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1、【教學(xué)設(shè)計(jì)論文】虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)設(shè)計(jì)
［摘要］隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)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(lèi)院校教育體系較為重視的問(wèn)題?；谔摂M仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)成為目前本專(zhuān)業(yè)課程的一種新實(shí)踐。通過(guò)對(duì)輪機(jī)自動(dòng)化課程應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展教學(xué)的可行性進(jìn)行分析，探討了課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)而提出了具體的設(shè)計(jì)策略。以期提升輪機(jī)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)室；輪機(jī)自動(dòng)化；課程設(shè)計(jì)
一、引言
輪機(jī)自動(dòng)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(zhuān)業(yè)的核心課程，該課程有
2、兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：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(gè)或多個(gè)控制系統(tǒng)才能正常運(yùn)行，課程涉及各種類(lèi)型的自動(dòng)控制系統(tǒng)。二是理論性極強(qiáng)，輪機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的基本是自動(dòng)控制理論，無(wú)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(shí)。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的開(kāi)展，可以提供良好的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)施并且對(duì)教學(xué)平臺(tái)的利用率高，成為輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)新方向。因此，本課程的設(shè)計(jì)將虛擬技術(shù)與輪機(jī)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，利用現(xiàn)有的船舶機(jī)艙虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建輪機(jī)自動(dòng)化課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，授課內(nèi)容緊貼前沿技術(shù)，在教學(xué)方式上推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立操作，可大大提高輪機(jī)自
3、動(dòng)化授課的效果，大幅增強(qiáng)課堂中學(xué)生的直觀體驗(yàn)。
二、輪機(jī)自動(dòng)化課程現(xiàn)狀分析
（一）教學(xué)資源現(xiàn)狀“輪機(jī)自動(dòng)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(shí)訓(xùn)室是教學(xué)的關(guān)鍵，主要在于課堂理論知識(shí)的實(shí)踐運(yùn)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(shí)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(méi)有深度涉及。而且這門(mén)課程的綜合性很強(qiáng)，目前的教學(xué)資源并不滿(mǎn)足實(shí)際需求。還受船舶自動(dòng)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(shí)例等問(wèn)題，同時(shí)實(shí)踐階段授課時(shí)間比例小，學(xué)生數(shù)量多，實(shí)驗(yàn)教育跟不上船舶
4、設(shè)備發(fā)展的新趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)能力也偏弱。因此，如何圍繞船舶動(dòng)力裝置知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)內(nèi)容，使之適應(yīng)海事專(zhuān)業(yè)的課程體系并培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，是教學(xué)質(zhì)量不斷提高所要解決的重要問(wèn)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(dòng)化課程分為理論講授和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面，單獨(dú)設(shè)置輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)課程體系設(shè)置的缺點(diǎn)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(duì)綜合課程的理解，再加上缺乏綜合性教學(xué)手段，專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)聯(lián)系不上，學(xué)生學(xué)習(xí)效率明顯偏低。在實(shí)踐教學(xué)方面，輪機(jī)模擬器仍是航海類(lèi)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的重要設(shè)備。一般的實(shí)踐教學(xué)模式就是圍繞著大型輪機(jī)模擬器系統(tǒng)
5、進(jìn)行，該系統(tǒng)可對(duì)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(duì)船舶電站進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警。對(duì)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(guò)輪機(jī)模擬器的操作，掌握輪機(jī)自動(dòng)化理論的具體應(yīng)用，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是理論課程無(wú)法替代的。但實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)與講義完全分離，所以輪機(jī)模擬器的效果不佳，同時(shí)涉及設(shè)備的安全問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性不足，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的自由度不夠。因此，加強(qiáng)利用實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源，開(kāi)發(fā)模擬仿真實(shí)驗(yàn)室這類(lèi)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(tái)現(xiàn)狀隨著輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)的發(fā)展，我國(guó)的航海院校對(duì)虛擬仿真的教學(xué)平臺(tái)建設(shè)越發(fā)重
6、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(guó)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(shí)操階段。如天津海運(yùn)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(gòu)了虛擬現(xiàn)實(shí)型輪機(jī)模擬器。這種輪機(jī)操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由半實(shí)物輪機(jī)模擬器，二維軟件，三維軟件與管理軟件四個(gè)部分組成，以滿(mǎn)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(shí)驗(yàn)室并入輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)成為可能，為課程設(shè)計(jì)提供了重要的建設(shè)基礎(chǔ)。
三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室適用于輪機(jī)自動(dòng)化課程的可行性分析
1.本次教學(xué)課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，
7、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(jí)和功能擴(kuò)展均為原設(shè)備上的擴(kuò)展，各模塊可單獨(dú)訓(xùn)練或在線(xiàn)訓(xùn)練。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可以再現(xiàn)模擬器實(shí)驗(yàn)的所有功能，還可以用于網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和遠(yuǎn)程輪機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)教育，因此在本教學(xué)設(shè)計(jì)中，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)入教學(xué)是完全可能的。2.傳統(tǒng)的輪機(jī)自動(dòng)化課堂學(xué)習(xí)過(guò)程分為兩個(gè)階段：信息傳遞和吸收。前者是通過(guò)師生之間的互動(dòng)來(lái)實(shí)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(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的輪機(jī)自動(dòng)化課堂重建了學(xué)習(xí)過(guò)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行自我探索與完善的。而
8、吸收內(nèi)化是通過(guò)授課中的互動(dòng)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)之后所得，因此，在這個(gè)過(guò)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(wèn)題，進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)后的授課中進(jìn)行有效的指導(dǎo)，同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)學(xué)生之間的相互交流也有助于促進(jìn)知識(shí)的吸收內(nèi)化。3.關(guān)于我校輪機(jī)自動(dòng)化教學(xué)引進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室也是具有可行性的，學(xué)校是海洋運(yùn)輸工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的實(shí)際參與者，曾參與過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地落實(shí)，功能布局和軟硬件系統(tǒng)分采購(gòu)與安裝等工作，因此對(duì)于本課程的設(shè)計(jì)具有一定的基礎(chǔ)。另外，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金充裕，購(gòu)買(mǎi)相關(guān)裝置和設(shè)備不存在經(jīng)濟(jì)上面的困境，因此對(duì)于課程設(shè)計(jì)有較大助力。最后，經(jīng)過(guò)相關(guān)調(diào)研，輪機(jī)自動(dòng)化相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)于虛擬仿真實(shí)
9、驗(yàn)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(kāi)展。綜上所述，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)無(wú)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(zhuān)業(yè)學(xué)生也對(duì)此持有極大的熱情，為該課程設(shè)計(jì)提供了可靠的保證。
四、基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的輪機(jī)自動(dòng)化課程的教學(xué)設(shè)計(jì)
本課程設(shè)計(jì)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(shí)際的工作任務(wù)或工作場(chǎng)景，通過(guò)順序教學(xué)內(nèi)容和科學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，將船舶輪機(jī)自動(dòng)設(shè)備工作機(jī)理理論和自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生具有機(jī)艙自動(dòng)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
10、斷能力，進(jìn)而培養(yǎng)自動(dòng)化船舶管理人員一定的分析和解決問(wèn)題的能力。
（一）多種教學(xué)方法的結(jié)合利用運(yùn)用案例分析法教學(xué)?；谔摂M仿真實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)行案例分析法教學(xué)，即對(duì)學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所思所想，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度知識(shí)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(kāi)角色模擬教學(xué)。建立了一個(gè)真實(shí)的工作環(huán)境，開(kāi)拓了學(xué)生的思路，提高了學(xué)生的實(shí)踐技巧，實(shí)現(xiàn)了輪機(jī)自動(dòng)化教育的直觀性和交互性，推進(jìn)了自我控制理論與實(shí)踐的結(jié)合。例如，“宏管輪”應(yīng)該基于與主機(jī)啟動(dòng)相關(guān)的條件來(lái)判斷
11、主機(jī)啟動(dòng)邏輯條件的滿(mǎn)足，能夠基于預(yù)先設(shè)定的故障來(lái)解析的判斷，并進(jìn)行與之相應(yīng)的故障排除。通過(guò)情景任務(wù)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的綜合能力。
（二）現(xiàn)代教學(xué)手段的充分運(yùn)用充分利用多媒體教學(xué)手段。自主開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的多媒體教材將以往抽象枯燥的說(shuō)教轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)的動(dòng)態(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(lái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。深度進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。關(guān)于輪機(jī)自動(dòng)化設(shè)備的仿真操作，使用和維護(hù)等，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練，直到熟練為止即在教學(xué)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)“教，學(xué)，做”一體化的工學(xué)結(jié)合教學(xué)模式，加深對(duì)學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)的理解，提高實(shí)踐能力
12、。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(shí)的反饋學(xué)生的知識(shí)技能掌握情況。具有教學(xué)實(shí)踐路線(xiàn)圖（如圖3所示）。
（三）構(gòu)建多元評(píng)價(jià)體系一個(gè)優(yōu)秀的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，除了充分利用好教學(xué)資源，即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室之外，還要注重學(xué)生的多元化考核評(píng)價(jià)體系，這是對(duì)于教師教學(xué)，以及學(xué)生知識(shí)掌握度反饋的一個(gè)有效手段。因此，建立完善的學(xué)生考核評(píng)價(jià)體系是綜合評(píng)價(jià)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(mén)課的成績(jī)是由專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)能力兩個(gè)部分構(gòu)成的。其中，專(zhuān)業(yè)能力的實(shí)際操作評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)室的隨機(jī)測(cè)試。評(píng)估主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估
13、：職業(yè)責(zé)任感和認(rèn)真工作的作風(fēng)能力，獨(dú)立達(dá)成任務(wù)的能力，討論與回答問(wèn)題的能力，仿真實(shí)驗(yàn)中具體項(xiàng)目的協(xié)作能力，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作能力。這注重實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)體系更加有利于課堂教學(xué)的深入開(kāi)展，有利于學(xué)生的動(dòng)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(yǔ)
采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行輪機(jī)自動(dòng)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(duì)于輪機(jī)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)室能使輪機(jī)自動(dòng)化課程更加貼近于實(shí)際操作，避免了教學(xué)發(fā)生閉門(mén)造車(chē)的情況，使得學(xué)生進(jìn)入工作時(shí)可以更快適應(yīng)。最后通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室輪機(jī)自動(dòng)化課
14、程教學(xué)的具體設(shè)計(jì)，可以有效地掌握學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握情況，對(duì)學(xué)生的最后成績(jī)打分更加客觀和多元。這種基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)設(shè)計(jì)有利于加強(qiáng)學(xué)生的興趣，以及加深理論知識(shí)的吸收和動(dòng)手能力，進(jìn)而促進(jìn)課堂的高效展開(kāi)。
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【教學(xué)設(shè)計(jì)論文】虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)設(shè)計(jì)
