陶肆 鄧華 程嘉慶 毛奎

摘?要：隨著全球海洋運輸需求持續(xù)升高，我國航運業(yè)的快速發(fā)展，對高質量的海運人才的需求也在日益增加，而借助新興技術靈活開展航海類專業(yè)課教學，增強航海專業(yè)教育成效顯得非常重要。VR技術（Virtual?Reality?Technology）是一種軟件系統，利用電腦、圖形處理、多媒體感應、Web等技術對虛擬世界進行創(chuàng)建和體驗。本文將結合船舶結構與貨運課程教學現狀及VR技術的應用優(yōu)勢，分析VR技術在船舶結構與貨運課程教學中的應用價值，相關成果可為船舶結構與貨運課程教學提供更多幫助，同時也為航海類專業(yè)課程教學改革提供了新視角。

關鍵詞：VR技術；船舶結構與貨運；教學改革；分析

1?概述

虛擬現實技術（Virtual?Reality?Technology，VR）以計算機技術為基礎，可進行實時、實地、實景的虛擬仿真轉換，讓用戶沉浸在虛擬環(huán)境中自主學習，以大數據的網絡系統為載體。VR技術是對3D技術的重建，可以實現三維體驗，在3D中實現逼真的操縱感，以身臨其境、互動性強、感性多、觀念強、自主為特點。隨著5G和虛擬技術的發(fā)展，越來越多的VR技術涌現出來，包括動態(tài)環(huán)境建模、實時3D圖形生成、操作系統開發(fā)、合成系統技術等，目前應用場景比較豐富的有航海、航空、醫(yī)療、礦藏、工程、教學、軍事等領域。［1］

2?VR技術在教學應用中現狀分析

VR技術可以用于醫(yī)療上的遠程會診、工程領域的技術分析、復雜構件和危險環(huán)境教學上的虛擬仿真等眾多領域。其中，協同虛擬現實工作是VR技術研究和應用的熱點，它引出了包括人的因素和網絡、數據庫技術等［2］在內的新的應用技術。它需要考慮的是，在共享空間內，多個用戶之間如何互動，如何在多個用戶的共同作用下有所表現。因此，對VR技術在教學中的應用進行研究意義重大。

最近幾年，很多基于VR技術的學者在教學和研究方面做出了很大的貢獻。秦詠梅以實際VR技術的積極探索為基礎，對汽車教學實訓課程中VR虛擬仿真的主要方式和設計進行分析，以興趣為基礎，以任務為主導，反復演練，強化技能，增強學生的職業(yè)意識，啟發(fā)學生的學習興趣，進而提高專業(yè)操作課程的教學效果。［1］崔江紅等為滿足教學和實際訓練使用而開發(fā)了一套虛擬模擬操作系統，［3］用戶能在該虛擬仿真交互系統中完成“真實”工藝實驗，能作為機械類課程直觀展示的教學模塊，能作為教師、學生的科研、學習渠道，在人機交互下高效率地開展工程數據設置、研究等。由于現在航海類高職高專大院校多缺乏教學實習用船，這給學生學習船舶構造和航海知識造成了很大的困難，張如凱等采用Multigen?Creator進行建模，經過模型優(yōu)化和格式轉換，從而解決了此類教與學中的疑難問題。利用Unity3D這一跨平臺虛擬現實應用開發(fā)引擎來完成虛擬艦船平臺的搭建，并解決教學資源匱乏的問題。伊善強等以現代全景模擬導航技術為基礎，利用船舶構造和裝備課程教學中遇到的實際需求高的問題，研制出360°全景船舶導航系統。［4］在講授船舶構造和貨運課程時，這套系統可以讓學員在實際操作能力方面有所提高。通過在船舶構造和貨運課程中構建三維船模的虛擬仿真，提高學員對空間的理解力，讓學員更好地獲得真實感和體驗感。蔣效彬等根據船舶錨機教學訓練中錨機設備笨重、結構復雜、學生操作風險大的現狀，提出錨機交互仿真系統應用虛擬現實技術的方法。［5］為船舶錨機開發(fā)的三維互動操作系統，可模擬船舶錨機使用的全過程，滿足新的教學需要和實際操作演練。王在高等從海事院校實船教學設備不足，師資力量缺乏企業(yè)一線實踐經驗，大多停留在應試教育等方面分析船舶結構與貨運課程在教學實踐中存在的多種問題，并從理論和實踐教學兩個方面提出了VR技術在船舶結構與貨運課程教學中的應用優(yōu)勢［6］。劉松等采用虛實結合的教學模式，仿照貨艙內聲波傳播的路徑，將VR技術引入聲學實訓教學中。［7］采用虛實結合的真實實驗模型和模擬情景教學模式，提高學生學習的積極性，使學生對理解音波傳播路徑、貨艙噪音等理論知識有了更深的理解和理解。

基于以上的研究，VR虛擬技術在教學中的運用已經越來越完善。本文結合航海類專業(yè)教育教學特點，深度探析VR技術在船舶結構與貨運課程設計與教學中的應用。教師充分發(fā)揮VR技術的應用價值，可以使船型結構和貨運型教學效果得到顯著增強，對于學生高效學習和精練練習都有很大的幫助。

3?船舶結構與貨運課程教學概述

3.1?課程內容及特點

船舶結構與貨運課程是依據STCW公約及海船船員培訓大綱（2021）涵蓋的內容，按以往的教學安排，船舶結構一般安排在大學一年級進行學習。而海上貨物運輸安排在較高年級教學的主要專業(yè)課程，兩門課程結合緊密，與船舶應用性和實踐性較強，船舶結構與貨運課程培訓及考試科學合理，是培養(yǎng)航海技術專業(yè)能力和職業(yè)素質的專業(yè)核心課程。

由于船舶結構課程具有很強的空間立體感，學生需要零距離接觸船舶，才能對船舶有基本的感性認識。要想取得理想的教學成績，如果學校沒有實船教學是非常困難的。因海運船舶的種類很多，其船舶結構及貨艙構造不盡相同，貨物包裝形式不統一，裝卸及運輸方式相差甚遠。船舶貨運課程目前的課程內容涉及幾種主要的船舶類型，例如：客船、雜貨船、集裝箱船、散貨船、礦砂船、滾裝船、木材船、冷藏船、多用途船、油船、液體化學品船、液化氣船、挖泥船、工程船、公務船等。因每一種船舶結構與設備都不一樣，即便學校有教學實習船，也很難有全門類的船舶類型，所以虛擬仿真技術（VR）在船舶結構與貨運課程教學中作用明顯。

3.2?課程教學現狀分析

由于船舶結構與貨運課程開設較早，該門課程存在一定的特殊性，其在實際的教與學中存在著許多問題，本文通過從學生的學和教師教兩個方面深度剖析該課程在實際教的教學現象。

3.2.1?學生專業(yè)基礎缺乏

由于學生缺少船舶的感官認識，更缺乏相關專業(yè)知識，對實船的認知欠缺。所以該課程的前期教學是比較困難的，甚至會對學生的積極性造成影響，盡管學生和教師都付出了大量的時間和精力，教學效果不佳。

3.2.2?專業(yè)教學資源緊缺

海事院校常規(guī)教學過程中，實船教學設備及教學資源相對缺乏，特別是上船教學過程太少，教學過程很難理論聯系實際。船舶結構與貨運課程的知識點均圍繞船舶實際進行教學。全國航海類院校擁有自己教學實習船的學校相對較少，即使有教學實習船的學校，也很難滿足大規(guī)模的教學實習，因為一艘教學船同時能容納幾十到一百多名實習生。傳統的教學方式都是學生學完所有的專業(yè)課以后再上船實習，過程枯燥乏味。目前各航海院校的船舶結構與貨運課程教學以多媒體講授為主，實操、實訓為輔，學生難以體會真實船舶沉浸性、交互性。

然而，隨著高考擴招和職業(yè)教育的大力發(fā)展，學生在校學習時間相對較短，航海技術專業(yè)的教學資源捉襟見肘。

3.2.3?實踐教學環(huán)節(jié)薄弱

船舶結構與貨運知識點較多，大多需要通過真實的觀看和實際操作，如船舶貨艙構造、錨機設備、艙蓋設備、救生設備、系泊設備、舵設備、起重設備、系固設備等，才能真正理解和掌握到感官上的認識，才能有效理解構造知識。這些相關知識，如果實地參觀，并在實船上操作，就能做到心中有數，融會貫通。由于實船教學及實訓基地較少與過多的學生學習需求存在矛盾，使得大多數船舶結構與貨運課程教學停留在理論知識的教學的階段，需要學生去發(fā)揮空間想象或者死記硬背。［8］讓一堂精彩絕倫的實戰(zhàn)課變得索然無味，新意不足。并且船舶結構與貨運課程的實訓課很多，目前各院校課程安排以設備或者模擬實驗室為主，上船參觀及實習為輔。近幾年，無法安排學生到船舶實訓，在線學習是完美選擇，也規(guī)避了實船實習的風險。

3.2.4?課堂教學存在不足

現在教材內容相對枯燥，多媒體內容相對單一，導致學生缺乏深入學習的動力。尤其是遇到大量晦澀的專業(yè)結構術語、種類繁多、結構復雜的設備及其組成、種類繁多、種類繁多的不同運輸時。以課堂教學為主要手段的教學活動，是教師教學聯系學生學習的一種雙邊活動。［9］

專業(yè)課程教學以課堂教學為主陣地，目前船舶結構與貨運課程的課堂教學存在諸多不足。教師忽視學生是課堂主體，學生失去自主性，對課堂沒有沉浸感，對于船體結構及貨物特征這樣晦澀難懂的課程，聽起來會十分吃力。課堂教學呈現的內容不具重復性，根據記憶曲線原理，知識的獲取都需要反復學習、記憶及理解。在課程教學中，實訓課程考核也是一個重要的模塊。［1］無論是學校組織的結業(yè)考試還是海事局組織的適任考試，學生只求通過考試，而不求對知識的真正理解、掌握。盡管這樣學生可以通過考試，但是知識還是掌握不牢固，實際效果不佳，而通過引用VR技術可以很好地解決此類問題。

4?VR技術應用于船舶結構與貨運教學優(yōu)勢

可以通過計算機模擬技術，實現船舶狹小空間漫游，在觀者眼前形成一個虛擬的逼真的船舶貨艙及貨物內外結構，使人有身臨其境的感覺，動態(tài)模擬與仿真來進行船舶結構與貨運課程的教學可以激起學生的學習興趣，提升教學效果。

4.1?教學內容視覺化變優(yōu)

以往教學過程中主要采用以下方法，使學生在結構中感受到每個構件的立體感官認識：利用每個構件的畫面，通過PPT進行播放，在船舶結構與貨運課程教學中，經常要使用實船構件模型，如球鼻艏、首尖艙、螺旋槳、舵葉、錨等。但這樣的展示只能提供對空間缺乏認知作用的平面視角，模式化教學除了視角不同，在不同位置的學生眼中也各有不同，不失為一種好用的方法。而且并不是所有構件都有相應的教學模型，通過電腦多維建模，建立立體模型，再將任意視角通過旋轉的方式展現出來，可以說是一種相對理想的方式，但也有嚴重的不足之處。由于動畫是預先設定好的，不能任意更改過程，使用時需要學生暫停，缺乏交互感。

4.2?學習中的交互性變好

在教學中，我們需要把這些立體空間呈現給學生，但因為沒有實船，所以不可能讓學生進入這些立體空間。在以往的教學中，學生的空間想象是通過教師的講述來啟發(fā)的，一個虛擬的空間是讓學生想象出來的。比如，讓學生在水里看船底，在船底構造教學是不可能的，雙層船底結構授課，學員無法全部鉆進雙層船底艙進行實物觀摩。在教學中運用虛擬現實技術，既能讓學生想象出船的空間，又能使學生看得見、聽得見，甚至觸手可及。這些教學立體空間都是利用虛擬現實技術精確構建出來的。走進這個完全虛擬的世界，學生會有一種身臨其境地觀察各種船底構造、雙層船殼構成的感覺，仿佛置身于實船立體環(huán)境之中。對傳統理論教學的革新和挑戰(zhàn)，無疑這種虛擬情境的教學是獨特的。

4.3?學習沉浸真實感變強

多維虛擬仿真場景（MultiVirtual?Simulation）是指在現實生活中可能出現的一些場景，在不同的時間或地點通過虛擬仿真技術進行展示。在船舶結構與貨運課程教學中，船舶結構的重點可分為常識、船舶結構、錨泊設備、救生設備、上層建筑等，兼顧了實際船舶工作的實際需要。設置虛擬模擬教學場景，把真實的作業(yè)狀態(tài)在船舶的實際工作中構建成一個場景。場景包括船舶靠離碼頭、船舶拋錨起錨、船舶消防救生演習等，像自己在船上工作、親身體驗一樣，通過學生觀察虛擬場景。學生通過這些模擬情景教學，對結構和器材有了更好的了解，對裝卸貨物的操作也比較熟悉。

基于以上分析，通過VR技術搭建全面、真實的教學環(huán)境能夠很好地彌補船舶結構與貨運課程教學中存在的不足。同時，引入VR技術和“互聯網+”技術，能夠在專業(yè)教學內容深度提升、教學平臺拓展等方面很好地改善航海類專業(yè)課的教學條件。

結語

隨著世界海運的快速發(fā)展以及科學技術的日新月異，基于VR技術的教學技術將很快成為航海類專業(yè)教學的重要方式。通過VR技術的構建和模擬，船舶結構與貨運課程的教學更加輕松自如，增強了課程的立體感、互動感和即視感，極大提高了課程的教學效率。通過VR技術的運用，學員更好地體驗到課程教學的每一個環(huán)節(jié)，更直觀地感受和感悟到專業(yè)知識的學習，從而更加得心應手地掌握復雜難懂的專業(yè)知識。目前，隨著VR技術的不斷完善和發(fā)展，計算機軟件和硬件設備價格下降，通過合理有效的教學設計，制作更多的教學資源，VR技術可為航海類專業(yè)教學提供強有力的輔助作用。

參考文獻：

［1］秦詠梅，周定武，胡鴻飛.VR技術在汽車專業(yè)的教學探索［J］.科技創(chuàng)新導報，2020，17（17）：209210.

［2］劉希.基于VR技術的設計學類人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新融合與發(fā)展［J］.明日風尚，2016（23）：26.

［3］崔江紅，吳孔燃，張海城，等.基于VR的針刺機虛擬仿真實驗教學系統［J］.機械工程師，2021，3：2629.

［4］伊善強，崔剛.基于Pano2VR全景技術的船舶結構與設備課程教學研究［J］.青島遠洋船員職業(yè)學院報，2017，38（4）：3539.

［5］蔣效彬，譚家萬，任鴻翔，等.基于虛擬現實技術的船用錨機交互仿真系統［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2019，38（6）：1216.

［6］王在高，張小蘭.三維立體虛擬技術在高職專業(yè)實訓教學中的應用——以《船舶結構與貨運》課程為例［J］.產業(yè)與科技論壇，2017，16（6）：164165.

［7］劉松，陳文炯，高健桐，等.基于VR技術的艙室聲波傳播途徑實驗教學研究［J］.實驗室科學，2019，22（4）：14，9.

［8］馬文耀.虛擬現實技術在《船舶結構與設備》教學中的應用［J］．武漢船舶職業(yè)技術學院學報，2010，9（06）：108110+113.

［9］吳亞軍.從適任考試談“船舶結構與設備”課程的教學重點［J］．廣州航海高等專科學校學報，2004，12（2）：1820.

項目基金：江蘇省現代教育技術研究立項課題（2021R90672）

作者簡介：陶肆（1977—?），男，漢族，安徽樅陽人，副教授，研究方向：航海安全管理。