數(shù)字孿生船舶與課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合探索

袁利毫，劉旸，昝英飛，陳淼

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

面對(duì)科學(xué)技術(shù)的更新?lián)Q代，教育教學(xué)應(yīng)走在其前列[1]，尤其在設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)模型全三維化、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可查詢、可衍生是必不可少的條件，因此數(shù)字孿生是未來(lái)教育方式變革的重要技術(shù)之一[2]。 針對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)船舶設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)[3]，推動(dòng)數(shù)智化（數(shù)字化、智能化）技術(shù)與船海專業(yè)教育教學(xué)深度融合，重新構(gòu)建教育教學(xué)信息化模式，解決當(dāng)前船舶設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中人機(jī)交互手段匱乏、 學(xué)生難以掌握船舶設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方案難以評(píng)估與優(yōu)化等問題，改變傳統(tǒng)思維，開拓新思維，與行業(yè)領(lǐng)先設(shè)計(jì)理念銜接，儲(chǔ)備人才，進(jìn)一步推動(dòng)船海教育領(lǐng)域的格局和教學(xué)模式變革，實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理的數(shù)智化。

1 船舶與海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)梳理與體系建設(shè)

以船舶與海洋工程專業(yè)核心課程《船舶與海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)原理》為例，圍繞課程教學(xué)大綱，全面梳理傳統(tǒng)船舶與海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中較難掌握知識(shí)點(diǎn)和設(shè)計(jì)要素。 結(jié)合船舶設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)，針對(duì)散貨船、油船、集裝箱船等代表性船型，進(jìn)行船舶總體設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)分析，包括主尺度選取、船體型線設(shè)計(jì)、總布置設(shè)計(jì)、主機(jī)功率選取等內(nèi)容，并從穩(wěn)性、快速性、操縱性、 耐波性等方面建立相應(yīng)的教學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；構(gòu)建網(wǎng)上學(xué)習(xí)平臺(tái)，基于“智慧樹”慕課學(xué)習(xí)平臺(tái)，建立《船舶與海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)原理》慕課、習(xí)題庫(kù)、思政案例庫(kù)、船型設(shè)計(jì)庫(kù)和專家講學(xué)課，將知識(shí)點(diǎn)碎片化，通過(guò)設(shè)計(jì)案例將知識(shí)重新組合，在翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行學(xué)生課后的案例設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。 圖1為本課程的慕課學(xué)習(xí)入口。 該課程獲批2021年黑龍江省線上線下混合式教學(xué)一流課程，配套教材獲評(píng)2021年工信部“十四五”規(guī)劃教材。

圖1 慕課建設(shè)

2 船舶在線虛擬設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

將數(shù)字孿生船舶理念融入課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建線上線下、虛實(shí)結(jié)合、一體的教學(xué)模式。將“互聯(lián)網(wǎng)+”概念應(yīng)用到特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，師生可以在互聯(lián)網(wǎng)上共享虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)資源，學(xué)習(xí)方式自由、 學(xué)習(xí)時(shí)間自主，更有利于安排學(xué)習(xí)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)線下教學(xué)一體化。

2.1 在線總體設(shè)計(jì)部分

分析船舶設(shè)計(jì)流程，針對(duì)主流船舶開發(fā)三維船體、總布置、阻力與推進(jìn)、操縱與耐波等數(shù)字孿生模型，建設(shè)了課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的在線虛擬設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)。利用課題組在船舶總體設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生、船舶運(yùn)動(dòng)建模與仿真等方面研究基礎(chǔ)和科研隊(duì)伍，重點(diǎn)構(gòu)建了船舶與平臺(tái)需求分析和母型船選擇、排水量設(shè)計(jì)、主尺度設(shè)計(jì)、載重量校核、重心估算、穩(wěn)性校核、船體阻力、推進(jìn)、主機(jī)功率、航速、型線和模型生成、操縱性仿真等數(shù)字孿生模型，并完成在線虛擬設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)的軟件開發(fā)與系統(tǒng)集成測(cè)試。學(xué)生按照學(xué)號(hào)登錄，選擇設(shè)計(jì)任務(wù)書和母型船開始虛擬設(shè)計(jì)，教師使用工號(hào)登錄教師端，查看學(xué)生設(shè)計(jì)過(guò)程報(bào)告和結(jié)果，予以評(píng)價(jià)。圖2為船舶在線虛擬設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)。

圖2 船舶在線虛擬設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)操作部分

由于海洋平臺(tái)海上安裝風(fēng)險(xiǎn)高，模型實(shí)驗(yàn)還原困難，課堂互動(dòng)體驗(yàn)不便，因此利用數(shù)字化與仿真技術(shù)，以構(gòu)建“人在回路”的仿真實(shí)驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)，以高精準(zhǔn)的多系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值建模與實(shí)時(shí)解算為技術(shù)核心，搭建了海洋平臺(tái)安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 平臺(tái)分為工程認(rèn)知、滑移裝船、浮托安裝、實(shí)驗(yàn)考核4 個(gè)模塊，共計(jì)40個(gè)實(shí)驗(yàn)交互操作步驟，涵蓋10 個(gè)核心知識(shí)點(diǎn)[4-5]。 學(xué)生可以在線（圖3a）或使用線下模擬器（圖3b）完成海洋平臺(tái)的安裝過(guò)程，實(shí)時(shí)感知不同環(huán)境下對(duì)平臺(tái)浮態(tài)、運(yùn)動(dòng)的影響，學(xué)習(xí)和掌握海洋平臺(tái)安裝要求，實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)與工程應(yīng)用的無(wú)縫鏈接，為學(xué)生構(gòu)建了從設(shè)計(jì)、制造、安裝到運(yùn)維的全鏈條完整專業(yè)知識(shí)體系，提升了學(xué)生對(duì)海洋平臺(tái)的認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)水平，強(qiáng)化了學(xué)生的工程能力[6]。 將專業(yè)知識(shí)教學(xué)貫穿于整個(gè)安裝作業(yè)，使理論教學(xué)和工程應(yīng)用互相印證，全方位梳理從設(shè)計(jì)到安裝的船海專業(yè)知識(shí)體系，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程獲評(píng)2021年黑龍江省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程，并獲工信部推薦參評(píng)2021年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程評(píng)審。 圖3為海洋平臺(tái)安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖3 海洋平臺(tái)安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)與效果評(píng)估

3.1 在線總體設(shè)計(jì)部分

依托船舶在線虛擬設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)，開展與課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交叉融合探索，由學(xué)生全程自主設(shè)計(jì)船舶并進(jìn)行在線評(píng)估，同時(shí)建立教師與學(xué)生反饋機(jī)制對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行優(yōu)化。 利用在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)生上機(jī)實(shí)踐，學(xué)生自主設(shè)計(jì)船舶并生成數(shù)字孿生船舶，進(jìn)行在線評(píng)估，主要根據(jù)設(shè)計(jì)流程、船體模型、性能評(píng)估結(jié)果等進(jìn)行學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)；同時(shí)對(duì)照傳統(tǒng)授課方式進(jìn)行對(duì)比分析，主要從教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效果、學(xué)生反饋等方面設(shè)立多個(gè)指標(biāo)，做到量化評(píng)估。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)操作部分

構(gòu)建以數(shù)字孿生工程仿真為標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)考核體系。不同于常規(guī)的流程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)以經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證的船舶壓載數(shù)值模型、 船纜耦合運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型為基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生不同的實(shí)驗(yàn)操作和環(huán)境條件，最多可進(jìn)行多達(dá)10 條纜繩與駁船的運(yùn)動(dòng)耦合，實(shí)時(shí)生產(chǎn)精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)模型實(shí)驗(yàn)或?qū)嵈瑪?shù)據(jù)校核，逼真反映船舶作業(yè)特性，形成以數(shù)據(jù)為中心的評(píng)價(jià)依據(jù)。同時(shí)課程以海上作業(yè)規(guī)范為準(zhǔn)則，設(shè)置實(shí)驗(yàn)的考核標(biāo)準(zhǔn)，形成以工程仿真為標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)評(píng)價(jià)體系。將教學(xué)科研深度融合，使科研成果全方位應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，提升教學(xué)效果和效率，進(jìn)一步促進(jìn)科研創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)科研一體化。

圖4為實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與評(píng)價(jià)平臺(tái)，圖5為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

圖4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與評(píng)價(jià)平臺(tái)

圖5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

4 多元化考核方式

多元化的教學(xué)模式應(yīng)配套以體現(xiàn)學(xué)生綜合能力的過(guò)程性考核和教師綜合評(píng)價(jià)方法為主[7]。 以《船舶與海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)原理》課程為例，學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定方式和構(gòu)成如表1所示。

表1 學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定方式和構(gòu)成

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生船舶與課堂教學(xué)、 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合提供了一種船舶在線設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，學(xué)生可在線獲取船舶性能計(jì)算結(jié)果并評(píng)估設(shè)計(jì)方案，解決了以往課程知識(shí)點(diǎn)抽象、 難以分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)船舶性能影響、設(shè)計(jì)方案大多依靠經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化等問題，利用大數(shù)據(jù)和智能化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)所見即所得的教學(xué)效果。 船舶與海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)全過(guò)程數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化，學(xué)生可實(shí)時(shí)直觀感知設(shè)計(jì)結(jié)果，更加易于理解和掌握船舶設(shè)計(jì)過(guò)程的因果和制約關(guān)系，進(jìn)一步增強(qiáng)分析問題、解決問題和科研創(chuàng)新的能力。有效發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在自主解決設(shè)計(jì)問題的過(guò)程中，不斷獲得成就感，達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)模式難以達(dá)成的效果。