虚拟现实技术在航海类实践教学中的应用研究

王利　郑彤

摘要：本文论述了目前航海类实践教学中的各种制约培养质量的因素，分析了虚拟现实技术的技术特点，以及虚拟现实技术应用于航海类实践教学的各种优势，并且就虚拟实践训练系统的开发流程进行了阐述。虚拟现实技术在航海类实践教学中的应用，能够进一步提高航海类学生实践教学的质量。

关键词：虚拟现实；航海类；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）44-0183-02

一、前言

2012年1月1日生效的STCW公约马尼拉修正案和2012年3月1日实施的《中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则》（简称11规则），对海船船员的职业资格标准提出了更高的要求。STCW公约马尼拉修正案进一步强调紧密联系实践，重视实操评估和船上实训环节。随着船舶朝着大型化、快速化、专业化、现代化的方向发展，船舶辅助设备会越来越多，越来越先进，对海员的实践要求必然越来越高。海船船员不仅要掌握公约规定的专业理论知识外，还要能够对规定的船舶设备熟练操作，能够排除各种故障，能够对船舶设备进行正确拆装操作，等等。为了提高船舶设备操作教学的质量，这些实践性很强的科目，对于没有实船实践经验的航海类在校学生以及航海类学校而言，都具有很大的挑战。传统的实践教学受到诸多因素的影响，很难满足学员熟练实践操作的要求，因此将虚拟现实技术引入到航海类实践教学的过程，能够弥补传统实践教学的不足。

二、当前实践教学现状

当前国内众多的航海院校，都开设有船舶设备实践操作课程，都有船舶设备操作实践的设备和场地，在实践教学过程中，对于影响实践教学质量的提高，学生实际操作能够的增强，主要有以下几个因素的影响。

1.实践教学资源的限制。实践教学要求有充足的设备让学生能够进行操作训练，有充足的师资力量能够在现场予以全程指导。虽然按照航海类学校的要求，航海类专业学校都有自己的船舶设备和场地，但是随着招生人数的增加，设备的台套数明显不足，同时由于后期经费投入有限，设备存在维护不当、老化和故障损坏等各种情况，新要求规定的设备需要购买，等等，加剧了设备不足的状态。

2.实践教学内容的限制。在实践教学环节，一般都是指导教师讲授的设备正常工况下的操作要求，学生训练的也是正常工况下的操作要求。对于故障状态下的设备表现以及解决的办法等，可能存在设备的损害和人员的伤害，不可能在实践环节进行操作，实践环节内容的限制使得教学范围局限在一部分内容上。

3.实践教学时间的限制。在实践教学环节，学生只有在规定的课时范围内，由指导教师讲授和监督的情况下，才有可能对实机进行操作，并且最多只能保证每个学生都有几次实机的操作机会。因为操作实践较短，实践学习和实践考核中间隔的时间较长，使得很多学生课后对于设备的操作仍然是模糊状态。实践教学在时间上的限制也对学生的實践教学产生了影响。

4.实践教学安全的限制。船舶设备都是用电设备，而且功率很大，在操作过程中任何失误都有可能造成设备损害或者人身伤亡。一般的船舶设备价格昂贵，一旦损害，需要大笔经费维修，同时也会影响后续其他人员的实际操作培训，同时，设备的故障也会对操作人员造成意想不到的伤害，因此在设备实操过程中，指导教师必须全程在场监督，确保整个实践教学环节的安全。

从以上的分析可以看出，目前实践教学受到各种限制和约束，也有合理的成分在内。为了进一步提高和改善航海类学生实践教学的效果和质量，可以考虑建立虚拟的船舶设备实操训练系统。通过计算机虚拟现实技术，建立虚拟船舶设备的训练场所，不用购买和维修现实世界中昂贵的产品，学生可以在虚拟训练场中按照规定的章程来操作设备，对设备设置各种故障状态，让学生虚拟排除故障；建立虚拟拆装过程，了解设备的内部结构的装配过程；合理的规划自己的学习时间，通过系统的考核功能验证学习效果；可以反复训练，不受时间和空间的限制。增加学生在实践上操作的时间，提高学生的实践技能，进一步提高海船船员的培养质量。

三、虚拟现实技术的特点

虚拟现实技术[1]（VIRTUAL REALITY，简称VR）是一种能够高度逼真的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机交互技术，它以独特的沉浸性（Immension）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）特征，在仿真领域中得到了广泛的应用。虚拟现实技术，通过利用计算机构建虚拟环境，产生逼真的三维视觉、听觉和触觉等感官世界，借助硬件设备，与虚拟世界的客体进行交互观察，能够有效模拟人在自然环境中的行为，使用者具有全身心的参与感和体验感。

目前市场上虚拟现实系统的开发工具众多，每种开发产品都具备共同的交互功能，也各有优势。比较常用的开发工具有[2-5]以下几种。

1.VRP，中国独立自主研发的一款虚拟现实开发软件，该软件操作简单，费用低廉，打破了国外虚拟现实软件垄断的局面，在国内具有极高的性价比。

2.Quest-3D是荷兰出品的虚拟现实产品，功能强大，渲染效果好，支持力反馈设备，拥有真实的物理引擎、人工智能数据库等功能。

3.EON Studio是美国出品的虚拟现实产品，是一套适合工商业、学术及军事单位使用的多用途3D/VR内容整合制作套件，通过编写C++程序代码编写交互动作程序，能够实现各种复杂多元的交互操作。

4.UNITY3D是丹麦出品的最亲民好用的虚拟现实开发软件，能够轻松创建游戏、虚拟漫游、虚拟展示等交互内容，能够将所开发的作品发布成不同的平台格式，如Andrio、Mac和windows等。

5.VIRTOOLS（VT）是由法国达索公司开发的一款引擎，基本交互开发不用编写程序，只需要将自带的具有特定功能的模块按照一定的操作逻辑关系连线即可完成复杂的交互操作。当开发的项目需要更加复杂的功能，而BB实现过于繁杂时，VIRTOOLS提供了VSL脚本语言和SDK开发包。

四、虚拟实践教学系统开发流程

一般虚拟现实软件自身都不具备建模功能，要搭建虚拟现实场景和设备模型，需要在其他专门的CAD软件中进行，虚拟现实软件完成交互操作各种程序编写。对于航海类教育虚拟实践教学训练系统开发的一般流程如下图所示。

1.CAD建模：主要通过三维实体建模软件（如PROE、UG和SOLIDWORKS等），根据船舶设备的图纸，完成各设备零件的三维图形和由零件组合成的装配体模型。

2.模型优化：由CAD软件生成的三维模型还不能直接导入到虚拟现实软件中，需要对模型进行优化，优化的过程要通过诸如3DSMAX或者MAYA等程序完成，优化的目的是对CAD生成的三维模型的零件的面进行优化，对零件赋予各种材质贴图，使模型更具视覺真实感。

3.将优化后的模型导入到虚拟现实开发软件环境中，通过软件交互开发功能进行程序编写和功能调试，完成实践教学训练系统要求各种交互操作，实现虚拟操作的流畅感、现场感和趣味性。

4.将完成的虚拟现实实践训练系统发布成可以在计算机或者网络上独立运行的安装系统，供学员学习。

五、结论

当前的航海类实践教学受到诸多条件的限制，学生没有充足的时间和机会对设备进行操作探索，对实践教学的效果有一定的影响。将虚拟现实技术应用到航海类学生的实践教学领域，开发出虚拟的船舶设备操作训练平台，能够弥补现实中的种种不足，能够使得学生对设备进行虚拟拆装训练、虚拟操作训练、虚拟故障排除训练等，这种训练不受时间和空间的限制，不受现实设备昂贵的硬件资源和场地的限制，能够拓展实践教学的内涵，进一步增强和提高航海类学生的实践操作能力，为世界培养合格的国际化海员。

参考文献：

[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学，2009，（1）：2-46.

[2]罗陆锋，文领，徐超辉.基于EON Studio模具虚拟拆装系统开发[J].煤矿机械，2012，（6）：263-265.

[3]潘玉平，万隆君，徐轶群，等.船舶柴油机虚拟拆装仿真[J].交通信息与安全，2012，30（2）：103-105.

[4]弭龙静.机械设备3D仿真训练平台的研究与开发[D].沈阳工业大学，2014.

[5]邬宗鹏.Virtools软件在开发减速器虚拟拆装实验教学平台中的应用[J].铜陵学院学报，2015，（2）：109-110.