虛擬仿真實驗室輪機(jī)自動化課程教學(xué)設(shè)計

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［摘要］隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對于輪機(jī)工程課程的教學(xué)模式進(jìn)行深度挖掘已經(jīng)成為航海類院校教育體系較為重視的問題?；?a href="http://www.mug-factory.cn/lunwen/jxsjlw/157873.html" target="_blank">虛擬仿真實驗室進(jìn)行輪機(jī)自動化課程教學(xué)成為目前本專業(yè)課程的一種新實踐。通過對輪機(jī)自動化課程應(yīng)用虛擬仿真實驗室開展教學(xué)的可行性進(jìn)行分析，探討了課程設(shè)計的關(guān)鍵問題，進(jìn)而提出了具體的設(shè)計策略。以期提升輪機(jī)自動化教學(xué)的效率，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)與發(fā)展。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真實驗室；輪機(jī)自動化；課程設(shè)計

一、引言

輪機(jī)自動化是隨著船舶現(xiàn)代化發(fā)展而產(chǎn)生的課程，是輪機(jī)工程專業(yè)的核心課程，該課程有兩個顯著的特點：一是內(nèi)容廣泛，機(jī)艙內(nèi)有各種機(jī)電設(shè)備，多數(shù)機(jī)電設(shè)備需要一個或多個控制系統(tǒng)才能正常運行，課程涉及各種類型的自動控制系統(tǒng)。二是理論性極強(qiáng)，輪機(jī)自動控制技術(shù)的基本是自動控制理論，無論是經(jīng)典控制理論，還是現(xiàn)代控制理論，都需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具、邏輯代數(shù)、數(shù)字電路等基礎(chǔ)知識。而虛擬仿真實驗室教學(xué)的開展，可以提供良好的專業(yè)實驗條件和實驗設(shè)施并且對教學(xué)平臺的利用率高，成為輪機(jī)自動化教學(xué)新方向。因此，本課程的設(shè)計將虛擬技術(shù)與輪機(jī)自動化實驗實踐教學(xué)相結(jié)合，利用現(xiàn)有的船舶機(jī)艙虛擬仿真實驗構(gòu)建輪機(jī)自動化課程的虛擬仿真實驗室，授課內(nèi)容緊貼前沿技術(shù)，在教學(xué)方式上推動學(xué)生進(jìn)行虛擬實驗的獨立操作，可大大提高輪機(jī)自動化授課的效果，大幅增強(qiáng)課堂中學(xué)生的直觀體驗。

二、輪機(jī)自動化課程現(xiàn)狀分析

（一）教學(xué)資源現(xiàn)狀“輪機(jī)自動化”課程是獲得船員適任證的必修科目，在現(xiàn)有的教學(xué)體系下，輪機(jī)模擬器實訓(xùn)室是教學(xué)的關(guān)鍵，主要在于課堂理論知識的實踐運用，其教學(xué)資源體系主要有校內(nèi)講義、課件，校外網(wǎng)課，相關(guān)技術(shù)實踐、輪機(jī)模擬器等，雖然在傳統(tǒng)的教學(xué)資源投入力度都很大，可是在船舶機(jī)艙虛擬仿真這一塊沒有深度涉及。而且這門課程的綜合性很強(qiáng)，目前的教學(xué)資源并不滿足實際需求。還受船舶自動化水平飛速發(fā)展的影響，其教學(xué)資源面臨著世代交替快，缺乏實例等問題，同時實踐階段授課時間比例小，學(xué)生數(shù)量多，實驗教育跟不上船舶設(shè)備發(fā)展的新趨勢，應(yīng)對能力也偏弱。因此，如何圍繞船舶動力裝置知識點設(shè)計輪機(jī)自動化教學(xué)內(nèi)容，使之適應(yīng)海事專業(yè)的課程體系并培養(yǎng)學(xué)生在實踐中分析問題，解決問題的能力，是教學(xué)質(zhì)量不斷提高所要解決的重要問題。

（二）教學(xué)模式現(xiàn)狀在理論教學(xué)方面，現(xiàn)有的輪機(jī)自動化課程分為理論講授和實踐教學(xué)兩個方面，單獨設(shè)置輪機(jī)自動化教學(xué)課程體系設(shè)置的缺點是破壞了海事工程系統(tǒng)的整體概念，各課程之間缺乏相互聯(lián)系性，不利于學(xué)生對綜合課程的理解，再加上缺乏綜合性教學(xué)手段，專業(yè)課程知識聯(lián)系不上，學(xué)生學(xué)習(xí)效率明顯偏低。在實踐教學(xué)方面，輪機(jī)模擬器仍是航海類專業(yè)訓(xùn)練的重要設(shè)備。一般的實踐教學(xué)模式就是圍繞著大型輪機(jī)模擬器系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)可對船舶柴油機(jī)及其遙控系統(tǒng)進(jìn)行仿真和演示，監(jiān)控主機(jī)情況，并對船舶電站進(jìn)行集中監(jiān)測和報警。對燃油，壓縮空氣和壓載水系統(tǒng)等相應(yīng)的功能進(jìn)行仿真。學(xué)生通過輪機(jī)模擬器的操作，掌握輪機(jī)自動化理論的具體應(yīng)用，對于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)是理論課程無法替代的。但實驗時間有限，實驗與講義完全分離，所以輪機(jī)模擬器的效果不佳，同時涉及設(shè)備的安全問題，實驗室開放性不足，學(xué)生對實驗設(shè)計的自由度不夠。因此，加強(qiáng)利用實驗室教學(xué)資源，開發(fā)模擬仿真實驗室這類更加高效且安全的教學(xué)方式，是教學(xué)效果優(yōu)化的關(guān)鍵。

（三）虛擬仿真教學(xué)平臺現(xiàn)狀隨著輪機(jī)自動化課程教學(xué)的發(fā)展，我國的航海院校對虛擬仿真的教學(xué)平臺建設(shè)越發(fā)重視，其中大連海事大學(xué)發(fā)揮了龍頭效應(yīng)，在2012年先研發(fā)建立了DMS系列虛擬機(jī)艙資源管理系統(tǒng)，并成為國家精品課。隨后將此系統(tǒng)推廣到其他海事高校并達(dá)到了實操階段。如天津海運職業(yè)學(xué)院和浙江海洋大學(xué)分別向大連海事大學(xué)采購了虛擬現(xiàn)實型輪機(jī)模擬器。這種輪機(jī)操作虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)由半實物輪機(jī)模擬器，二維軟件，三維軟件與管理軟件四個部分組成，以滿足學(xué)生日常教學(xué)訓(xùn)練的需要，因此，基于此現(xiàn)狀下，構(gòu)建虛擬仿真實驗室并入輪機(jī)自動化課程教學(xué)成為可能，為課程設(shè)計提供了重要的建設(shè)基礎(chǔ)。

三、虛擬仿真實驗室適用于輪機(jī)自動化課程的可行性分析

1.本次教學(xué)課程設(shè)計的重點在于虛擬仿真實驗室的構(gòu)建，即在網(wǎng)絡(luò)模塊化的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，網(wǎng)絡(luò)模塊的升級和功能擴(kuò)展均為原設(shè)備上的擴(kuò)展，各模塊可單獨訓(xùn)練或在線訓(xùn)練。虛擬仿真實驗室的虛擬實驗不僅可以再現(xiàn)模擬器實驗的所有功能，還可以用于網(wǎng)絡(luò)模擬實驗訓(xùn)練和遠(yuǎn)程輪機(jī)模擬實驗教育，因此在本教學(xué)設(shè)計中，將虛擬仿真實驗室導(dǎo)入教學(xué)是完全可能的。2.傳統(tǒng)的輪機(jī)自動化課堂學(xué)習(xí)過程分為兩個階段：信息傳遞和吸收。前者是通過師生之間的互動來實現(xiàn)的；后者是課后由學(xué)生自行完成。由于指導(dǎo)和幫助不足，學(xué)生在吸收內(nèi)化階段往往會出現(xiàn)問題。而虛擬仿真實驗室的輪機(jī)自動化課堂重建了學(xué)習(xí)過程。信息傳輸是基于諸如教師在授課前提供的相關(guān)教學(xué)資源，然后由學(xué)生自主在虛擬仿真實驗室內(nèi)進(jìn)行自我探索與完善的。而吸收內(nèi)化是通過授課中的互動以及相關(guān)實驗體驗之后所得，因此，在這個過程中，教師也能夠事先理解學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀以及存在的問題，進(jìn)而在實驗后的授課中進(jìn)行有效的指導(dǎo)，同時仿真實驗進(jìn)行時學(xué)生之間的相互交流也有助于促進(jìn)知識的吸收內(nèi)化。3.關(guān)于我校輪機(jī)自動化教學(xué)引進(jìn)虛擬仿真實驗室也是具有可行性的，學(xué)校是海洋運輸工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的實際參與者，曾參與過相關(guān)實驗室的場地落實，功能布局和軟硬件系統(tǒng)分采購與安裝等工作，因此對于本課程的設(shè)計具有一定的基礎(chǔ)。另外，學(xué)校實驗室建設(shè)資金充裕，購買相關(guān)裝置和設(shè)備不存在經(jīng)濟(jì)上面的困境，因此對于課程設(shè)計有較大助力。最后，經(jīng)過相關(guān)調(diào)研，輪機(jī)自動化相關(guān)專業(yè)的學(xué)生對于虛擬仿真實驗室的建設(shè)持有很高的熱情，完全有利于其后教學(xué)工作的順路開展。綜上所述，基于虛擬仿真實驗室的輪機(jī)自動化課程教學(xué)無論是從師資上，教學(xué)設(shè)施上，還是教學(xué)資源、資金支持等方面都具備一定的可行性，且相關(guān)專業(yè)學(xué)生也對此持有極大的熱情，為該課程設(shè)計提供了可靠的保證。

四、基于虛擬仿真實驗室的輪機(jī)自動化課程的教學(xué)設(shè)計

本課程設(shè)計在講授內(nèi)容上的框架和結(jié)構(gòu)不僅符合學(xué)生綜合技能的培育規(guī)范，而且更加貼近實際的工作任務(wù)或工作場景，通過順序教學(xué)內(nèi)容和科學(xué)設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)，將船舶輪機(jī)自動設(shè)備工作機(jī)理理論和自動控制系統(tǒng)實訓(xùn)的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生具有機(jī)艙自動控制系統(tǒng)工作流程分析能力和較強(qiáng)的邏輯思維，故障判斷能力，進(jìn)而培養(yǎng)自動化船舶管理人員一定的分析和解決問題的能力。

（一）多種教學(xué)方法的結(jié)合利用運用案例分析法教學(xué)?；谔摂M仿真實驗室的進(jìn)行案例分析法教學(xué)，即對學(xué)生仿真實驗中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，然后引出相關(guān)理論知識的教學(xué)，進(jìn)而進(jìn)行分組討論與分析，得到一定結(jié)論后，讓學(xué)生再次進(jìn)行仿真實驗，驗證所思所想，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度知識拓展，引發(fā)學(xué)生自我探索的欲望，自行探索與尋求答案。展開角色模擬教學(xué)。建立了一個真實的工作環(huán)境，開拓了學(xué)生的思路，提高了學(xué)生的實踐技巧，實現(xiàn)了輪機(jī)自動化教育的直觀性和交互性，推進(jìn)了自我控制理論與實踐的結(jié)合。例如，“宏管輪”應(yīng)該基于與主機(jī)啟動相關(guān)的條件來判斷主機(jī)啟動邏輯條件的滿足，能夠基于預(yù)先設(shè)定的故障來解析的判斷，并進(jìn)行與之相應(yīng)的故障排除。通過情景任務(wù)與生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的有機(jī)結(jié)合，大力鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的綜合能力。

（二）現(xiàn)代教學(xué)手段的充分運用充分利用多媒體教學(xué)手段。自主開發(fā)和應(yīng)用的多媒體教材將以往抽象枯燥的說教轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦拥膭討B(tài)演示和講課，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為接下來的虛擬仿真實驗奠定堅實的基礎(chǔ)。深度進(jìn)行仿真實驗。關(guān)于輪機(jī)自動化設(shè)備的仿真操作，使用和維護(hù)等，利用虛擬仿真實驗室反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練，直到熟練為止即在教學(xué)過程中，實現(xiàn)“教，學(xué)，做”一體化的工學(xué)結(jié)合教學(xué)模式，加深對學(xué)生所學(xué)理論知識的理解，提高實踐能力。最后，把相關(guān)教學(xué)課程放到網(wǎng)絡(luò)課堂，以便學(xué)生課后進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，也能及時的反饋學(xué)生的知識技能掌握情況。具有教學(xué)實踐路線圖（如圖3所示）。

（三）構(gòu)建多元評價體系一個優(yōu)秀的課堂教學(xué)設(shè)計，除了充分利用好教學(xué)資源，即虛擬仿真實驗室之外，還要注重學(xué)生的多元化考核評價體系，這是對于教師教學(xué)，以及學(xué)生知識掌握度反饋的一個有效手段。因此，建立完善的學(xué)生考核評價體系是綜合評價本課程教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的重要準(zhǔn)繩之一。這門課的成績是由專業(yè)知識和專業(yè)能力兩個部分構(gòu)成的。其中，專業(yè)能力的實際操作評價采用卡片提取方式，根據(jù)提取的卡片具體內(nèi)容進(jìn)行虛擬仿真實驗室的隨機(jī)測試。評估主要從以下幾個方面進(jìn)行綜合評估：職業(yè)責(zé)任感和認(rèn)真工作的作風(fēng)能力，獨立達(dá)成任務(wù)的能力，討論與回答問題的能力，仿真實驗中具體項目的協(xié)作能力，虛擬仿真實驗的實際操作能力。這注重實踐能力的評價體系更加有利于課堂教學(xué)的深入開展，有利于學(xué)生的動手學(xué)習(xí)能力的提升。相互之間的關(guān)聯(lián)如圖4所示。

五、結(jié)語

采用虛擬仿真實驗室來進(jìn)行輪機(jī)自動化教學(xué)的相關(guān)改革探索，首先改變了原本傳統(tǒng)教學(xué)方式枯燥的授課方式，增強(qiáng)了學(xué)生對于輪機(jī)自動化的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。其次采用虛擬仿真實驗室能使輪機(jī)自動化課程更加貼近于實際操作，避免了教學(xué)發(fā)生閉門造車的情況，使得學(xué)生進(jìn)入工作時可以更快適應(yīng)。最后通過虛擬仿真實驗室輪機(jī)自動化課程教學(xué)的具體設(shè)計，可以有效地掌握學(xué)生對所學(xué)知識的掌握情況，對學(xué)生的最后成績打分更加客觀和多元。這種基于虛擬仿真實驗室的教學(xué)設(shè)計有利于加強(qiáng)學(xué)生的興趣，以及加深理論知識的吸收和動手能力，進(jìn)而促進(jìn)課堂的高效展開。

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作者：葛子恒 王帥軍 龔雅萍 高超楠 單位：浙江海洋大學(xué)