多波束掃海測量虛擬仿真實驗教學(xué)探索與實踐

沈蔚 朱瑞芳 欒奎峰 胡松 朱衛(wèi)東 王潔

摘要：虛擬仿真實驗是順應(yīng)時代發(fā)展而出現(xiàn)在教學(xué)中的一種半沉浸式體驗教學(xué)模式。因其具有傳統(tǒng)教學(xué)不可及的優(yōu)點，在一定程度上成為提高教學(xué)質(zhì)量的又一利劍。國家重視，各高校積極響應(yīng)，上海海洋大學(xué)亦已建成虛擬仿真綜合管理平臺，依托該平臺，從《海道測量學(xué)》教學(xué)需求出發(fā)，進行了多波束掃海測量虛擬仿真實驗的研發(fā)和創(chuàng)建，開展了相應(yīng)的教學(xué)活動，使傳統(tǒng)教學(xué)在虛擬仿真實驗中得到有效的延伸，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗;實驗教學(xué)模式;多波束掃海;海洋測繪

引言

虛擬仿真技術(shù)在教育中作用日益凸顯，尤其對于始料未及的新冠疫情席卷全球，新技術(shù)將隔離的學(xué)生和教師帶到云端，教學(xué)活動得以開展，對教育內(nèi)涵和教育手段的思考成為當(dāng)代教育界的新思潮。后疫情時代，虛擬仿真實驗與現(xiàn)場實驗相結(jié)合，情景與實景互相營造出獨特的學(xué)習(xí)氛圍，有效地提升學(xué)生在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中獨立性、思辨性、操作性、合作性等能力;是高校為社會培養(yǎng)高層次人才的強有力工具[1-7]。

在海洋技術(shù)專業(yè)的教學(xué)過程中，開展虛擬仿真教學(xué)實驗教學(xué)建設(shè)，正是順應(yīng)新時代高校教育的需求，不斷探索并成熟應(yīng)用的必然。其中，《海道測量學(xué)》作為海洋技術(shù)、海洋信息等測繪與空間信息類專業(yè)的主干課程，涉及到諸如海道測量的基本知識、多波束測深系統(tǒng)的工作原理、淺地層剖面儀的工作原理、側(cè)掃聲吶的工作原理等內(nèi)容，以及水下聲學(xué)測量設(shè)備的使用方法和應(yīng)用場景。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)很難將學(xué)生帶入對抽象理論和實際操作的直觀認識層面，經(jīng)過數(shù)年來虛擬仿真實驗項目的實施，在教學(xué)中進行了有益的探索，形成了全新的教學(xué)模式。

1.虛擬仿真實驗教學(xué)目的

多波束聲吶系統(tǒng)是一款價格昂貴（淺水多波束系統(tǒng)市場價約300萬人民幣、深水多波束系統(tǒng)約1000萬人民幣）的測量設(shè)備。在海道測量學(xué)的實踐教學(xué)中，海上實測費用高，且受到臺風(fēng)、船時、安全等影響，作業(yè)難度大、風(fēng)險大;學(xué)生頻繁操作易損壞設(shè)備;聲吶測深原理理論復(fù)雜又抽象，傳統(tǒng)的理論和實驗教學(xué)很難達到理想的教學(xué)目標。

因此，通過建立虛擬仿真的實驗環(huán)境和實驗對象，建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)的在線共享多波束掃海測量虛擬仿真實驗教學(xué)資源，開展多波束掃海測量虛擬仿真實驗，學(xué)生利用人機交互的虛擬仿真技術(shù)，解決了高成本、高風(fēng)險和難理解的難題，在虛擬環(huán)境中，通過認識典型多波束測深系統(tǒng)構(gòu)成、多波束換能器原理、交互式顯示波束形成原理、多波束聲速誤差影響、仿真模擬多波束設(shè)備的組裝和部署，完成對數(shù)據(jù)的采集軟件的仿真和數(shù)據(jù)采集模擬，注重培養(yǎng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中熟悉多波束的結(jié)構(gòu)、掌握多波束的操作流程以及注意事項，培養(yǎng)新時代下掌握新型測繪技術(shù)的高級應(yīng)用型人才。

2.虛擬仿真實驗教學(xué)模式

實際教學(xué)中，采用虛實結(jié)合方式，在培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力的基礎(chǔ)上，充分發(fā)掘虛擬仿真平臺的技術(shù)優(yōu)勢，使學(xué)習(xí)更加深入且生動，同時有利于充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性，將自主學(xué)習(xí)、互助學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)有機結(jié)合。

根據(jù)理論聯(lián)系實際，以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，采用“虛實結(jié)合三步走”的教學(xué)模式。第一步是實驗原理教學(xué)，第二步是虛擬仿真實驗教學(xué)，完成實驗內(nèi)容的交互操作實驗步驟，第三步是真實操作實驗教學(xué)。

多波束掃海測量虛擬仿真實驗依托上海海洋大學(xué)虛擬仿真綜合管理平臺（圖2-1）建立。實驗過程中，相關(guān)原理和儀器操作練習(xí)，以虛為主，解決海上實踐成本高、條件限制多難題;有關(guān)軟件操作以實為主，線上視頻學(xué)習(xí)，線下軟件實踐操作。

此外，以上海海洋大學(xué)“淞航”號遠洋調(diào)查船、“海鷹”號測繪實習(xí)船等科研教學(xué)船為依托，開展現(xiàn)場觀摩和實操，進一步學(xué)習(xí)多波束測深系統(tǒng)的組裝、安置和測量，通過虛實結(jié)合的方式，使學(xué)生掌握多波束測量的技能和知識。

學(xué)生可隨時進入系統(tǒng)學(xué)習(xí)，感受真實性，加深印象。實驗前后有專業(yè)教師在線答疑或人機交互的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和測驗考核，教師可以在虛擬現(xiàn)場教學(xué)，在線與學(xué)生交流互動，實現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、互助學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)的有機結(jié)合。

3.虛擬仿真實驗教學(xué)實踐

3.1實驗原理教學(xué)

根據(jù)設(shè)計的教學(xué)模式，首先在系統(tǒng)中構(gòu)建多波束測深系統(tǒng)各組成部分的三維模型（圖3-1），展示了各組成部分的名稱和功能，并可360°觀察各組成部分以及換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu);通過虛擬動畫的手段，表現(xiàn)出普通波動原理、波束的指向性、波束中旁波瓣和主波瓣、波束的控制等概念，更容易掌握多波束測深系統(tǒng)的基本原理;通過交互式控制，更好的理解多波束的發(fā)射與接收、聲速誤差對水下測量的影響。例如“普通波動原理”、“相干波”等，講解了多波束的形成、Mills交叉原理，Snail法則等，使學(xué)生掌握多波束的相關(guān)理論知識。

3.2虛擬仿真實驗教學(xué)

實驗采用“線上線下”相結(jié)合的方式。線上學(xué)習(xí)可以在任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（如疫情期間家中）進行，線下學(xué)生可以集中或分組在實驗室操作完成。這就充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢，同時也能夠培養(yǎng)學(xué)生自主式、探究式學(xué)習(xí)的能力。

學(xué)生首先進入網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)習(xí)、觀看、模擬操作相關(guān)實驗內(nèi)容，例如在“多波束設(shè)備的組裝”模塊（圖3-2）中，根據(jù)系統(tǒng)中提供的設(shè)備，學(xué)生可以通過鼠標拉動設(shè)備對設(shè)備進行安裝，如果安裝有問題，就無法進行下一步調(diào)試，從而使學(xué)生能很快的掌握設(shè)備的安裝。

另外學(xué)生在“多波束硬件部署”這一環(huán)節(jié)，可以對換能器、定位設(shè)備、航向與姿態(tài)傳感器和甲板單元等四個部分進行在船體的虛擬仿真部署（圖3-3）。

多波束測深實驗是軟硬件一體化的實驗，在以上硬件組裝和船體部署后，進入到“多波束軟件配置”（圖2-5）及“多波束數(shù)據(jù)采集仿真”（圖2-6）環(huán)節(jié)。

“多波束軟件配置”分為“采集電腦網(wǎng)絡(luò)IP的設(shè)置”、“采集軟件項目設(shè)置”、“測線設(shè)置”和“數(shù)據(jù)采集”注重培養(yǎng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中掌握多波束數(shù)據(jù)采集端所有的操作，掌握多波束軟件的設(shè)置和采集電腦的設(shè)置。

“多波束數(shù)據(jù)采集仿真”通過虛擬環(huán)境中模擬真實測量的環(huán)境，并通過交互式控制多波束測量時的開角、測量范圍、探測角度等信息，實時顯示數(shù)據(jù)采集結(jié)果，為學(xué)生提供可視化的實時信息反饋，讓學(xué)生掌握各參數(shù)的設(shè)置意義。

在學(xué)生預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，教師在虛擬實驗課堂上對整個實驗涉及到的理論知識和注意事項進行再次的梳理和講解，演示操作步驟，并布置實驗內(nèi)容，具體規(guī)定實驗要完成的目標。之后，學(xué)生在課下通過虛擬仿真軟件完成教師布置的實驗任務(wù)，并在線提交實驗報告，師生可通過平臺上的在線答疑功能進行互動交流，教師在線評分并及時反饋給學(xué)生，只有學(xué)生完全掌握了多波束掃海測量的全部工作要點，才能進入下一步的真實環(huán)境操作實驗教學(xué)。

3.3真實環(huán)境操作實驗教學(xué)

在虛擬仿真的教學(xué)基礎(chǔ)上，在有條件的情況下，組織學(xué)生到實習(xí)船上（我校的“淞航號”或“海鷹號”）進行多波束掃海測量的實際操作，由于學(xué)生在虛擬仿真軟件中已經(jīng)對設(shè)備的操作進行了多次練習(xí)，學(xué)生根據(jù)真實的測量環(huán)境對相關(guān)的參數(shù)快速的設(shè)置，并實際采集真實數(shù)據(jù)，高效的完成多波束掃海測量的實驗任務(wù)。

3.4實驗考核與評價

實驗考核成績由平時成績、實驗報告、習(xí)題成績?nèi)糠纸M成，其中平時成績占20%，習(xí)題成績占20%，實驗報告成績占60%。平時成績包括網(wǎng)絡(luò)操作時長和實驗態(tài)度兩塊內(nèi)容，出勤分數(shù)依據(jù)學(xué)生在仿真課堂的有效交互時長，實驗態(tài)度的評分則依據(jù)學(xué)生在實驗課堂上的表現(xiàn)、在線提問的次數(shù)、完成實驗的獨立性等。最后給出3個主要評價指標：（1）學(xué)習(xí)時長;（2）練習(xí)題的準確率;（3）在線與教師的互動情況。每個指標分“優(yōu)良中差不”，對應(yīng)著5分制，根據(jù)整個班級的在線學(xué)習(xí)情況，給出每個指標的評分，進行匯總，得到最后的評分。

實驗報告是由學(xué)生在線提交，教師批改后將成績反饋并與學(xué)生交流討論，實驗報告考核學(xué)生是否掌握了實驗?zāi)康摹⒃砗筒襟E，以及實驗結(jié)果的正確性和完整性。

4.結(jié)束語

通過虛擬仿真項目的開發(fā)與應(yīng)用，解決了以往由于測量設(shè)備昂貴或者測量船舶使用受限等難題，突破了多波束測量技術(shù)只停留在課堂講解層次上的難題，每一位學(xué)生能夠多次虛擬操作儀器設(shè)備，深入了解抽象的理論知識，接觸到最前沿的科學(xué)技術(shù)。

基于網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實驗環(huán)境，使得實驗教學(xué)具有網(wǎng)絡(luò)化、開放性和交互性的特點，有利于學(xué)生對多波束掃海測量這一新技術(shù)的學(xué)習(xí)和實踐能力的培養(yǎng)，充分利用了人機互動，極大程度激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生主動探索、自主實踐，增進學(xué)生參與各類科研項目和創(chuàng)新實踐活動的熱情。

參考文獻：

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作者簡介：沈蔚（1977—），漢族，男，江蘇阜寧人，教授，博士，研究方向為海洋測繪與遙感。

通訊作者：欒奎峰（1981-），漢族，吉林梅河口人，副教授，博士，研究方向為新型激光測繪高精度處理。

基金項目：本文受上海海洋大學(xué)《海道測量學(xué)》一流培育課程、“新工科背景下海洋技術(shù)一流專業(yè)建設(shè)探索”項目的支持。

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院 上海 201306;2.海洋科學(xué)與技術(shù)上海市實驗教學(xué)示范中心 上海 201306）