产业与科技论坛，2017，16（6）：164165.

［7］刘松，陈文炯，高健桐，等.基于VR技术的舱室声波传播途径实验教学研究［J］.实验室科学，2019，22（4）：14，9.

［8］马文耀.虚拟现实技术在《船舶结构与设备》教学中的应用［J］．武漢船舶职业技术学院学报，2010，9（06）：108110+113.

［9］吴亚军.从适任考试谈“船舶结构与设备”课程的教学重点［J］．广州航海高等专科学校学报，2004，12（2）：1820.

项目基金：江苏省现代教育技术研究立项课题（2021R90672）

作者简介：陶肆（1977— ），男，汉族，安徽枞阳人，副教授，研究方向：航海安全管理。