虛擬仿真教學在海洋生態學研究生實驗教學中的應用

吳海龍 徐軍田 趙亞婷

（江蘇海洋大學 江蘇連云港 222005）

一、虛擬仿真教學推廣應用現狀

國家發展規劃中明確提出提高教育現代化水平，加快建設創新型國家的人才培養要求。在各層面的人才培養及其教育活動中，研究生教育是國家教育層次結構中等級最高的人才培養層次，所培養的人才將成為國家海洋領域的中堅力量。然而當前在研究生培養過程中，仍存在較多影響培養質量的因素，主要包括研究生生源質量參差不齊、導師水平高低有別、管理模式尚需完善和優化以及學風尚需嚴格強化。教育部頒布的《關于全面提高高等教育質量的若干意見》明確提出：“加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設”，《關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》中也明確提出要強化高校實踐教學環節。其中，虛擬仿真實驗教學成為高校實驗教學建設的重要內容。教育部頒布《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》旨在開展國家級虛擬仿真實驗教學平臺建設。虛擬仿真旨在基于高速發展的信息化、網絡化和大數據手段，把復雜背景下的現實現象通過網絡虛擬手段呈現出來，以取得相對真實的測試或研究結果，以滿足教學、實驗、培訓等現實需求。虛擬仿真手段因其安全、節約、快捷，在制造業和高新產業中被廣泛應用，尤其是機械、航天、醫學等專業的產業方向[1-2]。

二、海洋生態學虛擬仿真教學的必要性

我國是海洋大國，但尚未成長為海洋強國，其重要的原因就是人才培養質量難以滿足產業需求和國家競爭所需。因此，在走向藍海和推進建設海上糧倉的關鍵時期，建立和完善以職業能力培養為導向的虛擬仿真實訓平臺，以培養出滿足國家海洋事業發展需求的高質量人才成為建成海洋強國的重要途徑。因此，各海洋大學紛紛開始建立專業相關虛擬仿真實訓平臺。中國海洋大學開設有海洋地球科學虛擬仿真實驗教學中心，主要承擔海洋地球科學學院本科生的海洋地質、海洋地球物理方向相關的實驗課程，以及面向校內外的海洋地球科學虛擬仿真實驗資源的開放共享服務。大連海洋大學開設有海上專業實驗教學中心 ，承擔全校海上專業的實驗、實訓、實習教學任務和海上綜合素質教育。依托“海上專業實驗教學中心”，同步組建了“海上專業虛擬仿真實驗教學中心”。上海海洋大學也正在建設海洋科學類虛擬仿真實驗教學課件平臺及管理平臺。綜合以上情況可見，海洋類虛擬仿真平臺已經成為海洋類高校高質量發展的重要路徑。然而，江蘇省在海洋領域的仿真項目尚處于起步階段，已經建成并實現運行的虛擬仿真教學中心尚未見報道。而江蘇海洋大學作為江蘇省唯一一所海洋大學，承擔著為江蘇海洋事業發展培養高質量人才的歷史使命，建成特色鮮明的海洋類虛擬仿真實驗平臺成為人才培養的突破點。

海洋學相關傳統教學中，往往局限于理論知識及簡單室內實驗的開展，與自然海域實際情況相距較遠，且學生并未有直觀感受。海洋學研究，特別是海洋生態現象的預測預警只有在真實的暴發場景中，才能真正體現預測預警的意義。但真實的海上監測及監測調查工具的配置需要大量資金支持和勞務工作，且海上風險較大。因此，將真實海上生態現象移植入模擬仿真空間中，引導學生開展虛擬仿真學習是目前提高高校學生實訓和政府管理部門生態管控的有效途徑。目前海洋生態災害領域在國內尚無仿真模擬實驗平臺。

三、海洋生態學虛擬仿真教學模式探析

海洋生態學主要研究海洋生物及其與海洋環境響應的相關關系，旨在闡明生物海洋學的規律，助益海洋生物資源的開發、利用好海洋環境管理、調控，從而為保護海洋環境和構建海洋生態平衡等提供科學依據。因此，海洋生態學虛擬仿真實驗平臺的建設應兼具實驗和實訓目的。而海洋生態領域中最具代表性的海洋現象是生態災害暴發現象，因此對海洋生態成災過程的仿真模擬最具實踐意義。具體途徑為采用線上線下混合式教學，主要采用虛擬仿真軟件在線交互式操作的方式，使學生了解思考并掌握成災分類和成長、成災過程室內控制實驗設計方案、自然海區成災驅動過程及其調查監測方案。實施過程通過在線平臺上的虛擬仿真軟件進行，要求學生在規定時間內進入規定情境的虛擬生態災害現場進行成災形成原因、驅動過程、調查監測手段的操作實驗并提交實驗報告[3-4]。

為了鞏固學習效果，還可以在理論課在線教育平臺同步發布相關在線考試，考核課程要點。同時，可針對不同服務對象開發出相關模式，建立特色化途徑。其中，針對高校，研發不同生態災害場景的VR 實踐體系，如實驗室內控制實驗操作體系、海上調查監測實踐體系等；針對政府管理部門管理實際需求，研發不同海區的生態風險辨識及預測預警監測體系。承擔全校涉海專業海洋生態災害調查與預警模擬實踐。承接政府管理部門海洋生態災害風險模擬研判及預警演練。