船舶与海洋工程专业虚拟仿真实验平台建设及教学策略探究

摘  要：随着我国现代教育事业的持续发展，高校也进入了教育改革的全新阶段。在各种现代信息技术的支持下，我国高等教育改革取得阶段性成就，同时各种现代信息技术在教育领域中的应用价值也得到体现。其中虚拟仿真技术具有较强的模拟性，在实验教学中发挥巨大的影响，解决传统实验教学无法解决的诸多问题。船舶与海洋工程专业主要培养适应我国海洋工程发展的高水准专业型人才，通过实验能够有效培养本专业人才的创新能力、实践能力、问题解决能力，使其更好地适应行业发展。基于船舶与海洋专业实验教学中存在的诸多不足，该文将对虚拟仿真实验进行概述，虚拟仿真实验在船舶实验教学中的应用优势，整合传统实验模式中存在的问题，站在虚拟仿真实验平台建设和虚拟仿真实验教学两个方面提出实践教学策略。

关键词：虚拟仿真实验；船舶与海洋工程专业；平台建设；教学实践；问题分析

Abstract： With the sustainable development of modern education， colleges have entered a new stage of education reform. With the support of modern information technology， our higher education reform has made a stage of achievements， while the application value of modern information technology in education field has been demonstrated. Among them， virtual simulation technology has strong simulation， which has played a great influence in experimental teaching， and solves many problems that traditional experimental teaching can not solve. Shipbuilding and ocean engineering mainly cultivate high-level professional talents which adapt to the development of Marine engineering in our country. Through experiments， we can effectively cultivate talents' innovation ability， practice ability and problem-solving ability in this specialty， so as to better adapt to the development of the industry. Based on ships and Marine professional deficiencies existing in the experimental teaching， this paper will overview of virtual simulation， virtual simulation experiments in the experimental teaching， the application of ship advantages， integration of the problems existing in the traditional experiment mode， standing in the virtual simulation experiment platform construction， and virtual simulation experiment teaching two aspects of practice teaching strategies are put forward.

Keywords： virtual simulation experiment; ship and ocean engineering; platform construction; teaching practice; problem analysis

在现代教育事业发展中主要强调素质教育，旨在培养学生的创新能力、发展能力及实践能力。在《中华人民共和国高等教育法》中明确指出现代高等教育要培养具有创新精神和实践能力的高级专业人才。船舶与海洋工程专业教学过程中实验教学是培养学生创新能力与实践能力的主要途径，受制于传统教学中诸多不足，当前实验教学中仍旧存在许多问题，实验方法、实验内容及实验手段均有无法突破的壁垒，使得学生在创新及实践能力方面存在缺陷。这不仅影响了船舶与海洋工程专业的人才培养质量，也不利于推动我国高等教育事业持续改革发展。虚拟现实技术的诞生为实验教学提供了良好契机，船舶与海洋工程专业也可基于虚拟现实技术打造虚拟仿真实验教学，突破传统实验教学中的不足，提高实验教学质量，有效培养学生的实践能力、创新能力。

一  虚拟仿真实验概述

虚拟现实实验综合了虚拟现实技术、多媒体技术、人机交互技术、大数据库和网络通信技术等重要信息技术。主要技术包括，一是多媒体技术，负责对文本、图像、动画、声音和视频等信息进行综合处理，打造生动逼真的二维或三维实验场景，并建立逻辑关系，使实验场景更加生动直观，在理论教学与原理演示中具有积极的应用价值。二是人机交互技术，指的是利用计算机技术进行信息输入与输出，实现人与计算机之间的对话。如利用穿戴设备进行沉浸式体验，让人体在虚拟空间中与计算机进行交互，最终强化人体体验。三是可视化技术，指的是将大量实验数据或信息数据以图像或图形的方式展现出来，深度剖析展示实验原理及实验过程。四是仿真技术，基于控制论、系统论及信息技术，利用计算机和相应设备打造虚拟装备，为人体带来视觉、听觉、触觉等多个方面的真实体验，有效强化人机交互，提高虚拟仿真实验的真实性和体验感。五是虚拟现实技术，指的是运用计算机三维图形和图像处理加强计算机传感与人机交互，为使用者提供观察虚拟世界与虚拟世界进行交流的人机界面，使其更加深刻地参与和探索虚拟仿真实验环境中的实验变化，最终产生沉浸感。六是摇现技术，指的是利用手机、电脑、无线网络及可视化技术，将人体所处的真实场景与实验环境有效融合，强调虚拟场景与现实场景的交互，目前这一技术主要应用于远程协同实验。

以上包含了虚拟仿真实验所运用的信息技术。虚拟仿真实验这一概念最早由美国提出，美国科罗拉多大学采用的交互式模拟仿真实验为学生提供了高仿真的模拟环境，使其直观地了解物理特性。我国虚拟仿真实验起步较晚，但近年来发展迅速，我国多所高校相继开设了虚拟仿真实验平台和实验教学系统。目前虚拟仿真实验在物理、化工、机械和医药等领域均有广泛应用，突破了实验器材昂贵、实验过程复杂的现实瓶颈，解决了因诸多条件受限而不能参与实验过程的实际问题[1]。利用虚拟仿真实验能够代替实际实验为使用者提供开放性、综合性的实验平台及实验数据，强化实验体验。

二  虚拟仿真实验在实验教学中的应用优势

（一）  提高实验教学的可操作性

虚拟仿真实验是基于虚拟现实技术为学生打造高仿真的模拟实验环境，让学生在模拟实验环境中体验真实的实验过程。此时能够有效突破传统实验环境中的诸多限制，提高实验过程的可操作性，帮助学生进一步验证自己的理论知识。如虚拟仿真实验可以在原有的标准和指导下，让学生依照自己的理论储备和实验经验展开实验操作，无需担心实验失败造成的诸多不良影响，同时又给学生提供了探索多种可能的机会[2]，有利于培养学生的创新能力和基本素养。

（二）  完善实验基础设施

虚拟仿真实验能够有效突破传统实验环境中器材不足和环境不足的实际问题，为学生打造多种实验场景，帮助学生在不同的使用场景中进行实验，一方面有利于提高实验环境的多样性，另一方面也能够帮助学生学习操作各种实验器材，提高实验教学的专业性。同时在虚拟仿真的实验环境下也可以帮助学生完成现实条件不可能完成的各种实验活动，强调学生在实验教学时获得的良好体验和经验累积，有利于促进学生在未来的学习与工作中适应多样化的实验环境。

（三）  提供多样化交互环境

实验教学不仅是为了让学生掌握基本的实验原理和实验过程，还需要让学生适应各种实验环境，获得基本的交互能力、合作能力。虚拟现实实验能够为学生提供不同的实验场景并打造多样化的实验任务和协作对象。在此过程中学生能够基于不同角色参与到虚拟实验当中，并与实验场景中的人物、器材、环境进行交互，为学生提供多样化的交互环境，帮助学生适应不同的实验环境，让学生在实验环境中掌握与他人合作交流的基本技巧，进一步强化学生的专业素养与社会能力。

（四）  突破时间与空间限制

虚拟现实实验主要是基于电脑、手机、多媒体等网络技术展开，在实验过程中既可以以班级为主体展开实验教学，也可以以学生为主体展开个体实验教学。同时在实验环境选择方面也更加灵活，既可以在班级中进行实验教学，也可以在各种场景中进行实验教学。这一实验方法突破了时间与空间的限制，能够有效利用各种现实场景或者是教学契机展开实验教学，强调实验教学的理论验证特点，帮助学生及时进行理论知识验证，培养学生科学严谨的实验精神和实事求是的基本素养。

（五）  节约模型实验成本

在模型实验过程中各种实验仪器、实验设备、实验材料价格昂贵，严重增加了教学成本，再加上各种实验条件的限制，也无法达到最佳的教学效果。在虚拟仿真实验教学过程中各种实验器械和实验材料都可以重复使用，可以保障每一个学生都能参与实验，体验实验过程。同时也有利于培养学生的实验能力和探究能力，帮助学生在虚拟仿真实验中获得实验经验，进一步指导学生进行模型实验，最终有效节约模型实验成本，降低学生在模型实验过程中的失误率。

三  船舶与海洋工程专业实验教学中的不足

（一）  学生实验操作机会较少

在传统的实验环境中需要技术人员及教师进行实验项目准备，所有的实验设备及材料都需要由专业人员操作，学生在实验时不仅实验材料和实验环境会发生很大的改变，而且还会给学生制定多项实验规定，要求学生按照流程进行操作，这种实验环境不利于培养学生的创新思维，学生只能按照操作流程“照葫芦画瓢”进行低配版实验，学生的自主性和积极性严重受限。而且诸多条件限制也影响了学生的创新思维发展，不利于让学生验证自己的理论，使得实验教学难以达到理想的教学成效。

（二）  实验安全隐患较大

在船舶与海洋工程实验教学过程中，实验仪器和实验器材具有一定安全隐患，如学生操作不当，极有可能造成生命或财产安全隐患，这不仅会增加学校的教育成本，也会影响学生的学习质量。再加上学生对实验安全知识的理解不够透彻，缺乏良好的实验安全意识，在实验过程中极容易因为操作不当或其他细节疏忽造成实验安全事故，严重影响学生的生命及财产安全。

（三）  实验运行维护成本高

在船舶与海洋工程专业实验教学过程中各种仪器设备都是维持实验教学的基本物质支持，而多数仪器设备价格昂贵，折旧率高，只有保障仪器设备的不断更新，才能够让学生掌握前沿的技术，这是学校教育事业中一笔不小的教育支出，再加上很多学生不懂仪器设备的保养常识，在使用及管理过程中疏于维护，经常出现仪器设备故障，这不仅导致实验耗材用量较大，同时还增加了实验运行维护的成本。随着成本支出的不断增加，实验教学的规模与次数也在不断减少，严重影响了人才培养质量。

（四）  实验课程覆盖率较低

在船舶与海洋工程专业教学过程中，基本上所学知识都需要通过实践进行验证，强化学生的理论基础和知识水平。但是由于实验成本、实验环境等因素影响，实验教学只能集中于部分疑难点教学，大部分知识难以通过实验教学进行验证，使得实验课程覆盖率较低，无法帮助学生将所有知识在实践中获得验证与巩固。尤其是设备以及知识更新较快，学校教材及实验设备无法及时进行更新，难以让学生根据当下研究热点进行实验，影响了学生的知识更新与专业成长，不利于培养符合行业发展的创新型高质量人才。