林 彬 宋晨晨 閆秋娜 滕君華
(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 大連 116026)
進(jìn)入21 世紀(jì),海洋在國(guó)家經(jīng)濟(jì)與國(guó)防安全中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的提出,如何開(kāi)發(fā)海洋、利用海洋、保護(hù)海洋、管控海洋成為提高綜合國(guó)力的重要命題。海上無(wú)線通信是海上船舶航行安全的首要保障技術(shù)。在《全球海事專(zhuān)業(yè)人員知識(shí)體系》中計(jì)算與信息學(xué)成為影響從業(yè)者長(zhǎng)期發(fā)展的知識(shí)因素之一,在自主船舶發(fā)展階段,“岸基”加“隨船”模式的變化急需船員提升與計(jì)算與信息學(xué)相關(guān)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力[1]。
現(xiàn)階段,我國(guó)通信行業(yè)發(fā)展迅速,海洋設(shè)備更新快,但海洋信息類(lèi)人才卻相對(duì)稀缺。此外,受新冠肺炎疫情的影響,教育部要求各大高校借助互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)展在線教學(xué)工作,傳統(tǒng)的通信教學(xué)方式已滿足不了現(xiàn)階段的發(fā)展需求。目前,海上通信教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)主要有[2-4]:
(1)因高校延期開(kāi)學(xué),學(xué)生居家無(wú)法按照培養(yǎng)要求完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié);
(2)海上實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性大、成本高、周期長(zhǎng)、具有不可及性,這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題使得高校在開(kāi)展海上通信類(lèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)望而卻步。學(xué)生多是基于教材進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí),導(dǎo)致面對(duì)復(fù)雜多變與高危的海況等真實(shí)環(huán)境無(wú)法快速準(zhǔn)確應(yīng)對(duì);
(3)高校經(jīng)費(fèi)有限,無(wú)法保證每個(gè)學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐,限制了學(xué)生對(duì)新技術(shù)的掌握能力與實(shí)踐能力;
(4)學(xué)生對(duì)于海上通信領(lǐng)域的最新技術(shù)認(rèn)知深度淺顯,無(wú)法真正掌握技術(shù)核心;
(5)高校的教學(xué)大綱與實(shí)際涉海單位的需求相差甚遠(yuǎn),導(dǎo)致人才與市場(chǎng)的不匹配。
受疫情以及海上航行與通信環(huán)境特殊性的影響,人們對(duì)線上教學(xué)方式有了全新的認(rèn)識(shí)。虛擬仿真技術(shù)以其可靠、安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)在眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。根據(jù)國(guó)家和教育部有關(guān)文件精神,要深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合,我們將虛擬可視化技術(shù)與通信教學(xué)相結(jié)合,以“虛實(shí)結(jié)合,持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想,組織開(kāi)展海上無(wú)線通信虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)平臺(tái))資源建設(shè)[5]。平臺(tái)優(yōu)勢(shì)主要有三個(gè)方面:
(1)提供通信設(shè)備虛擬模型,實(shí)現(xiàn)交互操作,提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力;
(2)搭建虛擬的海上通信實(shí)驗(yàn)環(huán)境,學(xué)生可以驗(yàn)證所學(xué)的理論知識(shí),同時(shí)激發(fā)其創(chuàng)新性思維;
(3)涵蓋海上無(wú)線通信學(xué)科相關(guān)課程實(shí)驗(yàn),為海洋信息人才實(shí)踐能力的培養(yǎng)發(fā)揮積極作用。
大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院擁有國(guó)家級(jí)電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,該中心由國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、省級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、船舶電子信息專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室群及信息與通信工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)室群組成,主要承擔(dān)4個(gè)專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)、40個(gè)本科專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和所有電類(lèi)11個(gè)本科專(zhuān)業(yè)電工電子類(lèi)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
平臺(tái)以上述中心為基礎(chǔ),依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù),高度模擬仿真虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象[6]。平臺(tái)“堅(jiān)持學(xué)生中心,全面發(fā)展”,開(kāi)展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué),讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中自主學(xué)習(xí)、自主探索。平臺(tái)不僅提供了一種可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方式,而且能與教學(xué)大綱充分結(jié)合,為培養(yǎng)具有高素質(zhì)強(qiáng)能力的現(xiàn)代化海洋信息人才提供了保障[7]。平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)是:通過(guò)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使學(xué)生理解和掌握無(wú)線通信、衛(wèi)星通信、信息安全基礎(chǔ)知識(shí);掌握典型船用應(yīng)急通信設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用背景;掌握甚高頻VHF(Very High Frequency)電臺(tái)、衛(wèi)星通信F船站(Inmarsat-F)、甚小口徑衛(wèi)星終端站VSAT(Very Small Aperture Terminal)、緊急無(wú)線電示位標(biāo)EPEEPIRB(Emergency Position Indicating Radio Beacon)的操作方法和應(yīng)用特點(diǎn);具備利用所學(xué)設(shè)備,準(zhǔn)確解決安全、緊急和遇險(xiǎn)場(chǎng)景中通信問(wèn)題的能力;培養(yǎng)知識(shí)應(yīng)用能力、綜合實(shí)踐能力、思維判斷與分析能力、對(duì)新技術(shù)的學(xué)習(xí)能力;培養(yǎng)在海上極端復(fù)雜環(huán)境下,對(duì)突發(fā)情況的判斷和決策能力,建立安全通信保障的社會(huì)責(zé)任感。
平臺(tái)的特色如下:
(1)高度模擬真實(shí)的海上通信實(shí)驗(yàn)環(huán)境,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。平臺(tái)不僅能模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作和通信過(guò)程,而且能夠改善傳授式的“教”與“學(xué)”,充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用[8]。教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中作為引導(dǎo)者,引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)認(rèn)知模塊、典型系統(tǒng)模塊及綜合場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)?zāi)K,使學(xué)生自行操作并學(xué)習(xí)知識(shí)從而形成自己的知識(shí)體系結(jié)構(gòu),培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、動(dòng)手操作及獨(dú)立思考的能力。
(2)層次化教學(xué)體系。在教學(xué)大綱的指導(dǎo)下,設(shè)計(jì)與培養(yǎng)目標(biāo)相匹配的教學(xué)課程體系。平臺(tái)面向高校電子信息類(lèi)與航海類(lèi)本科人才教育教學(xué),知識(shí)結(jié)構(gòu)安排合理,模塊設(shè)計(jì)由淺入深,循序漸進(jìn),因材施教,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中逐步提升掌握知識(shí)的能力。
(3)虛實(shí)結(jié)合,凸顯海事通信特點(diǎn)。將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與海上常用通信設(shè)備相結(jié)合,開(kāi)展線上線下,課內(nèi)課外實(shí)驗(yàn)操作模式,豐富教學(xué)形式,提升教學(xué)質(zhì)量,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展,實(shí)現(xiàn)資源共享[9]。
通過(guò)將海事特色融入虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái),創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方式,旨在保證疫情防控期間教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展,面向?qū)崿F(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的人才需求,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化海洋人才培養(yǎng)與國(guó)家需求的有機(jī)統(tǒng)一。
針對(duì)海上無(wú)線通信相關(guān)課程實(shí)驗(yàn),大連海事大學(xué)海上無(wú)線通信教學(xué)團(tuán)隊(duì)與北京潤(rùn)尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司聯(lián)合,通過(guò)將3ds Max和Unity 3D相結(jié)合,進(jìn)行三維建模、交互設(shè)計(jì)和場(chǎng)景開(kāi)發(fā),構(gòu)建了海上無(wú)線通信虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。以“認(rèn)知實(shí)驗(yàn)-典型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)-綜合場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)”為主線,從認(rèn)知到設(shè)計(jì),在虛擬環(huán)境下學(xué)生可進(jìn)行各類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),全方位提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考及創(chuàng)新實(shí)踐能力。平臺(tái)整體架構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 平臺(tái)整體架構(gòu)圖
認(rèn)知實(shí)驗(yàn)?zāi)K作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),以知識(shí)學(xué)習(xí)為導(dǎo)向,通過(guò)多樣化知識(shí)展現(xiàn)形式、交互式學(xué)習(xí)模式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)潛能,提升本科教學(xué)培養(yǎng)質(zhì)量。
認(rèn)知實(shí)驗(yàn)?zāi)K涉及知識(shí)面廣,涵蓋海上無(wú)線通信相關(guān)課程中無(wú)線通信方式、無(wú)線通信頻率、艦船天線、通信衛(wèi)星、艦船通信網(wǎng)絡(luò)安全等多方面知識(shí)。學(xué)生通過(guò)該模塊,可溫習(xí)課上講解內(nèi)容,便捷地、快速地鞏固所學(xué)知識(shí),加深理解程度。
針對(duì)海上通信常用的緊急無(wú)線示位標(biāo)(EPIRB)、甚高頻(VHF)電話、甚小口徑衛(wèi)星終端站(VSAT)和Inmarsat-F77四種通信設(shè)備系統(tǒng),組成典型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K,并分別構(gòu)建其三維模型,輔助實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生在模型上,可通過(guò)360°旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作進(jìn)行設(shè)備拆解、按鍵功能學(xué)習(xí),自由方便地完成實(shí)驗(yàn)[10]。同時(shí)模塊還介紹了每種通信設(shè)備的工作原理,例如收發(fā)信機(jī)、控制單元等,以及每種通信設(shè)備分別對(duì)應(yīng)的通信系統(tǒng),包括與天基、岸基通信過(guò)程,展現(xiàn)形式集圖像、視頻、動(dòng)畫(huà)和文字為一體,實(shí)現(xiàn)交互實(shí)驗(yàn)教學(xué),營(yíng)造課堂有趣氛圍。
綜合場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含理論知識(shí)考核與實(shí)驗(yàn)考核兩大部分。
理論知識(shí)考核主要圍繞前兩模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容,考核形式有填空、簡(jiǎn)答、設(shè)備操作等,平臺(tái)有計(jì)時(shí)功能并能自動(dòng)判決學(xué)生答題情況,系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,教師有權(quán)限評(píng)閱每個(gè)學(xué)生考核結(jié)果并給出建議。此模塊可檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)的深度與廣度,方便教師把握整個(gè)教學(xué)進(jìn)度,評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果,提高教學(xué)效率。
實(shí)驗(yàn)考核為綜合場(chǎng)景實(shí)驗(yàn),學(xué)生需要在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的前提下,具備應(yīng)對(duì)海上遇險(xiǎn)時(shí)及時(shí)做出正確操作的能力,從而降低安全事故發(fā)生的可能性,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,鍛煉學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?,最終達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)與社會(huì)需求有機(jī)結(jié)合的目的。
平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。登錄系統(tǒng)與管理系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)操作者的個(gè)人信息管理與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理,操作者憑借學(xué)號(hào)與密碼登錄系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作;操作者登錄系統(tǒng)之后,可進(jìn)行虛擬場(chǎng)景觀察、實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置和通信組網(wǎng)仿真,多樣化的功能保障操作者對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解與課程知識(shí)的掌握;考核測(cè)評(píng)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)和成績(jī)管理系統(tǒng),便于記錄操作者的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,分析操作者掌握知識(shí)的情況,促進(jìn)教學(xué)工作的開(kāi)展[11]。
圖2 平臺(tái)功能模塊圖
平臺(tái)搭建的系統(tǒng)需高度模擬空基、天基、岸基和?;鎸?shí)場(chǎng)景,其中空基包含平流層及高空飛艇,天基包含衛(wèi)星及其軌道,岸基包含岸臺(tái)基站及地面控制中心,?;Q蟓h(huán)境及海面艦艇。通過(guò)采用建模、紋理貼圖、渲染等技術(shù)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā),可還原逼近真實(shí)的海上實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)者的代入沉浸感。
平臺(tái)研制過(guò)程中,基于海上通信常用的設(shè)備根據(jù)其型號(hào)與圖紙,根據(jù)1:1比例采用Discreet公司開(kāi)發(fā)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件3Dmax構(gòu)建其三維模型,先將場(chǎng)景中的元素看作是簡(jiǎn)單的多面體,創(chuàng)建多個(gè)點(diǎn)、線、面;再使用多邊形拉伸等工具,初步畫(huà)出三維主體模型;之后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)處理,搭建主體以外的設(shè)施;最后進(jìn)行材質(zhì)貼圖、光線渲染等處理,還原逼真的設(shè)備模型[12]。其中,典型海上通信設(shè)備模型如圖3(a)和3(b)所示。
此外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)逼真地模擬了海上航行中遇到的起火、爆炸、急癥醫(yī)療、障礙物避讓和遠(yuǎn)洋護(hù)航等安全、緊急和遇險(xiǎn)等突發(fā)狀況,可以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)應(yīng)急場(chǎng)景下通信設(shè)備的使用,判斷實(shí)驗(yàn)對(duì)象每步操作是否正確合理、關(guān)鍵步驟是否遺漏,讓學(xué)生不斷改正完善操作技能,增加了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與過(guò)程的真實(shí)感與臨場(chǎng)感。圖4 (a)和4(b)分別顯示了海上船舶起火不同的仿真場(chǎng)景。
(a)VHF設(shè)備模型
(b)EPIRB 設(shè)備模型圖3 通信設(shè)備模型
(a)船舶起火仿真場(chǎng)景1
(b)船舶起火仿真場(chǎng)景2圖4 海上船舶起火的仿真場(chǎng)景
模型構(gòu)建完成后導(dǎo)出為.FBX格式文件,便可直接在Unity 3D中拖入模型。對(duì)于已導(dǎo)入的3D模型,首先完成對(duì)模型行為屬性的定義,然后通過(guò)調(diào)整模型的大小和位置等屬性、添加邏輯和行為等控制腳本,以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。操作者可以通過(guò)鼠標(biāo)控制場(chǎng)景的距離和旋轉(zhuǎn),還可以通過(guò)鍵盤(pán)控制船只的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向。操作者根據(jù)導(dǎo)航條對(duì)每個(gè)界面的按鈕進(jìn)行操作,來(lái)完成整個(gè)平臺(tái)的知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作。
平臺(tái)包含認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、典型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K,下面將分別介紹這三大模塊在可視化教學(xué)中的應(yīng)用案例。
系統(tǒng)界面是整個(gè)可視化教學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分,為用戶(hù)提供方便的交互窗口。用戶(hù)在系統(tǒng)界面進(jìn)行操作,系統(tǒng)界面及時(shí)的向使用者反饋相關(guān)信息,引導(dǎo)用戶(hù)完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。在認(rèn)知實(shí)驗(yàn)主界面中,操作者通過(guò)對(duì)功能按鈕的點(diǎn)擊操作,可以進(jìn)入下一級(jí)的學(xué)習(xí)界面。
衛(wèi)星通信作為天基通信的重要角色,可為全球海上用戶(hù)提供移動(dòng)語(yǔ)音和高速數(shù)據(jù)接入服務(wù)。以天基艦船通信實(shí)驗(yàn)為例,衛(wèi)星軌道與衛(wèi)星波束是衛(wèi)星通信的基礎(chǔ)知識(shí),操作者需掌握衛(wèi)星的分類(lèi)、衛(wèi)星在太空中運(yùn)行的位置、形狀和取向,以及由發(fā)射天線決定的電磁波在地球表面上形成的形狀,進(jìn)而了解衛(wèi)星通信手段對(duì)艦船通信發(fā)揮的重大作用。天基衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)操作界面如圖5所示。
圖5 天基衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)操作界面
根據(jù)海上無(wú)線通信常用的四種設(shè)備分別建立其對(duì)應(yīng)的典型通信系統(tǒng)。以Inmarsat-F通信系統(tǒng)為例,Inmarsat-F系統(tǒng)由空間段、地面站和移動(dòng)站組成,Inmarsat-F77通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作界面如圖6所示。F77系統(tǒng)船站的工作過(guò)程涉及低噪聲放大器、高功率放大器、天線控制、變頻器、調(diào)制/解調(diào)器、基帶處理等單元,操作者需掌握每種通信系統(tǒng)中各部分的主要功能、作用、工作過(guò)程及其工作原理,深入學(xué)習(xí)整個(gè)通信系統(tǒng)。
圖6 Inmarsat-F77通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作界面
虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)逼真地模擬了海上航行中遇到的起火、爆炸、急癥醫(yī)療、障礙物避讓和遠(yuǎn)洋護(hù)航等安全、緊急和遇險(xiǎn)的突發(fā)狀況,可以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)海上應(yīng)急通信等設(shè)備的使用、判斷實(shí)驗(yàn)對(duì)象每步操作是否正確合理、關(guān)鍵步驟是否遺漏,讓學(xué)生不斷改正完善操作技能,增加了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與過(guò)程的真實(shí)感與臨場(chǎng)感。圖7顯示了海上船舶起火場(chǎng)景VHF通信的實(shí)驗(yàn)仿真。
圖7 海上VHF通信綜合場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)仿真
本文將虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué),結(jié)合我校信息與通信工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀,構(gòu)建的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是教學(xué)改革的一次探索與實(shí)踐。本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)涵蓋海洋信息類(lèi)學(xué)科的相關(guān)課程實(shí)驗(yàn),將通信專(zhuān)業(yè)特色與航海院校特色緊密結(jié)合,采用線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)資源,拓寬了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間,豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)模式,激發(fā)了學(xué)生興趣,保障海上通信類(lèi)實(shí)踐教學(xué)的安全的同時(shí),提升了教學(xué)質(zhì)量,適應(yīng)了現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展,將在海洋信息人才實(shí)踐能力、科研和社會(huì)服務(wù)方面發(fā)揮積極作用。