海上綜合調查虛擬仿真教學系統建設及教學改革初探

楊婧靈 白鵬 張書文 陳法錦 雷桂斌

【摘 要】海上綜合調查虛擬仿真教學系統較傳統實驗具有可操作設備數量多、操作環境簡單安全、實驗成本低廉、開放與拓展程度高等優點。為了提高實驗教學水平和教學成效，促進學院長遠發展，結合海洋調查課程特色探討了虛擬仿真系統建設意義，依托實驗教學指導思想給出初步建設想法，并提出虛擬仿真實驗教學改革的建議。

【關鍵詞】虛擬仿真；海洋調查；實驗教學

中圖分類號： P744.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0056-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.024

【Abstract】Compared with traditional experiment， the marine comprehensive investigation virtual simulation teaching system has the advantages of more operational equipment， simple and safe operating environment， low cost， and high openness and expansion. In order to improve the teaching level and effects and promote the long-term development of the college， the construction significance of the virtual simulation system is discussed in the light of the characteristics of the marine investigation course， and the preliminary construction ideas are given based on the teaching guidelines， and some suggestions are put forward for the teaching reform of the virtual simulation experiment.

【Key words】Virtual simulation； Marine investigation； Experimental teaching

0 前言

隨著科技水平不斷發展提高，虛擬仿真技術日益成熟，逐漸地被成功應用到醫學、物理學、工程學、海洋環境，甚至心理學方面[1-5]。人們發現在教育領域，虛擬仿真實驗室不僅能有效模擬高校教師科研場景，多方面滿足科研需求，而且在實驗教學過程中彌補傳統真實實驗教學的缺點，增強教學效果[6]。虛擬仿真技術依托多種多媒體系統，可以設計教師、學生、管理員、系統自評模塊，通過人機交互和網絡通信等技術手段，模擬出高危或極端環境或高成本的大型綜合實驗環境，讓實驗對象安全、經濟地開展實驗項目，從而達到教學互動、創新智能、資源共享、全天候信息化、理論實訓有效結合的實驗教學目標[7-9]。

“數字海洋”是依托海洋監測數據及其分析算法模擬重現和預現真實海洋世界的熱點研究課題，它隨著虛擬仿真技術的成熟而日益發展[10-11]。我國作為海洋大國，利用海洋資源、加強海洋管理、增強海防實力促使我們去深入研究海洋。認識海洋，研究海洋理化現象，需要緊密結合海洋調查獲取的實測數據，從而有效地描述海洋真實狀態，觀測海洋變化過程，預報海洋發展趨勢。

廣東海洋大學作為一所以海洋和水產為特色、多學科協調發展的綜合性大學，是教育部本科教學水平評估優秀院校。其中海洋與氣象學院的“海洋科學”作為一級學科博士點，立足廣東，面向南海，肩負著發展海洋學科的歷史重任。為了適應國家對海洋綜合性人才的需求，結合我院海洋科學專業培養計劃和實驗中心教學指導思想，積極開展海上綜合調查實驗建設，培養應用型海洋人才是急需解決的問題。

1 海上綜合調查虛擬仿真教學系統建設的意義

海洋數據是分析、研究、預估各種海洋現象和海洋特征的基礎[10]，海洋調查作為獲取數據的直接手段，受人力、物力、時間、空間、環境等因素的影響，難以大面積、長時間的開展。海洋調查過程中，大型設備價格昂貴且數量稀少、船只出海運輸代價高、高海況作業導致安全隱患大等因素極大限制了海上綜合調查實驗和實踐課程的開展，其中大型設備的搬運、投放、觀測、回收、維護對操作人員、實驗教師的技能也提出更高的要求。

海洋與氣象學院作為廣東海洋大學重點建設和優先發展的學院之一，為了更好服務國家海洋事業，增強專業特色優勢，建設一流優勢學科，籌備建設集成“海浪虛擬仿真實驗”、“潮汐虛擬仿真實驗”、“海流虛擬仿真實驗”、“海洋調查船虛擬仿真實驗”、“側掃聲吶虛擬仿真實驗”、“淺地層剖面儀虛擬仿真實驗”、“海水溫鹽深調查及海水采集虛擬仿真實驗”、“海流調查虛擬仿真實驗”、“探空氣球觀測虛擬仿真實驗”等模塊的海上綜合調查虛擬仿真教學系統，逼真地模擬觀測設備結構、出海實況操作系列過程。該系統的建設不僅能豐富教學手段，還可提高學生學習興趣，有利于增強實驗對象操作技能和培養創新能力，具有顯著意義。

1.1 彌補短板，鍛煉實踐技能

傳統的海洋調查實驗教學中，設備在數量上無法滿足每個學生實驗操作。實驗教師講解其工作原理和操作方法通常是通過圖片、語言、視頻和實物的方式進行演示，海洋設備的精密性和復雜性導致學生無法完全掌握和理解其原理，對設備內部結構模糊不清，操作和維護中的細節容易混淆和遺忘。海上綜合調查虛擬仿真教學系統的建設，能夠將復雜設備的內部結構通過3D信息技術平臺形象的展示給學生，避免精密儀器的反復拆卸、錯誤操作等可能造成設備結構損壞及伴隨的測量精度下降。每個學生可以通過操作鼠標、鍵盤進行實驗，打破實驗設備數量不足的限制，避免損壞精密儀器。同時通過系統評價模塊分析實驗對象每步操作是否正確合理、關鍵步驟是否遺漏，可反復進行實驗操作，不斷改正完善操作技能，加強記憶和理解，全方位鍛煉其實驗技能。

1.2 防范風險，促進探索創新

真實的海洋調查實踐訓練耗資昂貴，而且船只航行過程受風浪作用發生搖晃傾斜，對海洋設備投放、回收影響巨大，可能導致設備發生碰撞損壞，也會危及到學生安全。在互動仿真系統模擬的3D環境下，實驗對象身臨其境地參與到海洋調查的設備維護、測試、投放、數據觀測、設備回收等過程中，如同體驗真實海洋環境狀況，對設備操作和出海觀測可能發生的情況進行合理預判，有效保障學生出海安全并保護調查設備。這種條件下，學生可以無后顧之憂去實現各種想法，自行設計創新型、應用型實驗，最大限度地發揮自主能動性，增強動手能力，從而更好的達到教學目標。

1.3 降低成本，助力科學研究

隨著學院年輕教師的引進，數據來源顯得越來越彌足珍貴。年輕教師科研啟動項目、國家青年基金項目，很大程度上依托于有效的、可靠的數據獲取和分析。海上綜合調查虛擬仿真教學系統的建設，可以融合海洋化學、海洋地質與物理海洋前沿科學問題，模擬研究課題的設計方案和結果，為實際海洋調查提供參考，不斷改進數據獲取手段，為解決科研問題提供更多開放性的思路，拓展科研創新思維，助力科學研究。

2 海上綜合調查虛擬仿真教學系統建設的構想

海上綜合調查是研究開發利用海洋的重要手段，但是受復雜的海洋環境、多變的氣象狀況、船時費用的極大制約。海洋調查活動中，人員安全難以保障，設備昂貴并易損壞，難以實現反復訓練。為了提高海洋調查效率，增強實踐效果，學院計劃建設開發海洋課程群虛擬仿真教學系統、南海海洋災害過程虛擬仿真系統、海上綜合調查虛擬仿真教學系統等三套虛擬仿真教學系統。其中海上綜合調查虛擬仿真教學系統，與海洋調查活動虛實結合，有利于學生實踐操作前反復訓練，掌握流程，有力補充海洋調查活動。

海上綜合調查虛擬仿真教學系統建設以“科學規劃、特色突出、資源共享、注重應用、融入前沿”為指導思想，圍繞海洋調查常用設備（如CTD、ADCP、波潮儀、海流計、溫鹽儀、采水器等），結合海洋科學類常用的數據處理語言或軟件（如Fortran、Matlab、arcGIS等），建設包括海浪、潮汐、海流、海水溫鹽深測量和海水采集等方面的海上綜合調查虛擬仿真教學系統，涉及設備維護、固定、測試、布放、測量、回收以及數據處理等系列實驗過程，圍繞實驗教學和科研工作需要展開。

2.1 結合傳統實驗教學手段，培養應用人才

海上綜合調查虛擬仿真教學系統的建設應該充分結合傳統實驗教學手段，力求彌補和完善傳統實驗教學短板。海洋調查設備儀器測量精度高、反應靈敏，反映在硬件上密封性要求高，數據測量原理上復雜晦澀。海上綜合調查虛擬仿真教學系統通過軟件模擬各種海洋狀況、海洋調查船環境、儀器內部結構、海洋觀測流程等，幫助實驗對象反復熟悉儀器，直觀觀察儀器測量過程，掌握實驗操作技巧，更好的理解設備工作原理，認識測量數據。把軟件共享、儀器共享、遠程操控有機結合，配合真實實驗操作，提高設備使用效益，引導學生學以致用，培養學生自主能動性和基本實驗技能。

2.2 融入科學前沿研究熱點，提高創新能力

我院實驗教學中心以 “理實結合、創新為先”為教學理念，把培養學生基本實驗技能作為基礎，將提高學生實踐應用能力和科研創新能力作為核心。海上綜合調查虛擬仿真教學系統可以解析當前科學研究熱點問題，模擬出實驗現象可能發生過程，拓寬學生學生視野，優化學生知識結構，激發學生科研興趣。傳統理論實驗教學一般通過數據分析獲取現象，該系統可以設計交互模塊，允許學生設置或改變海域中某參數，觀察海洋變化現象，設計捕獲這些變化的手段方法，在有效補充理論教學同時，培養創新精神。

2.3 完善實驗人才隊伍建設，提升管理水平

實驗室建設離不開人才隊伍建設，海上綜合調查虛擬仿真教學系統涉及到課程管理、培養計劃管理、選課管理、學期管理和開課排課管理系統，對管理教師要求更高，在隊伍配置上更應該多元化。海上綜合調查虛擬仿真教學系統建設，應該結合學院海洋調查精品課程，邀請精品課程負責人加入教學資源建設，設計出更符合學生教學實驗項目。咨詢負責或參與國家青年基金項目和重大科研項目的教師，按專業添加實驗培養計劃，建設研究創新項目，為該虛擬仿真教學系統建設提供理論支持。同時不斷優化實驗技術人才的知識結構，提高整體素質和業務水平，提高設備管理力度，保障虛擬仿真實驗的順利展開。

3 海上綜合調查虛擬仿真實驗教學的改革

海上綜合調查虛擬仿真教學系統可以彌補傳統實驗教學在時空和經費等多方面的不足，方便實驗教學和實驗室管理。虛擬仿真實驗具有共享性、開放性、交叉性和先進性。同一個項目可以允許多人同時上機操作，學習不局限在原有上課時間和地點，不受限于設備數量和品種。學生完成教師布置任務時，可以發揮自主創新精神，靈活合理改變實驗內容，且不會引起安全問題，便于教師掌控。

總體來講海上綜合調查虛擬仿真教學系統提供了一種全新的開放式教學模式，推動實驗教學開展，更好地服務于實驗對象。虛擬資源的不斷引進，促使實驗教學根據學科特點和教學目標不斷改革，指導實驗教學的良好發展。改革措施可從以下幾個方面考慮。

（1）海洋調查實驗主要涉及海洋設備維護、測試、投放、回收、清洗和出海調查。設備重量大、精度高，操作過程中多有不便，在配備虛擬仿真教學系統的同時，需要輔助大型3D模擬效果以增強理解性。設置人機交互模塊，記錄學生操作過程，反饋錯誤，實驗教師根據系統反饋結果對實驗對象進行評價輔導工作。

（2）海洋調查設備獲取數據目的是為了分析數據和現象。海上綜合調查虛擬仿真教學系統在提供實驗操作平臺的同時，應該進一步完善實驗數據分析處理和報告反饋步驟。保留完整的實驗步驟，才能最大限度的按照教學目標培養學生，調動學生學習積極性，建立完整的科研思路。依托虛擬仿真實驗平臺，全院教師積極建設海洋科學精品課程，將學院海洋化學、海洋地質與物理海洋緊密結合起來，形成“三位一體”的海上綜合調查虛擬仿真教學系統。

（3）虛擬實驗室管理任務復雜，既要依據教師要求設計實驗和區分權限，又要考慮到學生時間和地點問題。對于實驗室開放安全、設備管理、虛擬仿真平臺維護要制定嚴格的規章制度，規范實驗操作說明，推動實驗教學高效、穩定的發展。

4 結語

海上綜合調查虛擬仿真教學系統建設結合學院海洋調查精品課程，應用實驗設備、實驗方法、虛擬實驗環境，融合專業學科和現代信息技術，能提升實驗教學成效，提高儀器設備使用效益，彌補傳統實驗教學不足，提高學生實踐能力和創新能力。海上綜合調查虛擬仿真教學系統的建設將極大促進學院信息化建設和國家實驗教學示范中心的籌建，為實驗中心教學改革提供新方向新思路，為實驗資源的開放共享起到良好的示范作用。

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