基于VR技术的机舱资源管理课程混合式教学设计

张刚，李福海，蒋德志

(1.大连海事大学，辽宁 大连 116026；2.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071)

基于VR技术的机舱资源管理课程混合式教学设计

张刚1,2，李福海2，蒋德志2

(1.大连海事大学，辽宁 大连 116026；2.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071)

通过分析“机舱资源管理(ERM)”课程建设和教学现状，得出使用传统教学模式实施“机舱资源管理”课程教学的主要难题，探讨“机舱资源管理”混合式教学模式的设计及应用，将基于虚拟现实(VR)技术的可远程交互式机舱资源管理模拟器合理应用到在线实训中，并对该模式教学效果进行评价分析。

虚拟现实(VR)技术；混合式教学；机舱资源管理

STCW公约马尼拉修正案将机舱资源管理列入STCW规则的A部分，作为远洋船舶机舱操作和管理级船员的适任强制性要求。[1]目前，各航海院校和培训机构在研究国际公约和海事局大纲的基础上也开展了“机舱资源管理”课程的教学培训工作。但是，“机舱资源管理”是根据STCW公约马尼拉修正案新增的一门课程，属于管理学范畴，没有现成的经验可资借鉴。各航海院校和培训机构仍旧采用传统的课堂面对面教学模式，并存在教学时间紧迫、缺乏实船环境、教学组织困难以及成本较大等问题，对于没有实船工作认知的在校生而言，更是觉得课程学习内容“虚的多、实的少，看不见、摸不着”，教学效果不理想。本研究对“机舱资源管理”课程建设和教学现状进行深入分析，并开展“机舱资源管理”课程混合式教学设计。依据课程训练内容及混合式教学模式需求，开发基于虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的可远程交互式机舱资源管理模拟器，应用到混合式教学实践中。

一、“机舱资源管理”课程建设和教学现状

“机舱资源管理”课程是轮机工程技术专业的核心课程，也是国际公约强制要求的远洋船员岗位适任评估课程。国内对机舱资源管理的研究比较晚,只局限于对机舱资源管理的初步认识。詹玉龙等[2]阐述了ERM对航运安全管理的作用及ERM的必要性和实用性，呼吁加强产学研合作；蒋德志等[3]在理念上对船员进行教育，再通过模拟器强化训练来改变不良行为；蒋德志等[4]强调人力资源管理是机舱资源管理的重要方面,探讨通过模拟器来提高船员的组织领导能力、团队意识及交流沟通能力；邢辉等[5]梳理了STCW公约马尼拉修正案关于机舱资源管理的要求，阐述了培训课程的设置，强调了人为因素、团队意识、领导与决策等内容的培训。

目前，各航海院校和培训机构在研究国际公约和海事局大纲的基础上也开展了“机舱资源管理”课程的教学与培训。但调研发现，对“机舱资源管理”的教学培训仍旧采用传统的课堂面对面教学模式。为了使学生在有限的课时内快速理解机舱资源管理的理论知识和实操内容，只能以教师为中心进行“满堂灌”，对学员的操作过程进行框定。这样既增加了教师的负担，也失去了培养学生自主创新的机会。实践证明，“机舱资源管理”课程性质和内容决定了采用传统的教学模式主要存在三大难题：第一，机舱资源管理侧重于远洋船舶机舱人力资源的管理，理论性强，内容抽象、枯燥，概念不好界定；第二，该课程理论联系实际，实训课占有很大分量，而在国家海事局规定的培训时间内实施教和学的任务重、时间紧；第三，实船设备昂贵，培训成本高，操作过程存在较高安全风险，容易引起误报警等，致使很难实现该项目在实船环境下的实训，即使依靠传统轮机模拟器也无法全部实现，仅用传统教学方法和资源已经无法满足培训的需求。

二、基于VR技术的混合式教学模式及其技术支持

(一)“机舱资源管理”课程混合式教学的提出

“机舱资源管理”课程主要培养轮机管理人员的领导力和决策力、有效沟通能力、高效的轮机部团队以及保持良好的机舱情境意识。为了克服以上传统教学模式的不足，我们采用以任务驱动为主，利用依据课程训练项目开发的基于VR技术模拟器等信息化资源，借助学院网络数字化学习平台，实施混合式教学，把线下传统的面对面课堂教学和线上灵活的网络教学优势结合起来，既发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，又充分体现学生作为学习过程主体的主动性与创造性[6]。依据高职教育教学规律以及混合式教学模式需求，将教学过程主要分为课前自学—认知实践、课堂导学—系统内化、课后提升—巩固拓展以及综合测评四个环节，在虚拟现实环境下，实现课堂翻转，线上线下、职场化融合[7]。

(二)“机舱资源管理”课程混合式教学中引入VR技术

目前，各航海类院校主要依靠实物仿真轮机模拟器来开展“机舱资源管理”课程实训教学和培训。实物仿真轮机模拟器的主要功能是轮机设备的操作训练，虽基本具备STCW公约中关于资源管理所要求的团队协作训练、情景意识训练、决策能力训练、执行应变部署的能力训练等功能，却很难实现学生的在线操作训练，无法满足混合式教学模式的线上模拟训练需求，这也是“机舱资源管理”课程实施混合式教学存在的最大难题。为此，我们依据“机舱资源管理”课程的训练项目，结合目前航运市场主流船舶机型，开发出基于VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术的可远程交互式机舱资源管理模拟器，以此作为“机舱资源管理”课程在线模拟实训资源，突破了该课程实施混合式教学模式的瓶颈。

(三)可远程交互式机舱资源管理模拟器的开发和应用

可远程交互式机舱资源管理模拟器是一种高度集成化处理后的具有综合系统操作的大型软件系统，采用目前微软开发平台Visual Studio、3DMAX、ORGE或UNITY 3D开发，软件界面友好，二维三维兼备，高清逼真，美观生动，人机交互性强，升级方便，充分考虑了教练员、学生、培训、评估等多种实际需要。它是根据STCW公约规定的“适任评估项目”和“能进行持续熟练程度演示”的要求及现代轮机工程发展趋势所设计研制的、以单机单桨船为母型船的大型轮机模拟训练设备；是以高效训练、实船体验、高清三维画质为宗旨，采用虚拟仿真技术，具有虚拟实船概念的国内领先的机舱资源管理模拟训练系统，可以进行持续7*24小时全景值班、机舱环境高度逼真的虚拟实训机舱。根据实际船舶设备资料和实际考察，结合“机舱资源管理”课程的教学和培训项目，利用Converse3D虚拟现实软件设计具有逼真的机舱设备三维模型的机舱资源管理模拟器。整个模拟器系统采用B/S、C/S两种方式构架设计，利用ActiveX技术和visual C#技术实现虚拟漫游技术和远程IE实时交互等功能。总体研究方案如图1所示。

图1 模拟器数据架构

(1)采集机舱中的设备的实体数据(如发电机的实际尺寸等)，利用建模工具Converse 3D及其二次开发工具包，建立虚拟环境中的机舱设备的三维模型。

(2)结合机舱资源管理培训的实际，应用Converse3D中的ActiveX控件，嵌入visual C#等语言，以实现机舱资源培训项目功能上的仿真，设计机舱资源管理模拟器。

(3)应用Converse3D的三维网络展示平台及虚拟社区等功能，嵌入visualC#等语言，以实现基于IE网页的多人在线角色扮演互动交流系统，最终达到设计可远程交互式机舱资源管理模拟器的目的。

(4)该系统应用于轮机长、大管轮以及三管轮的“机舱资源管理”培训与评估，轮机工程技术以及船舶电子电气技术专业的理论教学和实操训练，师资培训及硕士研究生教育。整个系统包含60余个仿真训练模型，包括主机模型、发电柴油机及发电机模型、分油机模型、锅炉模型、造水机模型、桨模型、空压机模型、系统管网模型等，保证了仿真数据的真实性和准确性。克服了传统轮机模拟器在使用过程中存在的培训效率低、系统抽象、实船感差、同时可培训的人数受限制等不足，单机版可在不占用较大的训练场地的情况下，使更多学员得到更多的操作机会，在使用三维模拟器之前充分了解各系统的基本原理和操作步骤，可以有效缩短培训时间，三维和二维的综合应用可成倍地增强培训效果，节约教学成本。

三、基于VR技术的“机舱资源管理”混合式教学设计

基于VR技术的“机舱资源管理”混合式教学模式，通过合理借鉴“四段式”混合式教学模式(美国爱荷华州区域社区学院的两位学者对混合学习提出了“四段混合教学模式”，见表1)，实施网络教学和课堂教学双轮齐驱。学生可充分利用在线课程中丰富的、碎片化的教学资源，对机舱资源管理理论知识从项目到知识点，化整为零，各个击破；还可在线上、线下利用基于VR技术的虚拟仿真模拟器，对机舱设备的布局和操作进行熟悉，很大程度上弥补了对实船工作认知的缺乏；与任课老师进行线上互动，接受个性化教学服务。在课堂教学中，侧重于对课程重点、难点知识的讲解和师生之间的沟通互动，教师根据教学重难点、学生在线反馈等进行教学设计，先学后教，以学定教。如此一来，既克服了传统教学模式所产生的问题，也培养了学生的自主学习和创新能力，同时潜移默化地引导学生培养混合式学习习惯，为其他课程改革打下基础。

表1 四段式混合式教学模式

(一)确定教学目标

根据轮机工程技术专业岗位职业能力、素质要求，确定了知识、技能以及素养三位一体教学目标。以“机舱资源管理”课程项目三之任务二“离港备车时轮机长与轮机员之间的协调与配合”为例，确定本任务单元的教学目标(见表2)。

(二)明确重点难点

根据“机舱资源管理”课程标准、教学目标以及学生已经掌握的理论知识和技能，结合远洋船舶机舱的实际工作，确定课程各任务单元教学重点和难点。以“机舱资源管理”课程项目三之任务二“离港备车时轮机长与轮机员之间的协调与配合”为例，任务学习重点是正确制订任务的实施计划流程、轮机部团队的有效沟通和配合，难点是安全规范地操作轮机模拟器实施备车任务。

表2 项目三之任务二单元教学目标

(三)分析学习特征

本课授课对象为轮机工程技术专业三年级学生。他们之前已经完成了轮机工程技术专业相关理论知识的学习，了解船舶机舱设备的正确操作方法；“90后”的大学生课上学习气氛活跃，形象思维能力强，信息化素质较高，乐于使用网络教学平台、QQ及微信学习群、虚拟现实软件等信息化手段开展自主式学习。但他们缺乏实船情境认知以及自觉分析问题、解决问题的能力，拓宽学习知识的自觉性尚不够，这对学习本课内容形成一定障碍。

(四)设计教学过程

根据职业教育的教学规律和教学对象的特点，依托基于VR技术的可远程交互式机舱资源管理模拟器和全任务轮机模拟器等研究成果，借助学院数字化网络学习平台，将传统的课堂教学优化为从课前自学延伸至课上导学，并拓展至课后提升，其混合式教学设计框架如图2所示。采用任务驱动和情境创设相结合的教学法，以实船工作视频、远程交互式和全任务实物仿真模拟器来创设任务情境、项目引入、知识点认知实践、教师示范讲解、导学演练、综合测评等环节，引导学生以自主、合作、探究的方法来学习并掌握机舱资源管理知识和技能。在做中教，做中学，有效地突出教学重点，化解教学难点，培养轮机部团队的通信与沟通、协调与配合以及保持良好情境意识的技能和素养，以满足公约、法规的要求。

图2 机舱资源管理混合式教学设计框架图

(五)实施教学过程

根据学生认识规律和职业学习特点，将整个导学过程实施划分为：课前自学—认知实践、课堂导学—系统内化、课后拓展—巩固提升、综合测评四个教学环节。以“机舱资源管理”课程项目三之任务二“离港备车时轮机长与轮机员之间的协调与配合”为例，依据任务单元的导学案来组织教学活动。

1.课前自学

根据学生的认知规律和职业学习特点，将课前自学分为任务推送、情境创设、学习知识、组建团队、制订计划、探索演练等六个自学环节，由理论到实践，层层递进。

(1)任务推送。教师课前依据任务单元教学内容，编写导学任务单和资料包，课前一周通过班级课程QQ、微信学习群以及数字化学习平台发送预习任务信息，确保学生在网络环境下能及时接收。学生按照任务信息链接登录数字化学习平台，下载预习任务单，明确自学环节的预习任务和流程。

(2)情境创设。为了让学生在学习“离港备车任务离港备车时轮机长与轮机员之间的协调与配合”相关知识点之前，产生实船离港备车情境意识，需要学生点击情境创设视频链接，观看教师预制的实船离港备车，明确接下来所学知识点的使用出处和场景，使学生的学习动机更具目的性和实用性。同时，该情境将贯穿于整个任务单元教学始终。

(3)学习知识。学生带着离港备车的任务情境，登录数字化学习平台，以任务单所列问题为导向，任务为驱动力，学习微课、视频讲解等学习资源，然后在线完成知识点的预习测试。

(4)组建团队。本任务单元主要培养团队的协调与配合能力，所以学生要在测试结束后，按照实船机舱人员编制，自由组建轮机部团队，根据所学知识进行角色分配并记录到任务单中，使整个演练过程和实船对接，培养团队协作理念。

(5)制订计划。各团队根据平台上所学知识，讨论、归纳及制订离港备车计划流程并上传作业。培养团队协作、沟通交流能力，突出了教学重点。

(6)探索演练。各团队依据制订的任务实施计划，借助于基于VR技术的交互式资源管理模拟器进行离港备车的团队协调配合探索性演练。同时对制订的计划进行实践验证和修改，体现“做中学”，在玩游戏过程中培养学生自主探索及模拟器操作能力。

教师在课前自学阶段，监控学生的学习进度和演练情况。依托平台引导学生并进行互动答疑。对提交的作业和测试成绩进行批改分析并进行课堂教学设计，教师的引导为学生自主探究问题创造条件[8]，体现“做中教”。

2.课堂导学

根据教学分析，将3课时(共计150分钟)课堂导学环节分为预习汇报、精讲示范、模拟训练、实战点评四个阶段。

(1)预习汇报。该环节用时约35分钟,汇报展示预习成果，激发学习兴趣。各团队推选代表解读本队制订的离港备车任务实施计划，内部成员补充。其他团队进行互评，提出疑问、评价意见。通过解读、自评、互评环节，培养有效沟通、团队配合能力。计划解读完毕后，各团队借助模拟器进行离港备车任务的演示，展示最终预习成果，激发学生兴趣和成就感。教师结合学生的预习情况，确定课堂精讲、示范内容，先学后教，以学定教。

(2)精讲示范。该环节用时约40分钟,精讲重点、难点，示范重要操作。为了让学生有更加清晰的思路，以实船离港备车正确流程为主线，对离港备车的重要知识点进行细致讲解，包括任务实施计划的编制、有效沟通以及保持高效的轮机部团队等理论知识点。同时对离港备车过程中用到模拟器的一些重要的操作进行讲解示范，包括主机的遥控和机旁操作、发电机的遥控和机旁的操作、电站的并电解列以及负载转移操作等。

(3)情境演练。该环节用时约40分钟,借助实物仿真模拟器进行模拟操练。各团队结合教师精讲示范内容，及时讨论、完善离港备车实施计划。然后，依据确定的实施计划，借助实物仿真模拟器进行实船离港备车模拟训练，教师进行互动引导和答疑示范。

(4)实战点评。该环节用时约35分钟,按照海事局标准实战演练，专、兼职教师总结点评。各团队综合利用所学知识和模拟器操作技能，借助实物仿真轮机模拟系统，独立实施实船离港备车任务。教师和企业一线兼职教师从学校和企业双角度总结评价学生的学习成果。引导学生梳理任务对应知识的结构，形成体系并内化，也让学习成果同时满足校企双方要求，实现最终职场化的教学目标。

3.课后拓展

课后，任务驱动学生按时登录数字化平台，完成检测知识点闯关式游戏。通过游戏闯关软件，可很好地将学生再度吸引到数字化平台上学习、内化知识点，也让学生随时随地在玩游戏的过程中完成知识的巩固。游戏结束后，进入课程讨论区，用机舱资源管理的知识对教师发布的海事案例进行讨论分析并提交分析结论，让学生灵活使用和拓展机舱资源管理知识，达到知识拓展和提升的效果。

4.综合测评

本课采用以过程性评价为主、终结性评价为辅的360度综合测评方式。过程性评价指标贯穿于课前、课中以及课后整个教学过程始终，重点监控评价学生在混合式教学(尤其是课前自学和课后拓展提升)过程中的参与关注度和学习成效，占整个测评成绩的60%；终结性评价将严格按照海事局评估题卡、标准以及流程进行，占整个测评成绩的40%。整个综合测评比较准确、规范地反映了学生学习状况。

(1)过程性评价

过程性评价指标包括课前自学阶段的预习测试、在线知识点的学习进度、团队计划的制订、预习成果汇报情况等，课中导学阶段的学生出勤、课堂表现、实战操演、实操记录簿的填写等，课后拓展阶段的评价指标为知识点闯关成绩和案例分析情况等。

(2)终结性评价

按照国家海事局对该项目的评估要求及流程模拟评估现场，学生借助全任务轮机模拟器，在模拟实船环境下实施远洋船舶离港备车时轮机长与轮机员的协调与配合任务。教师和企业一线兼职教师按照海事局的评估标准对学生的演练提出评价和改进意见，督促和引导学生在该项目的学习实训能更好地满足国际公约和海事局的适任评估要求，提高学生的统考通过率和岗位适任能力。

五、课程教学成效分析

目前，基于VR技术的机舱资源管理混合式教学实践已初见成效，不论是基于VR技术的在线数字化学习平台还是在面授教学的课堂上，学生的参与热情都很高涨。课程教学成效不仅仅使学生在该课程学习成绩得到很大提高，更重要的是教师的角色从单纯的知识传授者向知识的导学者发生实质转变；学生学到的不再是条条框框的书本知识，而是在高逼真的岗位虚拟环境中，通过所在团队的协调与配合去分析和解决实际问题，从而获得实际有用的知识和技能。通过访谈学院教学质管部门相关负责人员，并对教务处要求学生阶段性在线教学评价的数据进行分析，从而了解了学生在新教学模式下学习质量的满意度：学生对基于VR技术的混合式教学的综合评价比传统面授课程的综合评价要高，新的课程教学模式在体现现代教育理念、用信息技术手段和方法组织教学、激励引导以及启发学生的学习兴趣和创新思维、丰富教学信息量以及提高学习效率方面均得到较高的评价。

六、结语

综上，基于VR技术的混合式教学模式克服了传统教学难题，为学生创设了在线学习中的实船任务情境，教学过程凸显趣味性、互动性、情境真实性，充分激发学生的自主学习能力、团队协作能力和拓展创新能力，体现“做中学、做中教”，提高学习效果。同时，将VR技术合理应用到混合式教学中，在创造高逼真的岗位情境的同时，大大降低了教学成本，实现了资源、空间及时间的三大融合，为学生营造了灵活、宽松、活跃、逼真的学习氛围与情景，培养学生善学、乐学、活学，体现以“学生为中心”教育理念。但如何将混合式教学效果最大化，同时又兼顾每一位学生的能力和素养的培养，还需要优化课程综合测评方式，监控学生课前自学、课堂导学以及课后拓展的参与程度，也需要提高一线教师合理使用信息化技术的能力，避免产生“为技术而技术”的现象。

[1] 中华人民共和国海事局.STCW公约马尼拉修正案履约指南[M].大连：大连海事大学出版社，2010：127-129.

[2] 詹玉龙,曾向明,王晓中.轮机资源管理(ERM)的应用研究[C]// 2006年苏、浙、闽、沪航海学会学术研讨论文集,2006:195-199.

[3] 蒋德志,李福海.机舱资源管理的研究与实践[J].青岛远洋船员职业学院学报，2010(4):4-8.

[4] 蒋德志,赵晓玲.基于轮机模拟器的机舱资源管理研究与实践[J].中国航海,2011,34 (1): 22-25.

[5] 邢辉,吴建潘.机舱资源管理培训内容的履约探讨[J].航海教育研究,2011(1):34-37.

[6] 林雪燕，潘菊素.基于翻转课堂的混合式教学模式设计与实现[J].中国职业技术教育,2016(2):15-20.

[7] 王金岗.虚拟现实技术在高职实践教学中的应用研究[J].中国职业技术教育,2011(23):76-79.

[8] 陈怡.基于混合学习的翻转课堂教学设计与应用[D].武汉:华中师范大学，2014.

2016-11-03 基金项目：中国交通教育研究会2016—2018年度教育科学研究课题“机舱资源管理”课程混合式教学模式改革(交教研1602-186)；中国远洋运输(集团) 总公司科研立项“可远程交互式机舱资源管理模拟器”(2012-1-H-004)

张刚(1980-)，男，讲师，轮机长，主要从事现代轮机管理技术教学与研究。

U676.2

A①

1006-8724(2017)02-0065-06