“智能+”5G，3获全国一等奖，他用8年带领学生“云端”探海

“输入参数，点击开始仿真！”在哈尔滨工程大学青岛创新发展基地、烟台研究院，学生在系统中输入参数后，电脑屏幕上立即出现近2000公里外实验室内的情景：处于云端的虚拟船舶和船舶模型根据参数的改变实时变换着航行姿态。学生能够进入到3D虚拟仿真的海洋环境与船舶“亲密接触”，提升学习兴趣与效果。

学校智能学院李冰与教学团队积极推动新工科建设，加强传统自动化专业与“智能+”的交叉拓展，将5G技术、混合现实、数字孪生技术等引入实验教学仪器设备开发中，利用船舶航行姿态控制虚拟仿真实验教学平台，实验课突破了空间和时间限制，不管学生身在何处、什么时间，都可在“海”中航行，为创新型新工科人才培养插上智能翅膀。

虚实结合

学生沉浸式实践提升动手能力

登陆客户端，扫描《船舶航行姿态控制》教材上的图片，就会出现3D立体的虚拟图像或者视频资料，船舶模型从书本中“跳出来”，学生们可以全方位观察并手动调节虚拟模型；戴着VR头盔，坐在VR座椅上，通过定位器和控制手柄就可以在海洋世界里“遨游”，科技感十足的实验让学生们大呼过瘾……

“船舶自动化及相关专业需要大量实验，船海实验的设备庞大且运行成本高，师生不可能在真实的海洋环境中教学，我们研发的‘船舶航行姿态控制虚拟仿真实验教学平台’解决了这一问题。通过平台，学生对教学内容有了更直观的认知，还可以对理论分析结果进行测试验证。”李冰介绍道。

平台提供了“虚拟+现实”的航行场景，一边是船舶航行的虚拟场景，一边是缩比实物。登陆平台，学生可在线学习、完成海洋环境干扰、船舶航向控制、减摇控制、航行姿态综合控制4个实验环节，包括15个实验步骤，通过平台进行实验，学生们可以看到船舶的运动轨迹，以及它每一个经过的具体的空间坐标点。完成实验后，系统还会自动评分，生成实验报告。

“平台有效拓展实验教学内容，方便学生进行反复探究，加深知识掌握水平，提升了解决实际问题的综合能力。”李冰说。

“启动造浪造风系统，设备开启后可以观察到环境干扰对水面与海洋运动体的影响……”平台还为学生提供了造风造浪系统，充分模拟海洋中乘风破浪的感觉。在实验室的水池中，学生可以在系统上根据需求开展多类型、多模式、多对象的海洋运动体运动控制实验，可设置多种海浪模型、浪向、波高参数，自主选择控制策略和控制器参数。系统可实时显示摄像头采集到水池内海洋运动体模型的运动轨迹，通过改变实验类型及实验参数设定，直观体会不同环境干扰、控制策略等因素对海洋运动体运动的影响。

“不仅于此，平台还可根据学生实验需求开展不同的海洋运动体运动控制实验，并可实时显示摄像头采集到水池内海洋运动体模型的运动轨迹。”李冰介绍，这意味着学校利用5G技术打造了一个“万能”的虚拟实验水池，为传统工科专业课程建设引入新技术。

全链条创新

8年自制教学仪器惠及千余学生

《船舶航行姿态控制》课程设置了8节实验学时。直观和生动，这是智能学院2016级学生杨雨轩的课堂感受。2019年，杨雨轩利用虚拟仿真实验平台学习减摇控制知识，根据参数的调整，实验室内的船舶模型摆动的角度发生变化，带上VR眼镜，杨雨轩又仿佛站在实体船内，感受船体的摇晃。“实验课让我明白减摇控制对船舶实验、航行器设计的重要性以及具体的应用，并且自己动手进行实际操作。”他说。

《船舶航行姿态控制》是学校自动化专业的核心课程，作为一门理论课，一直以来未设置实验课学时。仅靠课本上的晦涩的专业理论和公式，无法激发学生的兴趣，也使理论学习与工程实践脱节。“解决实际问题是学生学习的最终目的。”作为课程负责人，李冰2014年就提出要开设实验学时，并着手研发实验所需器材，他开始尝试纯数字化的仿真实验，在电脑上设计形成关于船舶航行的虚拟仿真模型。

在虚拟现实技术刚刚兴起时，李冰敏锐地发现新技术的应用前景广阔，结合自己的科研成果，开发实验课教学仪器。2016年，李冰带领学生搭建成功虚实结合的海洋运动体仿真实验教学系统的第一代样机。

“第一代样机只有一个饮水机大小，它只能在陆地上模拟船舶运动形态。”李冰介绍。为了让学生们关注学习新技术，他购置了100台VR眼镜，作为课堂奖励发给学生。“要对新兴技术保持敏感与好奇，才可能站在技术前沿解决重大问题。”李冰说。团队自主设计的“船舶航行姿态控制半实物虚拟教学系统”获得了第四届全国高等学校自制实验教学仪器设备评选一等奖，这给了李冰更大信心，他投入更多精力完善教学系统。

2018年，团队完成了教学系统的迭代更新，由船舶姿态视景仿真系统、船舶运动模拟系统和船舶VR虚拟现实系统组成。船舶运动转台总重量达到400多公斤，船舶模型长4米多，可承重1吨，能够完成更多实验。李冰团队为课程建设了全新的网站，加入了虚拟仿真的教学环节，学生们可以通过线上线下结合的方式，沉浸式学习船舶运动控制理论，并开展实验，系统再获全国高等学校自制实验教学仪器设备评选一等奖。

2021年，结合课程需要，团队又增加了船舶动力定位的实验水池、造风造浪系统，同时配齐了10套物理样机和30台高性能虚拟机，每台样机可以满足三个人同时使用，学生们以小组开展实验，相互配合完成实验，团队第三次收获全国高等学校自制实验教学仪器设备评选一等奖。

随着实验设备的更新，李冰发现原有的教材无法满足教学的实际需要，李冰、綦志刚、刘洪丹等人开始重新编写教材。根据新版教学大纲的要求和培养新工科人才的需要，李冰选择最新最具代表性的船舶姿态控制案例加入到教材中，教材中加入了丰富的图片，通过系统的增强现实（AR）功能，学生能够在手机上全方位观察、操纵虚拟的船舶模型。经过三年多的努力，2021年10月，新编的《船舶运动控制》出版。2022年，为了适应线上教学，李冰团队又设计了电子教材，学生们可以通过客户端与网站下载学习。

经过8年的探索实践，李冰与团队完成了传统专业核心课程设置、教学内容、教材建设、教学环节、资源配置、教学管理的全链条完全自主创新，让专业课向“智能+”升级。

“我们运用学校的5G物理环境以及5G新基建技术打造了超低延时的虚实结合仿真实验系统，可支撑未来学院、联合学院、青岛创新发展基地、烟台研究院等多教室的实验课程资源远程共享。”李冰说。2021年，实验系统已上线国家实验共享平台，目前已有3000人次完成实验，除了本校学生，大连海事大学、上海海洋大学、威海海洋学院等多所学校的学生都通过此平台完成实验，学生在何时何地都能够开展实验，真正突破了时空限制。

科研哺教

多方向交叉解决实际问题

智能学院2019级博士研究生李铭泽作为核心成员参与研发的留胚米智能加工系统，在2021年第七届中国“互联网+”大学生创新创业大赛中获得师生共创组金奖。李铭泽说：“我从2016年硕士入学就跟随李冰老师研发教学系统，我的实践能力得到了提升，也积累了参赛经验，能够帮助我获得科创奖励。”

为了提升学生解决实际工程问题的能力，李冰带领硕博研究生一同研发教学系统。学生们分为船舶组、视觉组和机械臂组，根据自己的研究方向与课题，学生们进行硬件控制、软件设计、网站维护等方面的创新，以定期开组会、联合调试等形式，不同研究方向的学生们能够学习掌握更多知识。在李冰的指导下，学生们成功研制实验用的船舶动力定位系统，并且建设了线上教学网站，进行实验平台后台的管理。“学院很多其他研究方向的学生也参与到教学系统的设计中，大家能够互相学习。”杨雨轩说。

船舶航行姿态控制虚拟仿真实验教学平台经历了数次迭代升级，每一个新功能的增加，都需要至少2到3个月的时间。“一个虚拟的船舶模型，就包含3万多个设计面，都需要专人去进行设计。”李铭泽说。一个实验控制达不到最好效果，需要船舶模型、仿真界面、算法、通信等各个部分的联合调试与优化，解决问题。在这个过程中，团队成员间的配合越来越默契，对专业知识的掌握和应用也更加娴熟。

教学系统上线国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台期间，李冰带领学生们花费半年多时间，调整不兼容的网站算法，重新编程、设计，完全按照国家平台的规则与要求重新构建。平台投入使用后，学生们每天有专人进行日常维护。

除了课堂学习，学生们可以预约使用实验平台开展科研实验。杨雨轩利用平台进行水下捕捞机器人控制的仿真实验，提高了设计的效率，也使得机器人的控制精度更准。“利用虚拟仿真平台可以提前进行参数的设置与调整，在误差更小的前提下进行实物调试，节省了硬件损耗，提高设计精度，为我们的科研项目开了‘加速器’。”杨雨轩说。 

目前，李冰教学团队在进行英文慕课的录制。为了让更多非船海专业的学生了解学校特色优势，李冰在2022年秋季学期新开设了《船舶航行姿态控制》的选修课，面向全校学生进行科普性质的船海领域自动控制相关知识的讲解，已经有60位学生选修这门课程。“我希望发挥虚拟仿真教学平台的最大作用，让更多学生了解海洋，让我们的学生都成长为有船海特色、有工程实践能力、有创新意识的新工科人才。”李冰说。

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    哈尔滨工程大学    

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撰文 | 谷雪 朱虹

动图制作 | 袁伟铭

排版 | 付智聪

编辑、责编 | 霍萍

审核 | 吕冬诗 金声