（轮机工程专业论文）船舶舵机多媒体教学和故障分析系统研究.pdf

海海事大学硕士学位沦文 摘要 斟际海事组织( i m o ) s t c w 公约9 5 修正案已于1 9 9 7 年2 月丌始履行，修正案 主要着眼于培养多功能、复合型的人才和要求注重适任性能力的形成。这些规则都对 培养航海专业技术人才从质量上提出了新的要求，因此如何通过提高船员培训质量来 执行新公约，贯彻落实规定中的内容，将是我们在教育培训过程中值得探讨的主要问 题。 为此我们提出了改进航海教育与培训的一个设想，即将多媒体技术引人到航海教 育与培训中，以此来促进我们航海教育与培训走向科学化、现代化。在船舶轮机工程 设备中，船舶舵机是相当重要的设备，由于其结构比较复杂，工作过程抽象，一直是 教学中的一个难点。教学质量的好坏决定了学生对液压系统的理解与运用，影响学生 在以后工作中船舶舵机出现故障时能否进行正确的分析和采取有效的行动，以避免事 故的发生，保证正常安全航行。显然，这些技能仅仅通过传统黑板上的教学是难以获 得的。鉴于此，运用现代计算机技术，利用多媒体开发软件开发的研制船舶舵机液压多 媒体教学和故障分析系统用于船员的教学与培7 i l ，以弥补传统教学的不足是很必要 的。将声音、音乐、动画等和数字视频播放等多媒体技术应用到船舶舵机液压系统教 学和培训上，既能展现新颖、优美的学习情景，激发学习兴趣，充分调动主动学习的积 极性，还能扩大信息量，增大课堂容量，加快教学节奏，并且将抽象、复杂问题直观化、 表象化，突破教学难点，提高教学效率。而且，还可以作为诊断分析的一种工具。它根 据所列的故障现象，利用启发式的分析方法和舵机液压故障库的支持，以图文并茂的 方式从不同角度展现故障知识，利用界面和计算机进行信息交流，对整个舵机液压故 障进行分析，起到和在实际工作现场进行培训相同的效果，并加深理解和巩固所学知 识的作用。 本论文紧紧围绕多媒体教学软件进行文字材料的组织，其正文主要由五个部分组 成。第一部分为论文的概论部分，介绍了本研究课题的背景知识和开发研究该项目的 优点和实际意义；第二部分讲述了软件的组成和各个模块功能，并简单介绍了软件所 用的开发工具。在对软件系统组成和功能说明时，着重讲述了软件的两个方面，即舵 机多媒体教学系统和故障分析系统：第三部分介绍了多媒体教学系统的流程图和文字 脚本、图像及动画素材的制作思路和方法并详细讲述了软件各界面特点以及程序的设 计；第四部分介绍了舵机故障分析系统、液压故障分析方法、故障树分析方法在舵机 液压系统应用实例、舵机故障数据库的建立和管理以及系统个界面和程序设计；第五 部分介绍了系统的打包、发行和运行环境；第六部分为论文的结束语，对整个论文的 海海事人学硕士学位论文 完成做了总结并对以后的发展进行了展望。 关键词：船舶舵机，多媒体教学，故障分析，数据库 i l 一 ：海海事大学碗上学位论义 a b s t r a c t t h ea m e n d m e n tb i l lo fs t c w 9 5 ，w h i c hf o c u so nc u l t i v a t i n gm u l t i f u n c t i o n a i p r o f e s s i o n a l sa n de m p h a s i z e s t h ef o r m a t i o no fp r a c t i c a la b i l i t i e s ，h a sb e e np u ti n t o f o r c es i n c e f e b r u a r y 19 9 7 t h o s er u l e sa n d r e g u l a t i o n s r a i s es o m en e w r e q u i r e m e n t s f o rc u l t i v a t i n gp r o f e s s i o n a lm a j o r e di nm a r i n ee n g i n e e r i n g a n dh o w t op e d o r mt h en e wr o l e sa n dr e g u l a t i o n sb yi m p r o v i n gt h et r a i n i n gq u a l i t ya n d i m p l e m e n tt h o s er e q u i r e m e n t s i sw h a tw ew a n tt od i s c u s si nt h e p r o c e s so f e d u c a t i o na n d t r a i n i n g w e t r yt oc o n c e i v eo fa p p l y i n gm u l t i m e d i at e c h n i q u e s t oi m p r o v et h et e a c h i n g q u a l i t yi nm a r i n e e d u c a t i o na n d t r a i n i n g o fa l lt h ee q u i p m e n t so fa u x i l i a r ym a c h i n e ， t h es t e e r i n gg e a ri so n eo ft h em o s t i m p o r t a n te q u i p m e n t ，b e c a u s eo fi t sc o m p l e x s t r u c t u r ea n da b s t r a c tw o r k i n gp r o c e s s ，i ti s a l w a y sd i f f i c u l tf o rs t u d e n t st of u l l y u n d e r s t a n dt h ep r i n c i p l e ，m o r e o v e r ，t h eq u a l i f i e ds e n i o re n g i n e e r ss h o u l dn o to n l y h a v e g o o dk n o w l e d g eo f m a r i n ee q u i p m e n t ，b u ta l s ot h e ys h o u l db eg o o da t t r o u b l e s h o o t i n g o b v i o u s l y ，t h o s e s k i l l sc a n n o tb eo b t a i n e d o n l yt h r o u g h t h e t e a c h i n go nb l a c k b o a r d s ot h et e a c h i n gq u a l i t yo ft h i sc o u r s ew i l ld e t e r m i n et h e s t u d e n t s c o m p r e h e n s i o na n da p p l i c a t i o na b o u tm a r i n ee q u i p m e n t a n di t a l s o i n f l u e n c e sw h e t h e rt h ec r e wc a na d o p tt h ec o r r e c ta c t i o ni nt r o u b l e s h 0 0 “n a0 f s t e e r i n gg e a r t h u s i tb e c o m e st h e k e yp o i n tr e c e i v i n g a l la t t e n t i o nf r o mt h e e d u c a t i o nc o m m u n i t yo fm a r i n e e n g i n e e r i n g f o rh o wt oi m p r o v et h e t e a c h i n gm e a n s a n ds t r e n g t h e ns t u d e n t s c o m p r e h e n s i o na n da p p l y i n ga b i l 时o fr e g u l a t i o n t h e s y s t e mo fc o m p u t e r a s s i s t e di n s t r u c t i o na n da n a l y z i n go ff a i l u r ef o rs t e e r i n gg e a ri s am u l t i m e d i ac o u r s e w a r ea n di ta i m sa tu s i n gt h ea d v a n c e dt e a c h i n gm e a n st o i m p r o v e t h et e a c h i n gr e s u l t s t h i ss o f t w a r ei sm a i n l y c o m p o s e d o ft w o p a r t s ：f i r s ti t i st h et e a c h i n gs y s t e mo fs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fs t e e r i n gg e a r , s e c o n di ti st h e a n a l y z i n go ft h ef a i l u r e t h et e a c h i n gs y s t e mi sm a i n l yi n v o l v e dw i t ht h ec o n t e n to f t h ee q u i p m e n to f s t e e r i n g w i t ha l l a d v a n t a g e so ft h em u l t i m e d i am e a n s t h i s s y s t e me m p l o y sal a r g en u m b e ro fs o u n d s ，p i c t u r e sa n da n i m a t i o n ，m a k i n gt h e w h o l ec o u r s e w a r e v i v i d l ya n dl i v e l y , a n di tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h e t e a c h i n gq u a i l t y t h ea n a l y z i n gs y s t e mo ft h es t e e r i n gg e a rf a i l u r em a i n l ys h o w sa l l k i n d so ff a i l u r ep h e n o m e n o na n dg i v ec o r r e s p o n d i n gr e a s o n s t h r o u g ht h i s w a y , u i t 海海事大学硕士学位沦文 t h es t u d e n t sp r a c t i c a la n a l y z ea b i l i t i e sc a ng e ti m p r o v e d o nt h eb a s i so ft h i ss o f t w a r e ，t h ec h a r a c t e r so ft h ep a p e rm a d eu po fs i xp a r t s m a i n l y ：t h ef i r s tp a r ti s a no u t l i n ep a r to ft h et h e s i s ，i n t r o d u c i n gt h eb a c k g r o u n d k n o w l e d g ea n d t h ea c t u a lm e a n i n go ft h es u b j e c t t h es e c o n dp a r ti n t r o d u c e st h e s y s t e mf u n c t i o n a n dt h ew h o l ef r a m e w o r ko ft h es o f t w a r e t h ef u n c t i o na n d f r a m e w o r ko ft h es o f t w a r ei si n t r o d u c e df r o mt w oa s p e c t sr e s p e c t i v e l yo f n a m e l y t e a c h i n gs y s t e m o f s t e e r i n gg e a ra n dt r o u b l e s h o o t i n gs y s t e m ；t h et h i r dp a r t p r o v i d e st h ef l o w c h a r t sa n di n t e r f a c e s c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r o g r a m m i n go f t e a c h i n gs y s t e m ；t h e t h i r dp a r ti sv e r yi m p o r t a n t ，e x p l a i n st h e t h o u g h t a n dm e t h o d o fs o u n d ，p i c t u r e ，a n i m a t i o nm a t e r i a ia n dt h ec h a r a c t e r ss c r i p to ft h ei n s t r u c t i o n s y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g np r i n c i p l ea n dc o u r s eo fi n t e r f a c eo ft h es o f t w a r e s y s t e m ；t h ef o r t hp a r tp r e s e n t sa l l k i n d so ff a i l u r e p h e n o m e n o na n da n a l y z i n g p r o c e s se x p l a i n i n g t h er e a s o n s b yf a u l t t r e e a n a l y s i s t h e f i f t hp a r ti sac o n c l u s i o n o ft h et h e s i s d i n gc h u n h u i ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yc h e n h u a n q q i a n k e y w o r d ：r u d d e r ，m u l t i m e d i a ，t r o u b i e s h o o t i n g ，d a t a b a s e 论文独创性声明 y 6 4 0 8 5 7 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：工盎耋晕日期：墨兰垒：三r 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文 在解密后遵守此规定。 作者签名：丁庄拯导师签名： 驻缝蹶衅 上海海事人学硕士学位论史 第一章概论 1 1 计算机多媒体教学在航海领域的发展 从诞生第一台计算机到现在的5 0 多年来，计算机技术得到了飞速的发展，其中 多媒体的出现是这个进程中最重要的里程碑之。进入9 0 年代以来，多媒体一词在 计算机界使用频率非常高。简单地说，多媒体就是将各种媒体组合在一起，使得它们 能够发挥出比单独使用各个媒体更高的效率。这一特点使多媒体受到广泛欢迎，并迅 速进入娱乐、教育、医疗、通信等各个领域，成为电脑发展的趋势。同样，计算机技 术在航海教育与培训中的应用也同样得到了长足的发展。尤其是发达国家凭借其先进 的技术和强大的经济实力，无论是在航海教育理论方面还是在航海实验设备方面均在 世界处于领先地位。近几年来，计算机在我国航海教育领域也得到了广泛应用。如雷 达模拟器的应用，轮机模拟器的开发应用等，这些先进设备的投入，对加强我国航海 院校学生对理论知识的理解与运用起了很大的作用。但从总体情况来看，我国航海院 校在航海实验设备投入不足，并且航海院校学生多，各种实验设备不论是在技术上还 是数量上都满足不了学生的需求。在船舶轮机教学方面，我国航海院校的大型轮机模 拟器，虽能给学生提供实际操作训练的机会，但是因为学生人数多，课时紧张，要在 教学的全过程当中进行这样的训练非常困难。并且轮机模拟器仅仅是对主机的遥控、 监视和报警操作。对于其他设备的模拟器相对就少一些，如舵机的操作与故障分析。 从1 9 5 8 年美国m m 沃斯顿研究所设计出第一个计算机教学系统，标志着计算机 辅助教学系统( c a i ) 的产生。在经历了4 0 多年的发展，c a i 无论在理论研究、技 术开展还是实际应用方面部取得了很大的进步。它从最初的只具备简单的功能，向学 生提示各种教学信息，代替原有的黑板，后来发展成课堂演示型、学生自主学习型、 简单专业训练型、练习型和模拟型。随着多媒体技术的不断发展，现在的多媒体教学 软件已具备非常复杂的功能，能将各种声、型、动画融合与一体进行课程教学。但对 于船舶轮机工程专业课的教学，国内大部分航海院校采用的是传统的教学方法，对于 c a 的应用，也还仅停留在初级阶段，如用p o w e r p o i n t 设计一些比较简单的课堂演 示型课件。当然它的出现比传统的教学方法要更有效，但在多媒体飞速发展的今天， 这显然已不能符合时代的要求和课程本身的要求。因此有必要对传统的教学方式进行 改革，船舶舵机多媒体教学与故障分析系统就是通过利用计算机技术融合声、形、动 于船舶舵机液压系统教学分析中的多媒体软件。 上海海事大学硕+ 学位论文 1 2 多媒体教学与故障分析系统的优点 多媒体教学是一种先进的教学模式，是教育理论与计算机技术相结合的产物。目 的是运用计算机这一先进的信息处理工具进行辅助教学，以实现教学改革，扩大教学 规模，提高教学质量，促进教育现代化。多媒体教学利用多媒体计算机这一强大的信息 处理工具，对文本、图形、图像、动画、声音、视频等多种媒体形式的信息进行处理、 存储和调用的数字处理技术。它具有集成性、控制性和交互性的特点。教学多媒体的 应用有资料表明，人们通过不同器官而获得的信息：味觉占1 、触觉占15 、嗅觉占 1 5 、听觉占l i 、视觉占8 3 。由此可见，视觉是人们获取信息的主要器官。另外， 从记忆角度而言，阅读占1 、听觉占2 0 、视觉占3 0 ，在这里视觉也占了很大的比重， 而多媒体教学恰好充分利用其功能，具有如下优点。 ( 1 ) 展现新颖、优美的学习情景，激发学习兴趣，充分调动主动学习的积极性。传 统的教学方法是教师亲口教授，学生在课堂听讲、记笔记，课堂气氛严肃，学生只能用 听觉来接受信息。多媒体教学突破了传统的教学方式，采用优美的图像，生动的语言， 再配以简要的文字，展现在学生面前的是新颖、优美的学习情景，图文并茂，有声有色， 色彩鲜艳，使学生在视觉、听觉上得到和谐的信号刺激，使大脑获得多种类、多层面的 知识信息，学习积极性得以充分发挥。 ( 2 ) 强大的信息量，增大课堂容量，加快教学节奏。一个好的多媒体系统，可以实现 电视机、录音机、放像机、影碟机、声音合成器等多种不同的功能。多种信息媒体的 集成，包括信息的多通道统一获取，统一组织和存储，多种信息表现合成等。具各处理 多种媒体信息的高速并行的c p u 系统，大容量存储器，适合各种媒体多通道的输入输 出能力及外设，宽带通信网络接口等，真正意义上实现人机对话，发展个性，实现自主 学习，节省时间，加快教学节奏。 ( 3 ) 抽象问题直观化、表象化，突破教学难点，提高教学效率。教学活动过程中有 问题往往采用挂图、投影片等一些固定图片展示，教师一遍又一遍讲解，学生很难听 懂。引入多媒体教学，运用图像、动画效果，突出直观性、表象性，使教学难点逐步深 入地展示给学生，再配以精练的解说，视觉、听觉同时接受，使得抽象问题直观化，突破 教学难点，提高教学效率。 ( 4 ) 多媒体教学的复合性有利于信息的交流 网络的发展使计算机的发展跨入新的历史阶段，它实现全球的资源共享和信息通 讯a 随着多媒体教学研究的发展，未来的趋势是利用网络资源，多机交流的形式进行 教学，多媒体教学将从个别化教学方式转化为协作式教学策略，利用多媒体系统的超 文本特性实现对教学信息最有效的组织与管理，那时候，教师在教学过程中不仅能通 上海海事大学硕士学位论文 过网络与学生进行交流信息，而且教学已经不限于一问教室或一所学校，而是发展到 不同地域同时进行。更多教师和学生可以相互交流，相互学习，获得知识。 1 3 困内航海类多媒体教学软件所存在的主要问题 目前，相关航运学校也有不少的教学软件，但总体效果不是很好，其突出问题表 现在以下几个方面。 ( 1 ) 缺乏必要的选题 目前国内的航海类多媒体教学软件缺乏必要、合理的选题，没有明确的教学目标， 很多不适合用计算机表现的教学内容也放入教学软件中，基本上练习和题库搬家、复 习纲要的多媒体显示，对某一教学内容教材上怎样描述，现行软件中就怎样描述，不 能将印刷教材上所描述知识和原理用计算机的图、文、声、动画等方式形象、直观地 再现或模拟出来，没能体现并发挥多媒体教学软件应有的功能和特点。 ( 2 ) 教学的过程单一、简单 现有的许多教学软件的教学部分一般只提供简单的知识介绍和单元测试两部分， 基本上是课本的翻版，使教学过程显得太单一，没有充分发挥计算机多媒体特长来调 动学生学习的积极性，不利子取得好的教学效果。 ( 3 ) 缺乏交互性 有些教学软件人机交互功能不强，特别是在教学过程中，一般只有控制教学流程 的简单操作，练习中交互一般也只是计算机呈现练习，要求学生输入答案等简单交互 方式。 ( 4 ) 缺乏良好的控制性 大多数教学软件的教学进度和教学内容，教学方法及练习都是教学软件事先设定 好的，不能根据学生的学习状况自行选择，虽然有菜单可供选择不同内容，但当选择 某个内容后基本上是固定的，不能根据个体学习方面的差异由学习者自行选择不同的 方法和内容，练习和测试中虽有随机出题，但不能根据学习者的解题情况，自动决定 或选择题目难度。 1 4 研究船舶舵机多媒体教学与故障分析系统的必要性 船舶舵机液压系统是航海院校轮机管理专业基础课中比较难学的一部分内容，其 中有大量的液压阀件、液压泵和液压马达，其内部结构复杂，工作过程抽象。仅仅通 过传统黑板上的板书，学生很难弄通舵机的工作原理。并且能完全掌握舵机液压系统 的原理，对于其他甲板机械液压系统也会有更好的了解。但随着教学改革的深入，海事 上海海事人学硕士学位论文 部门对航海院校考证的要求，教学学时被大量压缩，内容却没有相应减少，加上液压元 件结构复杂，系统工作过程抽象、密封等特点，许多老师反应，要想使学生在有限的学 时内完全掌握船舶舵机液压系统基本的内容，如液压元件，基本回路的工作原理、性能 及特点，并能对故障现象分析出原因，仅仅通过课堂教学和几个简单的实验，是远远不 够的。因为在实验中学生看到的仅仅是外部特征，无法体会液压元件的动作过程，系统 内油液的流动情况及相互关系。为此，在教学中可考虑采用多媒体技术，利用现代化的 教学手段，将静止抽象的内容转变为生动形象的动画效果，展现液压元件在实际中的 工作过程，液体的流动规律，使学生通过实际操作，对任意舵角进行操作，来提高感性 和理性认识，增强分析和解决故障的能力。然而，如何将元件的动作过程，系统中液体 的流动方向等用动画的形式进行演示，特别是对任意舵令舵机液压系统的反应，各个 阀件的动作情况，油管自动绘制，液体流动方向的自动判断等，是一个比较突出的问 题。本文所要做的工作就是力图通过多媒体技术，f l a s h 制作动画，模拟各种元件和 系统工作的动作过程，油液的流动方向及相互关系。并且，对整个舵机液压故障进行 分析，起到和在实际工作现场进行培训相同的效果。 1 5 研究船舶舵机多媒体教学与故障分析系统的意义 开发船舶舵机多媒体教学与故障分析系统的目的，一方面是让教师在课堂讲授过 程中借助多媒体技术把教材中静止的液压元件及回路用动画播放的方式来进行演示， 并且使讲授与演示达到同步，以增加学生的感性认识，另一方面是、止学生可以通过软 件的教学与评估模块，检查对舵机液压系统掌握的程度，以便达到海事局对船员考证 的要求。再者，学生可通过故障分析模块设置故障现象，对整个舵机液压系统模拟， 分析产生的故障原因，从而更好地掌握液压系统的基本内容，以便为在实际工作中能 够学以致用。船舶舵机多媒体教学与故障分析系统的出现是计算机多媒体技术应用于 航海教育领域的一个新的突破，它可以解决目前存在的许多问题，其主要意义在于： ( 1 ) 优化课程计划的实旌，缩小课程教学时间 我国航海院校招收的是普通高中毕业生，经过了1 2 年的基础教育的学习，大学 期间的学习是本科3 年半，专科2 年半。就本科教育为例，在校学习3 年半，这3 年半当中要进行为期2 年的基础课学习，剩余1 年半的时问里安排有6 周左右的航行 实习，因此在不到1 年半的时间里，学生要学完所有专业课程，这样，如果不对某些 教学手段进行改革，提高教学效率，节约时间，学校就很难完成规定的教学计划，学 生也很难达到理想的学习效果。在目前的船舶辅机教学过程中，利用了简单的教 学课件，改变了传统的讲课方式，这在时间上已经缩短了教学课时，同时减轻了教师 上海海事人学硕士学位硷文 和学生的课堂压力。如果开发出高质量的多媒体教学软件，则可进一步缩短教学课时 和提高教学效果。 ( 2 ) 改进现有的教学手段、方法，提高教与学的效率 传统的教学方法通常采用解释、描述和论证、演示的方式，航海教育的教学 方法也不例外，其表现形式为教师讲授，学生听课。教师的描述和论证极其充分、严 密，学生只需无条件地接受这些知识。尽管目前已有部分课程采用了多媒体技术，但 也只是部分改变教学手段，仍属于教师讲授，学生听课的方式。这种传统的教学方式 在一定程度上制约了学生与教师之间的交流与沟通，学生处于被动接受的状态，不能 充分调动学生的主动性。在船舶辅机这门课程的学习当中，因为条件限制，学生 只能通过书本和老师的讲解来理解规则的含义及内容，这种理解是建立在表面上的， 它只是一种字面上的理解。如果通过制作一些趣味型和模拟型的课件，寓教于乐，让 学生在学习的同时进行一些实际的操作训练，模拟出相应于规则的一些结果。同时还 可以建立一些典型的故障模拟与分析，让学生利用所学的理论知识进行分析、判断， 得出发生故障的原因。通过这种教学方式，学生才能真正理解规则的具体的、深刻的 含义，清楚自己所学的知识有哪些用处，就不会有目前这种盲目学习的局面，即不知 道自己为什么要学，学了有什么用。也只有这样才能提高学生学习的积极性和学习效 率。 ( 3 ) 建立教学评价与学习评估体系 评估a s s e s s m e n t 和评价e v o l u t i o n 是两个不同的概念，评估学习是指对学习者 所学知识掌握程度的表现的检验。在我国各层次的教学活动中，学习评估的典型是期 中和期末考试。评价教学是指对一个教学活动或过程的价值或评价的判断。在教育与 培训中，评价教学活动的价值比评价- - h 具体课程的学习表现更为复杂，需要更长的 时间。在现代教育中，评估和评价作为整个教育过程的一个组成部分越来越显示其重 要性。如在s t c w 9 5 公约中，把表明适任的方法和评价适任的标准提到了与知识、理 解和熟练同等重要的地位。显然，不采用现代先进的手段和方法是难以取得理想的效 果。如在现有的条件下，采用传统的手段对船舶舵机教学过程和学习过程进行评价， 这也是一个很棘手的问题，得出的结果也是不令人满意的。在现有的多媒体教室里， 每个学生都可以有一台电脑进行学习，如果利用多媒体技术，制作一些简单的模拟训 练或故障案例，让学生自己操作个分析以得出故障的结论，这种评价体系也许不是非 常完美和理想，但比传统的卷面考试的效果要好很多。 ( 4 ) 提高故障分析能力 故障分析模块利用数据库工具a c c e s s 把舵机液压系统各种故障现象、产生原因 和故障排除方法制成知识库形式，利用顺向推理的方法进行故障分析。其过程可分为 上海海事大学钡十学位论殳 三步：( 1 ) 初诊断。系统根据所输入的故障现象进行分析，提出可能的故障。( 2 ) 逼近 和排除阶段。系统对第一步提出的可能故障逐一进行审查，如果诊断对象不具备某故 障的其他征兆，就对其实施排除，否则认为该故障得到进一一步的证实。在此阶段中，为 避免故障征兆的重复输入，系统将前面步骤中所输入征兆和诊断结果均记录下来，以 排除不必要的冗余信息，实现了系统的自动诊断推理。( 3 ) 确诊。不断地排除和接近， 直到某些故障的全部征兆都出现在诊断对象上，才认为诊断对象具有该故障。 1 6 本文要做的工作 鉴于上述原因和要求，通过对舵机液压系统、各个阀件、液压马达、液压泵、液 压操舵机构的结构、工作特性、运行原理的深入研究，进而建立舵机各工作部件和液 压系统的多媒体教学和故障分析软件。 结合实船上的舵机液压系统情况和经常出现的故障现象的具体操作要求以及各 项操作规程，研制开发动态显示的组合仿真系统的运行原理图和便于学员培训操作的 人机故障分析界面，以便学员不用上船就可以对船舶舵机各工作系统的组成有感性认 识，再通过对学员在故障分析界面上的故障分析操作训练，加强学员对船舶舵机各个 系统故障现象的了解，增强学员的动手能力。 总之，本文就是要通过利用计算机及其多媒体技术来实现教学和故障分析的研 究，以缩短教学课时，提高教学效果，提高学生学习积极性和学习效率，增强学生分 析故障问题的能力，建立更完善的评估体系。以满足i m o “s t c w 7 8 9 5 公约”和我国 海事局海船船员适任考试和评估大纲对航海类专业学生和高级船员的教学和培训 训练的要求。 卜海海事大学硕i 学位论文 第二章船舶舵机多媒体教学和故障分析系统组成与功能 2 1 船舶舵机多媒体教学和故障分析系统组成 开发船舶舵机多媒体教学与故障分析系统的目的，一方面是让教师在课堂讲授过 程中借助多媒体技术把舵机液压系统中静止的液压元件及回路用动画播放的方式来 进行演示，并且使讲授与演示达到同步，以增加学生的感性认识；另一方面是让学生通 过软件的教学与评估模块，检查对舵桃液压系统掌握的程度，以便达到海事局对船员 考证的要求；再者，学生可通过故障分析模块设置故障现象，对整个舵机液压系统故 障进行诊断，分析产生的故障原因，从而更好地掌握液压系统的基本内容，以便在实际 工作中能够学以致用。基于这样的设计理念，系统的基本组成如图2l 所示。 图21 2 2 船舶舵机教学和故障分析系统各模块功能 船舶舵机多媒体教学与故障分析系统要解决的问题是向教师和学生提供一个现 上海海事人学硕 学位论文 代化的教学手段，让计算机多媒体技术在教学中充分发挥切实有效的指导作用。为了 有利于软件的编写工作和充分发挥系统的在教学当中的指导作用，首要问题是解决系 统的功能问题，即系统将要面对什么样的用户，给用户什么样的指导作用，而用户通 过系统又能学到什么样的知识。由于该系统主要由三个子系统组成，因此从系统的三 个子系统来简要介绍其具备的功能。船舶舵机液压系统多媒体教学和故障分析系统， 主要由多媒体开发工具，运用由总到分、由上到下的思想，设计成线性结构的流程， 使其具有原理教学、测试评估、故障分析等三大功能，整个系统具有结构简单、功能 强大、界面友好易于操作等优点。 2 2 1 原理教学模块 舵机原理教学部分在船舶辅机教学内容中，主要是要求学生理解和掌握液压元 件、基本回路的组成、工作原理和追随机构动态特性。根据表现手法的不同，将原理 教学模块次级界面三大部分：舵机总述、各部件动画和操舵原理动画。这三个部分的 划分基本上包含了舵机液压系统各个方面的知识。在课堂教学中，为了保证课程教学 生动形象，吸引学生的注意力，应用多种文字出现方式和字体颜色来强调重点内容。 其次，对于液压阀、液压泵等不易于用文字说明的液压元件则用图像展示其结构，用 动画形式说明其动作过程，并配以不同的颜色交替变换表现液压油的流动方向和压力 的改变。另外，操舵过程也采用动画的形式，其主要优点是能更好的说明各个液压阀 件随舵角的动作情况和浮动追随机构的基本工作原理，克服传统教学方式讲解不清的 缺陷。除此之外，方向控制阀、推舵机构随舵向、舵角变化的动作情况也能形象的展 现。本部分采用按钮交互、热区交互、热物体交互、文本交互、条件交互等多种交互 方式使教学过程丰富多彩。其结构框架如图2 2 所示。 2 2 2 测试评估模块 在现代教育中，测试和评估作为整个教育过程的一个组成部分越来越显示其重要 性。如在s t c w 9 5 公约中，把表明适任的方法和评价适任的标准提到了与知识、理 解和熟练同等重要的地位。在本教学系统中加入测试评估模块，是为了更方便对学生 进行学习评估。在a u t h o r w a r e 6 5 的知识对象( k n o w l e d g eo b j e c t ) 中有“测验型知识对 象”( q u i zk n o w l e d g eo b j e c 0 ，它能很方便地创建包括单选、多重选择、热对象选择、 拖放等方式的测验程序。但是考虑到本教学软件的具体情况，我们采用a u t h o r w a r e 6 5 的变量、函数来编制选择题测验程序。通过多个变量和函数的使用，使得制作的习题 上海海事大学硕l 学位沦文 图2 - 2 图2 - 3 测验程序具有如下效果：进入习题库分支后，测验程序自动初始化，调用题库，在测 试界面上显示第一道选择题和答案选项。当点击单选按钮时，根据选中答案的正确弓 上海海事大学硕士学位论文 否，出现不同的声音来提示对与错，同时在文本框中的选项下出提醒文字，表示选择 答案足否正确。当本页面的选择题做完后，则可点击“下一题”按钮继续。本软件的 “教学测试”模块的设计借助了w i n d o w s 提供的o d b c ( 删库连接) 功能建立 起a c c e s s 数据库与a u t h o r w a r e 应用程序之间的接口，实现多媒体试题的管理与调用。 其结构流程如上图2 - 3 所示。 2 2 3 故障分析模块 故障分析模块利用数据库工具a c c e s s 把舵机液压系统各种故障现象、产生原因 和故障排除方法制成故障库形式，利用顺向推理的方法进行故障分析。其过程可分为 三步： ( 1 ) 初诊断。系统根据所输入的故障现象进行分析，提出可能的故障。 ( 2 ) 逼近和排除阶段。系统对第一步提出的故障逐一进行分析，如果所列的故障 原因的某一条能够解释故障现象，则以该原因为对象继续进行分析，否则认为该故障 得到进一步的证实。 ( 3 ) 确诊。不断地排除和接近，直到某些故障的全部原因都出现在故障现象上， 并选出最终说明故障现象的原因，才认为故障分析完成。其推理过程如图2 - 4 所示。 2 3 船舶舵机多媒体教学和故障分析系统设计思想 实际上，在教学实践中，对于结构比较复杂、工作过程抽象的液压设备的教学一 直是个难点。船舶舵机多媒体教学的主要目的是让学生通过理解和掌握舵机液压元 件、基本回路的组成，工作原理和动静态特性来掌握所有其他甲板机械的液压系统和 工作原理。目前的多媒体教学软件很多，相关院校也有类似的教学软件，但效果都不 是很理想。因为有的编程专家精通创作软件，但对于教学方面的专业知识却很缺乏， 有相当经验的专业课老师却又对编程软件了解甚少，两者都很难将其两个方面很好的 结合。笔者力图将编程软件和专业知识融合在一起，并参考了大量的多媒体教学软件， 根据教学软件的组织形式和船舶舵机液压系统知识的特点，听取了众多资深教师的意 见组织成教学软件的教学内容部分，设计时将舵机的有关资料进行分类整理，对不同 的教学内容制定出与之最为适应的设计方案。在软件设计中，充分运用多种媒体技术 来表达船舶舵机的原理，包括采用动画、图像、声音、文字等形式。具体地说： ( 1 ) 对舵机液压系统的特点和性能等的描述采用文字讲解的方式进行教学。 ( 2 ) 对舵机液压系统各组成阀件、液压泵、马达等部件的内部结构采用图像的方 式进行描述，并且可以实现对图像的局部放大显示，让学员更加清晰地了解各个部件 1 0 上海海事大学硕士学位论丘 内部结构。 ( 3 ) 掌握舵机液压系统原理的关键就是对舵机在各种状态下各部件的作用关系和 各阀的内部动作的熟悉，这就要求对舵机工作原理进行动画制作。它依照实际舵机液 压系统各部件的内部结构并以各种不同的颜色，同时根据舵机在不同的舵向、舵角工 况下，各个部件的动作和液压油的流动情况进行动画制作，再生成生动形象的舵机工 作原理过程动画。整个教学演示系统把文字、图像和动画结合起来，即利用多媒体开 发工具对各种表现媒体进行综合组织，充分运用各种人一机交互方法把舵机液压系统 原理再现到计算机屏幕或大屏幕投影上。 图2 - 4 2 4 船舶舵机多媒体教学和故障分析系统表现方法 船舶舵机多媒体教学和故障分析系统是以文字、声音、图形、图像、动画等多种 上海海事大学硕上学位沧文 媒体信息，按舵机液压系统教学要求把多媒体的各个要素有机组合成统的教学信 息，并通过屏幕或投影机来表现教学内容，使用者与计算机之间可以用人机交互操作， 完成教学培训过程。因此，它应该是一种根据教学目标设计的，反映一定教学策略的 计算机教学程序。进一步说，多媒体教学软件是指根据教师的教案，把需要讲述和展示 的教学内容通过计算机多媒体( 视频、声音、动画、图片、文字) 来实现而构成的课堂 要件。传统的文字教材、录音教材、录像教材，其信息组织结构都是线性和有顺序的， 这限制了学生接受能力和自由联想能力的发挥。而计算机多媒体技术是非线性的，它 适应人类记忆网状结构的特征，因而更能发挥教师、学生的个性，提高学生获取知识 的速度和能力。它可以生动、形象的描述用一般教学手段难以表达的各种问题，活跃 课堂教学气氛，提高学生的学习兴趣，扩宽学生的知识视野。 一个有经验的教师对自己的授课内容是十分清楚的，一次课的内容，总有主次、 轻重的区别。那么教学软件的表现手段也应根据内容的主次、轻重有所不同，如强调 侧重的地方应采用多重刺激的手段，屏幕上内容( 文字、图片、动画) 的显示，喇叭发 出的声音，必要时加上教师的现场讲解，可以很好地解决学生对教学中难点、重点的 理解。故对不同内容，应有不同的表现方法。 2 4 1 内容方面 对一般讲述的内容，应认真组织，进行优选，使系统层次分明，并要简练地表达 出内容的要点及其作用，要能反映出层次的要求、思路与方法等。做到时间最省，过 程最简单，效果最佳。而不是把教科书或讲稿中的大段解释机械地搬到屏幕上去，教师 宣读，从而失去了多媒体教学软件的优势作用。 将抽象难懂的内容图示化、形象化。尤其是在原有一些手段( 挂图、板书、投影 仪等) 难以表达清楚的内容，充分利用时空变换，大小变换，速度变换等计算机技术的 优点，把一些抽象或微观的变化，利用二维、三维动画技术和视频技术使抽象、深奥 的信息的知识简单化、直观化，形象而又生动地在屏幕上展现出来。 把难以在课堂上讲清楚或表现出来的一些内容，尤其是对实践性很强或在课堂上 不能实现的一些内容，例如对液压系统部件动作过程，它的优势就更加明显。 用各种不同的几何图形组织的些平面或立面的布置与组织等方案，用生动形象 的移动方法展示给学生，使学生较快地掌握教学内容，增强学生理解和记忆。 2 4 2 制作形式方面 制作形式应遵守以下原则： 上海海事大学颂十学位论文 ( 1 ) 良好的用，、界面和分辨度。 除界面清晰外，屏幕上的字体和图形应尽量大一些，字体应尽量选用粗重字体。 但为了区分内容的层次，其字体的大小、形体或颜色也可有所区别。屏幕底色与字体 或图形颜色的对比度应该尽量地大一些，如白色的底色配黑色或红色的字体和图形 等，尽量使在教室前、后排的学生都能看清楚。 ( 2 ) 画面布置协调。 各种线条的粗细搭配得当，颜色醒目，闪烁与动感的频率适度，有良好的视觉效 果，避免形成视觉疲劳。并且，各种图形的比例应适当，形象直观。充分发挥多媒体 课件的优势，表达清楚，有吸引力，激发学生的学习兴趣。 ( 3 ) 画面的出现与翻页。 最好是采用板书式的形式，由左向右，边讲边出现，或是一页的内容由上向下式 的滚动出现，避免采用正面或侧面的“缩放抽取”式的翻页形式。 ( 4 ) 讲解过程中需要强调的内容上，应尽量采用与字体不同颜色的线条进行圈点 或勾画。避免使用鼠标箭头或光标指画，留不下痕迹，不利于学生思考和记录。 ( 5 ) 在所有的画面上除应讲授的内容外，不应有任何多余的装饰性的或闪烁的、 或静止的一些图案及小动物等，以免分散学生的注意力。 2 4 3 控制方面 在多媒体教学和故障分析系统进行操作控制时，对课件中的内容调出，特别是在 讲解过程中，需要调用前面的图形或内容时，应避免在屏幕上出现嵌套层次太多的多 级菜单，尽可能实现页面的自然转换，而不至于影响学生听课的注意力和保持课堂的 严肃性。并且应改善多媒体教室的光线条件，使其能在正常光线条件下醒目地显示所 需的一些文字或