虚拟现实技术在“机舱资源管理”教学实践中的应用.pdf

第 45卷 第 6 期 2016年 12月 船 海 工 程 SHIP 虚拟现实技术;虚拟教学实验平台 中图分类号：G642.0 文献标志码:A 文章编号= 1671-7953(2016)06-0144-03 “ 机舱资源管理” 课程已成为必备的船员培 训及考核科目。而轮机模拟器作为这门课程实操 环节的必备设备， 也被研究人员广泛关注并深度 挖掘其应用的更多可能性。由于配备轮机模拟 器、 主机拆装实验室等硬件教学设备和设施费用 昂贵， 一些拥有航海类专业的大中专院校及专职 培训机构没有配备这些设施的能力。与此同时， 受到硬件台套数、 教学场地及外界环境等的制约， 机舱资源管理的培训效率和效果也受到一定的影 响。因此， 有必要提供给学生一种全新的， 在电脑 桌面上就可以全景展示机舱的内部构造、 模拟实 验操作， 实现随时随地可完成机舱内各项目和应 急演练的教学模式。 1 “ 机舱资源管理” 课程教学现状 目前， “ 机舱资源管理” 课程在实践教学中主 要有3 种教学方式:理论学习、 操作训练、 团队练 习。理论学习用以掌握机舱资源管理的基本原理 和操作规程;操作训练用以掌握设备操作技能， 进 行基础的实践训练； 团队练习用以培养学员的团 队合作能力和判断处理复杂局面的综合能力1。 在这3 种教学方式中， 理论学习一直受到高通过 率的青睐， 但真正涉及到“ 机舱资源管理” 实操课 程的教学目标， 实际效果存在很大的差距。 收稿日期=2016 - 04 - 07 修回日期=2016 -05 -17 基金项目： 湖北省教研资金（ 2014120) 第一作者简介:商蕾（ 1974） ， 女 ， 博士， 副教授 研究方向： 虚拟现实与系统仿真 E-mail ： 630314449 qq. com 本校“ 机舱资源管理” 培训课程自2013年开 设 ， 每 年 都 有 上 千 人 进 行 这 门 课 程 的 学 习 。 20132014年期间机舱资源管理培训统计数据 见表12。 表 1武汉理工大学“ 机舱资源管理” 培训统计 培训对象及考试通过率/% 年份 20132014 本科生培训人数 276290 本科生理论考试通过率/% 10099 本科生实操评估通过率/% 7978 社会船员培训人数 701641 社会船员理论考试通过率/% 9798 社会船员实操评估通过率/% 9899 由表1 可见， “ 机舱资源管理” 的理论考试通 过率都不错， 但在实操课程上， 在校学生的实操评 估考试通过率明显低于社会船员。究其原因， 主 要还是在校学生缺乏实际机舱管理的工作经验， 几乎没有机舱资源管理的情景意识。而“ 机舱资 源管理” 这门课程又相对来说比较特殊， 其学习 的最终目标就是结合船舶机舱可能发生或遇到的 紧急情况， 要求机舱值班人员根据实际情况有效 的利用船舶机舱现有的各种机械动力设备、 安全 设备， 合理调度人员， 通过机舱组织和程序执行发 挥每个人在团队工作中的作用， 从而有效执行并 完成相关工作的操作程序， 以保证船舶的安全航 行3， 这对学员的实操技能有很高的要求。而且 在“ 机舱资源管理” 这门课程的考核中， 实操技能 相对来说占的比重较大， 学员如果实操考核无法 通过， 将影响其是否能顺利拿到学位证。 针对以上情况， 拟将三维虚拟现实技术引入 “ 机舱资源管理” 课程教学中。通过虚拟现实技 术的融合， 提供高沉浸感的虚拟场景， 使学生能够 144 2016 年 第 6 期 商 蕾 ， 等:虚拟现实技术在“ 机舱资源管理” 教学实践中的应用 船海工程 第 45卷 身临其境的感受船舶机舱布局， 了解各个主要设 备的运行状态等， 从而更好地对机舱资源进行合 理配置与管理， 提升课程教学效果。 2虚拟现实技术应用的可行性 目前， 国内外将虚拟现实技术与教育相结合 的实验项目， 大体上有以下几种表现形式:其一是 实验仿真。最具代表性的是“ 仿真物理实验室” ， 这是一款面向物理课堂、 物理教师和学生的、 一个 全开放性的物理实验仿真软件， 可以提供一个实 验器具完备的综合性实验室， 学生不仅可以“ 亲 身体验” 实验操作的全过程， 还可以实时获取相 关实验数据。这种利用虚拟现实技术打造的实验 仿真平台， 学生在学习的过程中既可以避免实验 器材和实验环境的局限性， 也可以预防实验过程 中可能出现的危险并减少经费的投入。其二是工 程漫游。例如， 现在的大型网游， 使用者通过计算 机网络在虚拟环境下对人物角色及场景按照一定 的规则进行操作以达到娱乐和互动目的的游戏产 品， 其主要特点就是允许玩家对虚拟设备自行分 配， 并实现人机交互。其三是空间仿真， 这一技术 在建筑的教学中有着较多的应用。现在比较热门 的虚拟校园漫游系统， 就是以真实校园为整体蓝 本 ， 利用三维技术和虚拟现实技术（V R)， 还原校 园的地理空间， 并实现其与校园属性信息的融和。 用户可以利用计算机网络远程访问这个全新的校 园景观， 通过终端计算机在虚拟校园中漫游， 而且 还可以进行查询、 搜索等操作4。 但是虚拟现实技术并非在任何课程中都适 用 ， 对于理论和计算知识相对集中（ 数学、 会计、 语言类等） 的课程， 其没有针对性的实际意义。 而“ 机舱资源管理” 这种理论与实操相结合的特 殊课程， 要求学员不仅能够熟练操作机舱内的各 项设备， 还需根据突发状况安排人员做好应急处 理。针对这一情况， 提出将虚拟现实技术与网络 技术相结合， 制作出可交互的“ 机舱资源管理” 课 程虚拟系统， 与此同时， 采用多种实验设备的同步 交互， 使学生在课下不仅能对船舶机舱的各机械 动力设备、 安全设备进行全景展示， 也可以通过鼠 标和键盘等操作对系统中预置应用进行实时的演 练。此外， 通过模拟各种对设备的错误操作， 不仅 能让学生客观的感受不符合规程的操作带来的后 果 ， 也可以让学生综合理解并实时反应遇到各种 紧急情况的预处理方案。通过这种预置操作的模 拟方式， 让学生随学随用的同时， 也避免了实际实 践课程中实验设备的损耗， 对学生实践能力的培 养和实验设备的维护具有重要的意义。 3虚拟实验环境的建立 3 . 1 虚拟实验系统的框架3 . 1 虚拟实验系统的框架 根据“ 机舱资源管理” 课程对虚拟实验系统 的需求， 收集实船数据， 在通用的计算机系统上， 利用3DS Max,Photoshop等软件制作实船实体以 及内部各系统的模型，Unity3D等软件实现桌面 虚拟实践教学系统的实时交互， 建立一个可以提 供给学生设备操作的练习以及预置应急处理的多 层次、 多目标可持续的模拟练习平台。该虚拟实 验系统的构成如图1 所示5。 3 . 2 平台开发流程3 . 2 平台开发流程 为了创建一个与实际教学无差别的“ 机舱资 源管理” 虚拟现实教学实验平台， 从 4 4 个阶段介 绍该平台开发流程。该平台开发流程图见图2。 第一阶段。系统设计与资料的收集与整理。 根据“ 机舱资源管理” 课程的教学目标收集实船 资料。 如船体、 机舱总览、 主推进装置及其推进系 统、 发电柴油机、 自动化电站系统、 舵机系统、 锅 炉蒸汽系统、 压载水系统、 火灾报警和灭火系统 (包括二氧化碳系统） 、 舱底水系统、 燃油柜系统 (包括燃料柜、 沉淀柜和日用柜） 、 空气系统， 以及 冷却水系统等的结构图和数据， 对这些细节进行 真实还原使学员在实际的轮机驾驶过程中能实现 无差别操作。另一方面， 还需要收集各种预置操 作的数据资料。如在多人协作完成机舱各种应急 145145 操 作轮 机 模 拟 预 补 充 + 喿 彳 乍 交 互 机舱资源管理虚拟教学系统 2016 年 第 6 期 商 蕾 ， 等:虚拟现实技术在“ 机舱资源管理” 教学实践中的应用 船海工程 第 45卷 实船模型参数 素材获取及处理图片、视频和flash等媒体资料库 预置应急操作资料库 用Photoshop软件处理库 用3 dm ax CAD软件进行模型的创建1矢生m炫 模型材质处理 对模型进行灯光、贴 图 、烘焙优化 模型优化 模型导出 用户界面建立 资源库创建 交互设计 基础属性设置 各系统和预置操作程序的实现 转换工程格式 平台发布 发布至pc端和移动端 图2 “ 机舱资源管理” 虚拟教学系统平台开发流程图2 “ 机舱资源管理” 虚拟教学系统平台开发流程 处理演练时， 所设计的机舱资源管理模拟器实现 机舱进水时船舶吃水和横倾变化的检测以及设备 的自动启停、 机舱失火和全船失电的应急处理等 训练内容的数据。 第二阶段。制作三维模型。利用三维建模软 件 3DS M a x的多边形建模技术， 实现三维场景模 型的制作， 并结合Photoshop软件中已有素材合成 模型的固有色和3dsmax中的材质进行贴图， 真实 还原机舱内部构造及各系统的360全局演示。 第三阶段。进行灯光处理和贴图的烘焙以达 到模型的优化。 第四阶段。虚拟交互设计。Unity3D是利用 交互的图形化开发环境为首要方式来实现多平台 的呈现。运 用Unity3D的诸多特点， 制作系统的 运行界面， 包括背景界面元素、 交互按钮和背景音 乐的制作， 以及各预置操作流程及实现的代码， 并 加入视频和flash等媒体实现模型和按钮的交互 链接， 建立相关预置操作的资料库。 第五阶段。发布输出。此阶段是把最终完成 的“ 机舱资源管理” 虚拟教学试验系统发布成网 页文件或者打包成可执行文件， 实 现P C端和移 动端的同步发行， 达到随学随用的新型教学模式。 4虚拟教学系统应用效果 首先， 学员根据线上对这门课程的介绍以及 各零部件各系统基本构成的讲解， 从理论基础开 始了解其教学目标。使学员在掌握各设备原理的 同时， 也能将其实际构成对号入座。 其次， 通过线上平台提供的交互式操作， 不仅 可以能让学员快速掌握各个设备的运行轨迹， 实 时了解整艘船的运行布局， 还能给学员想象的空 间， 充分调动学习的积极性， 发掘创造潜力。 最后， 在线下进行实操环节的应急演练， 调动 各学员的实体感知能力和判断处理复杂局面的综 合能力， 并培养学员之间的团队合作团队精神。 再进行线上的补充练习， 使学员在巩固知识的同 时， 也能自主地尝试各项操作， 更好地掌握机舱各 设备整体的配合效果。 参考文献参考文献 1 胡贤民.基于虚拟机舱桌面系统的高职小班化教学 实施研究J.船海工程， 2014(1) : 114-116. 2 成春祥.机舱资源管理的理论教学与实操培训J. 船海工程， 2015(2) :99-103. 3 蒋德志， 赵晓玲.基于轮机模拟器的“ 机舱资源管理” 研究与实践J.中国航海， 2011 (1) :22-25. 4 李建荣.虚拟现实技术在教育中的应用研究J.实 验室科学， 2014,17(3) :98-102. 5 邢辉， 吴建潘.机舱资源管理培训内容的履约探讨 J.航海教育研究， 2011 (1) :34-37. Application of Virtual Reality in Teaching Practice of the Engine Room Resource Management SHANG Leia b, CHENG Hui-fanga b, SUN Juna b (a School of Engine and Power Engineering ； b Engineering Research Center for Transportation Safety, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063 , China) Abstract： With the rapid development of shipping industry, the training requirements of the seafarers become more and more strict. In order to meet the needs of seafarers for skills training, the virtual reality technology was applied in the course of engine room resource management. The feasibility of this teaching mode was analyzed and the establishment of the model was in troduce