基于OBE理念的虚拟仿真“舰船焊接技术与实践”教学改革

［摘 要］ 当前“舰船焊接技术与实践”课程的实践项目设置单一且未能紧跟新技术的发展，缺乏考查学生知识综合运用能力与分工合作协调能力的综合性实践教学。针对这一问题，探索基于OBE理念，以虚实结合的教学模式将金属增材制造技术实践项目引入实践教学，并与后续课程的专业知识融合，形成“类课程”式教学设计。有望同步解决金属增材制造实践项目风险高、成本高、能耗高、价值高的应用瓶颈，并同时有效地激发学生的学习与探索兴趣。

［关键词］ OBE理念；舰船焊接；增材制造技术；虚拟仿真；实践教学

［基金项目］ 2023年度海军工程大学教学改革项目“基于新技术的‘舰船焊接技术与实践’课程教学内容构建与虚实一体化教学改革研究”；2024年度海军工程大学教育科研项目“基于OBE理念的舰船修造类课程虚实一体化融合式教学设计研究”（NUE2024ER43）；2024年度海军工程大学教育科研项目“基于OBE理念的船舶与海洋工程专业课程体系构建研究”（NUE2024ER16）

［作者简介］ 聂小佳（1993—），女，湖北潜江人，工学博士，海军工程大学舰船与海洋学院讲师，主要从事舰船修造新工艺与增材制造工艺研究；彭 飞（1975—），男，湖北武汉人，工学博士，海军工程大学舰船与海洋学院教授，主要从事舰船设计研究。

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）44-0088-05 ［收稿日期］ 2023-10-30

引言

“舰船焊接技术与实践”课程是船舶与海洋工程专业的主干必修专业课之一，是一门指导舰艇建造和修理的专业基础课程，具有综合性强、实践性强、工程性强的特点。舰船焊接技术是船体装配阶段的关键技术，而船体装配又是船舶建造的关键节点。可见，船舶建造的关键技术之一是船舶的焊接技术，船舶焊接质量是评价造船质量的重要指标，焊接效率与质量直接影响了舰船建造和修理的周期。

实践教学是舰船焊接教学体系中非常重要的环节，是培养学员工程思维和解决问题能力的重要抓手。现有的舰船焊接实践项目中分配了大量的学时用于手工电弧焊技能训练，且教学手段单一枯燥，仅是在焊工师傅的指导下反复练习焊接技能。目前，“舰船焊接技术与实践”课程中存在以下问题：一是实践教学内容陈旧且枯燥，不利于学生的眼界与知识面的拓展；二是教学方法与手段单调，不利于提高学生的学习积极性和主动性。

近年来，增材制造技术在焊接修复领域受到极大关注。增材制造（Additive Manufacturing），又被称作3D打印技术［1］。不同于传统的减材（切削、铣削加工等）和等材（铸造、焊接等）制造，3D打印技术利用三维切片数据就可在一台设备上由程序控制自动地制造出复杂形状的零件，实现设计、结构、功能一体化成形。增材制造技术因其在生产和维修方面的突出优点而成为美国国防领域最具价值的技术之一。因此，在舰船焊接技术的实践环节中，必须增设增材制造领域的相关内容。此外，随着现代科技的不断发展，虚拟仿真技术已被广泛应用于各类实践教学活动中。

本课程的实践教学部分教学改革是采用虚实结合的方式将金属增材制造技术耦合入实践教学活动中并优化教学手段和方法，同步解决实践教学内容陈旧和教学手段单一的问题。

一、虚实结合实践平台建设

（一）建设背景

舰船装备在使用过程中难免会出现损坏的现象，如果损坏的装备不能及时得到维修或者更换，将极大地影响战斗力，也就对装备的应急保障提出了更高的要求。传统的维修保障方式是通过供应链运往前线或大量备品备件。但是，现有的保障方式存在保障效率低下和零部件缺少或生产周期长等问题，难以适应现代战争的新要求。因此，亟须引入新的维修制造技术以解决生产周期长的问题。

长期以来，美国海军一直十分重视增材制造技术在舰船装备保障领域的应用。对海军而言，为船上的每个系统都携带替换零件是不现实的，并且很难预测零件是否或何时会发生故障。增材制造提供了一个灵活的供应来源以制造零件，而无须通过订购。特别是对于处于供应链远端的军舰来说，按需打印维修零件可以节省时间、降低成本，并降低携带大量零件库存的需求（图1）。近年来，美国海军一直在舰艇和潜艇上使用聚合物塑料打印机，但只能制造相对较小的塑料零件。现今，美国海军已经在军舰和潜艇上安装了两种不同的金属3D打印机，即西海岸的铝制系统和东海岸的不锈钢系统。2022年7月，施乐液态金属3D打印机被安装在美军黄蜂级两栖攻击舰第2号舰上——这是美国海军舰艇上部署的第一台金属增材制造装备（图2）。2023年8月，美军“巴丹”号两栖舰（LHD-5）使用舰船上装备的3D打印完成了受损部件的即时修复，这为海军节省了约40万美元的维修费用，同时将零部件的修复等待时间缩短到了五天。

激光增材制造技术是激光束聚焦到金属材料的粉末床上，使其局部加热并熔化，采用细微聚焦光斑的激光束成形金属零件，通过控制激光束的方向和强度，精确地控制材料的熔化和凝固，成形的零件精度较高，表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求并装配使用。成形零件的力学性能良好，一般拉伸性能可超铸件，达到锻件水平。

紧跟舰船装备的全球发展步伐对于提升本课程授课质量至关重要。唯有紧握该领域的发展趋势、新方法和新技术的应用前景，方能更好地拓宽学生的视野，提高他们的岗位任职能力。因此，将基于金属粉末的激光增材制造技术引入“舰船焊接技术与实践”课程中，不仅能够使学生更好地了解当前舰船制造领域的最新技术发展，还能够激发他们创新实践的热情，使其成为能够适应未来舰船装备领域发展需求的人才。

（二）建设方案

1.部署金属增材制造系统。典型激光粉末床熔融成形设备主要包括光路系统、气氛控制系统、运动系统、软件控制系统四个部分。光路系统包括激光器、准直扩束模块、聚焦扫描模块等。激光出射后经过准直、扩束、聚焦、振镜扫描传输到待加工平面，其设计是否合理直接影响到扫描精度。通过软件对控制卡发出命令实现对激光器、振镜以及运动系统的控制。运动系统包括成型缸和送粉缸的上下运动装置以及送粉装置等。气氛控制系统是保证成形腔室内充满保护气体（氩气、氮气、氦气等）降低腔室的氧含量，以保证激光熔化金属粉末的过程中不出现氧化现象，这样成形制件的性能才得以保证。为了保证该设备的正常运转，还须配套稳压电源、冷干机、空压机、防爆吸尘器、筛粉机、烘干机、D类金属专用灭火器等辅助设备，组成激光粉末床熔融成形系统（图3）。

金属增材制造使用的主要原材料为金属粉末，制备金属粉末的主要方法有机械破碎法、雾化法、还原法、电解法、氢化脱氢法等。其中，雾化法中的气雾化法、等离子旋转电极雾化法和等离子雾化法可制备球形金属粉末，并且粉末的化学成分均匀、氧含量低、球形度高，尤其适用于金属增材制造，而球形金属粉末特性也成为决定成形制件性能的先决条件。逐层堆积是激光粉末床熔融成形的特点，粉末层厚度会对制件性能产生影响。而粉层厚度与粉末粒径是密切相关，粉末粒径过小会出现粉末团聚现象导致铺粉不均匀，粉末粒径过大会导致熔化不彻底，层间结合力弱。因此，所采用的金属粉末不仅要求是球形粉末，还要求在一定的粒径范围内。这就意味着金属粉末的制备成本大幅度提高。

本设备所需原材料是粒径在15～53 μm之间的球形金属粉末。由于金属粉末十分细小，取用金属粉末时需要佩戴3M防尘半面具防止粉尘吸入，同时金属粉末比表面积大、活性大，处理铝合金和钛合金时还必须身着防静电服，具有一定的危险性。

可见，拟开设的金属增材制造技术实验项目属于高风险、高成本、高能耗、高价值的“四高”实验项目。

2.建设增材再制造虚拟仿真实验室。采用传统实验教学模式开设金属增材制造相关实验项目存在明显不足：首先，由于激光粉末床熔融成形系统的成本高，目前只能部署一台套，导致无法满足每名学生均参与实践上机操作的需求；其次，该系统的操作复杂，必须经过多个学时的专业操作培训方可上机操作，目前的教学学时有限，无法在课堂上完成操作培训的教学任务，进而导致学生无法上机操作；最后，实践过程中涉及粉末清理具有一定的危险性。因此，亟待寻找一个新的实践途径解决上述问题。

2013年8月，教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》［2］，2019年10月，《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》同样提出，要通过建设虚拟仿真实验教学项目着力解决真实实验条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。虚拟仿真实验教学已成为现有教学的重要补充，为实践教学注入了更丰富的手段。

本课程团队根据“舰船焊接技术与实践”课程的实践教学要求，采用虚拟仿真技术开发的可在网上开展的虚拟实验，在虚拟仿真管理平台支撑下，通过浏览器（基于B/S架构）使用的实验资源，课程模拟真实实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验对象与实验环境（图4）。结合绘图建模、动画模拟、人机交互、计算机网络等手段，以二维和三维相结合的方式，形象、生动、有趣地展示教学实验中涉及的实验前准备、实验过程、结果检测等内容，体验感强，可以身临其境地进行细节操作，并且不受时间和空间的限制，能够反复进行实验和学习。开发完成的“增材再制造虚拟仿真实验软件”，解决了实验项目中的“四高”和实验设备不足的问题。虚拟实验与真实实验室相互补充，能够做到优势互补。虚拟实验是基于原型专业知识体系，实验者通过计算机界面进行操作控制，可以像置身在真实场景中进行各种预定的实验项目，体验实验全过程。

二、虚实结合实践项目教学设计

基于“以学生为中心，成果导向教育”的教育理念，建立一种新型的实验教学体系，旨在充分调动学生的学习激情，提高其实际操作水平，并巩固专业教学成果。这一体系将采用虚拟仿真实验场景，具有“动态更新、贴近实际、虚实结合、以虚补实、能实不虚”的特点。通过这种创新的教学方式，进一步促进教学质量提高，并最终解决增材制造新技术实验所面临的诸多局限性（如“四高”和设备不足等问题）以及传统焊接实践训练枯燥无趣的痛点。

针对以上特点，将OBE理念引入金属增材制造虚拟仿真实验教学中，主要是基于三个方面的考量：首先，OBE理念强调的是培养学生的核心素养和实际能力。这意味着实验教学过程中，不仅要求学生掌握金属增材制造相关的理论知识，更重要的在于运用知识解决问题。通过引入OBE理念，教学过程更加注重培养学生的实际操作能力和创新思维，使其具备运用相关专业技能解决实际工程问题的基本素养。其次，OBE理念还注重教学目标的明确和评估的全面性。在实验教学中引入OBE理念，可以帮助教师明确教学目标，并设计相应的评估方式，以确保学生在实践操作能力、创新能力和问题解决能力等方面都能得到全面发展。通过对学生所学成果的全面评估，可以更好地了解学生的学习情况，及时调整教学方法和内容，提高教学质量。最后，通过鼓励学生开展自主学习、团队合作等方式，积极参与到实验操作中，培养其自主学习的能力和团队协作精神。

OBE教育理念聚焦学生完成过程性学习后的最终学习成果，以成果为目标导向，教师基于此构建课程体系［3-4］。通过反向设计引导设定教学目标，制定具有挑战性的执行标准，教学过程以及评价工作都以最终成果为基准来设计与实施，以鼓励学生深度学习，促进更成功的学习，使得学生在学习过程中能充分明确自己的目标，知道自己已经获得了哪些成就，还需要在哪些方面继续努力。基于OBE理念开展教学内容的设计。首先向学生输入知识背景，明确本次实验的目标；其次，教师的“教”为引导、学生的“学”为核心，通过研讨和虚拟仿真实验平台自学掌握增材制造技术的定义、原理、特点、方法与操作要点；最后是学习产出评价，学生分组合作完成应急备件制造的方案制定并完成该备件的快速制造，如图5所示。

三、综合实践教学改革的下一步工作

在增材制造技术用于备件快速制造与修复的基础上设计一大型综合演练实践项目。该综合演练可设定多个任务模块，学生分组配合完成战损船只的抢修，不仅考查学生的专业知识水平，还能够检验学生的组织、协调、应变与指挥能力。另外还须加强虚拟训练系统的使用，探寻虚实融合、实中有虚、虚中有实的耦合方法与策略，将OBE与CDIO模式结合［5-6］，创新性地设计综合演练实践项目，提高学生的创新思维能力、解决问题的能力，提高毕业学生的能力认可度。