基于虛擬實驗的海洋工程專業(yè)大學(xué)生培養(yǎng)模式探討

趙恩金　牟林　程飛　蔣浩宇　李健

摘要：隨著海洋強國戰(zhàn)略部署的不斷深入，各個高校不斷增設(shè)海洋相關(guān)專業(yè)，海洋工程是海洋相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，具有很強的理論性與實踐性。本文結(jié)合目前海洋相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實踐特點，就目前海洋工程實踐中存在的問題進行探討，提出了利用海洋工程模擬仿真技術(shù)加強學(xué)生對海洋工程專業(yè)的認(rèn)識和理解。從調(diào)動學(xué)生興趣入手，使教學(xué)內(nèi)容直觀、形象、生動而同時具有科學(xué)性，增強學(xué)生對專業(yè)知識的理解，完善課程內(nèi)容，加強實踐教學(xué)。利用數(shù)值模擬仿真技術(shù)進行可視化教學(xué)，對海洋工程中的測試、安裝、運行現(xiàn)象采用計算機模擬，并在課程中加入相關(guān)動畫。一方面，使該專業(yè)學(xué)生加強對海洋工程的理解，另一方面，提高學(xué)生的實踐能力，提高學(xué)生應(yīng)用模擬分析方法解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生在進行海洋工程設(shè)計時嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃悸凡槲磥砗Ｑ蠊こ探ㄔO(shè)的相關(guān)工作打下扎實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗，數(shù)值仿真，海洋工程，能力培養(yǎng)，教學(xué)模式

中圖分類號：G645 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）44-0151-03

一、研究背景

黨的十九大報告明確指出“堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強國”，說明建設(shè)海洋強國已成為國家戰(zhàn)略部署中不可或缺的一環(huán)。同樣“一帶一路”倡議的實施也是海洋戰(zhàn)略布局的重要一環(huán)。我國要在21世紀(jì)實現(xiàn)民族復(fù)興，成為世界強國，走向海洋、建設(shè)海洋強國已成為重要的戰(zhàn)略選擇。海洋強國戰(zhàn)略的有效實施需要海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展作為有力支撐。加快建設(shè)海洋強國的進程中，海洋相關(guān)的高等教育面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。努力培養(yǎng)適應(yīng)海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才、技術(shù)型人才和應(yīng)用型人才，不斷提高海洋知識和技術(shù)創(chuàng)新水平，已成為建設(shè)海洋強國進程中高等教育所面臨的一項重大戰(zhàn)略任務(wù)。為響應(yīng)國家戰(zhàn)略部署與時代需求，國內(nèi)諸多高校陸續(xù)增設(shè)海洋工程與技術(shù)專業(yè)，以培養(yǎng)海洋技術(shù)人才[1]。

由于海洋工程結(jié)構(gòu)龐大且所處海洋環(huán)境極為復(fù)雜，海洋工程實踐具有高風(fēng)險、高技術(shù)、高投入等特點，在大學(xué)階段學(xué)習(xí)的學(xué)生難以實地地接觸海洋工程結(jié)構(gòu)物且直觀地觀測海洋環(huán)境，因此，在海洋工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)階段，大部分海洋工程知識通過課堂講述的方法將知識傳授給本專業(yè)學(xué)生，教學(xué)方式單一且效率較低。隨著科技的不斷發(fā)展，多媒體手段不斷應(yīng)用到課堂教學(xué)中，通過觀看視頻或者動畫的演示，能夠清楚地看出海洋環(huán)境風(fēng)場、波浪場以及流場的變化，除此之外，海洋工程設(shè)計、建造、海上安裝、施工等過程也能較為直觀地展示出來[2]。

但是，海洋工程與技術(shù)專業(yè)為工科專業(yè)，需要更多的實踐提高技術(shù)及創(chuàng)新能力。在海洋工程實地實踐受限的情況下，如何提高研究生的實踐創(chuàng)新能力成為教學(xué)改革的重要研究內(nèi)容。針對教學(xué)實踐的這一短板，本論文提出采用虛擬實驗的方法提高研究生的實踐及創(chuàng)新能力。從而，使我校未來的海洋技術(shù)人才更好地適應(yīng)市場和社會的需要，將其培養(yǎng)成一批批合格的海洋強國戰(zhàn)略實施者。

二、虛擬實驗分析

海洋工程專業(yè)作為一門應(yīng)用學(xué)科，有著與其他理論學(xué)科的不同之處，作為一門以觀察和實踐為基礎(chǔ)的學(xué)科，其揭示了海洋工程領(lǐng)域內(nèi)的自然科學(xué)規(guī)律。在進行觀察與實踐時，受工程環(huán)境、復(fù)雜設(shè)施等的條件限制，很難實現(xiàn)現(xiàn)場觀測及數(shù)據(jù)收集和處理，對本專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量有一定的影響。隨著計算機和數(shù)值理論計算方法的不斷進步和發(fā)展，使得“理論分析”、“數(shù)值模擬”和“虛擬實驗”三者相互促進，成為現(xiàn)代工程學(xué)科的三大支點[3，4]。

虛擬實驗主要借助構(gòu)建的物理模型，利用有限元模擬軟件或程序運行軟件的計算，通過輸出聲音、圖像、動畫等功能模擬海洋工程物理現(xiàn)象，詮釋物理規(guī)律，演示運動過程；突破真實實踐條件，排除任何外界環(huán)境條件的干擾，通過數(shù)值模擬精確地得到試驗的結(jié)果，以方便地開展實踐教學(xué)并提高教學(xué)成果。

一套完整的虛擬實驗程序，分為前處理、計算分析和后處理三個階段。前處理為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集和模型成型。例如，若計算一片海域的水動力條件，需收集海域的水深條件、邊界條件，驗證潮位值、流速流向值等，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)對該海域進行網(wǎng)格劃分、水深值差值以及邊界處理。前處理需要達(dá)到能保證下一步計算分析穩(wěn)定運行的目的，并且在最大程度減小計算量的同時，保證計算精度?？梢?，前處理對于虛擬實驗的精確程度有著重要的影響。

利用前處理建立好的數(shù)值模型，進行計算分析。計算分析的核心為方程的求解過程，例如，在水動力方程三種守恒方程。通過求解網(wǎng)格不同點的方程，得到模型不同地方的數(shù)值，比如，流速、流向、水位等。在不同的格點及格心處存儲單元的屬性。將存儲的數(shù)據(jù)進行可視化處理及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析稱為后處理，通過較為直觀的方式，展現(xiàn)流場、物體的變化過程。

三、虛擬實驗在教學(xué)工作中的應(yīng)用

通過虛擬實驗的方法，可以進行不同參數(shù)、不同條件下的實驗，以及進行動態(tài)演示，加深對現(xiàn)象的感知及物理理論的理解。

1.學(xué)生對實際的海洋工程缺乏一定的了解，在學(xué)習(xí)中容易產(chǎn)生一定的困惑。隨著我國對海洋工程的重視程度不斷加深，本專業(yè)的學(xué)生對工程的大致樣貌有一定的了解。但是，由于多數(shù)學(xué)生并未見到過實際的海洋工程的設(shè)計及施工過程；學(xué)生所學(xué)的內(nèi)容基本通過課本知識理解，沒有一個形象的認(rèn)識，對教學(xué)內(nèi)容理解不足，且在海洋環(huán)境工程中的很多公式是靠實驗和經(jīng)驗得來；此外，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性不高，上述多個問題的存在導(dǎo)致了本專業(yè)教學(xué)的困難。通過虛擬實驗，可加深學(xué)生對本專業(yè)各個知識點的理解，能夠充分地結(jié)合課本內(nèi)容和工程實踐，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和興趣[5]。

2.由于學(xué)生接觸到的課本知識是經(jīng)過一段時間沉淀下來的知識，相對不斷創(chuàng)新的技術(shù)存在著一定的滯后性，教學(xué)的內(nèi)容陳舊。除此之外，教材內(nèi)容中多為理論闡述部分，注重基礎(chǔ)培養(yǎng)，與工程實踐結(jié)合的不充分。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要不斷了解本學(xué)科的最新的研究成果和技術(shù)，不斷更新知識。為了推動本學(xué)科的發(fā)展以及學(xué)生自身水平的不斷提高，在對學(xué)生的培養(yǎng)過程中需要加強工程實踐部分，在實踐條件受限的情況下，虛擬實驗對提高教學(xué)效果起到了一定的促進作用。

3.在對學(xué)生的培養(yǎng)過程中，采用的教學(xué)方式較為單一，學(xué)生容易產(chǎn)生厭倦心理。在中國的教學(xué)模式中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式一般指教師根據(jù)課本的內(nèi)容進行分析總結(jié)和規(guī)劃，將教材內(nèi)容有條理地通過課堂講授的形式講授給學(xué)生。授課方式多為傳統(tǒng)的板書形式或者幻燈片等多媒體形式，整個教學(xué)過程較為單一，學(xué)生的積極性和參與性都不高。通過虛擬實驗，在課程講解的過程中，加入對應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的實驗可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解。

四、虛擬實驗對提高教育質(zhì)量的作用和意義

虛擬實驗對提高教學(xué)質(zhì)量的作用有四個方面：首先，虛擬實驗?zāi)軌蚴箤W(xué)生快速準(zhǔn)確地理解復(fù)雜的海洋環(huán)境，并應(yīng)用已經(jīng)學(xué)到的海洋知識解釋海洋環(huán)境的變化，提高對海洋環(huán)境的認(rèn)識。一方面采用了動畫的形式呈現(xiàn)，另一方面能夠通過調(diào)整不同的實驗參數(shù)分析結(jié)果，二者相輔相成，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。其次，可以為學(xué)生提供科研平臺，即在培養(yǎng)過程中，指導(dǎo)和組織研究生開展海洋環(huán)境模擬相關(guān)技術(shù)研究及開發(fā)工作。由于虛擬實驗是通過不同的模擬程序?qū)崿F(xiàn)的，因此在虛擬實驗平臺的開發(fā)過程中，讓學(xué)生參與到不同程序的開發(fā)過程中，既能讓學(xué)生學(xué)到的理論知識得以應(yīng)用，又能提高學(xué)生對本專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。第三，依據(jù)虛擬實驗，研究生可充分發(fā)揮創(chuàng)新能力，通過實時模擬驗證結(jié)果，可有效消除在真實海況中無法實踐的缺點。現(xiàn)在對學(xué)生創(chuàng)新意識培養(yǎng)的重視程度不斷增強，通過虛擬實驗，可以讓學(xué)生進行任何思維發(fā)散的創(chuàng)新，得出相應(yīng)結(jié)論，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[6]。

在虛擬實驗?zāi)Ｊ窖芯颗c實踐過程中，構(gòu)建一套具有海洋學(xué)特色的海洋專業(yè)多層次實踐教學(xué)體系，探索利用海洋工程虛擬模擬實驗提高研究生的實踐及創(chuàng)新機制。通過聯(lián)合培養(yǎng)模式，增強學(xué)生的社會適應(yīng)性，學(xué)位論文選題兼顧企業(yè)需求、理論深度、創(chuàng)新程度和可行性，提高科學(xué)研究和科技成果轉(zhuǎn)化水平，培養(yǎng)學(xué)生的科研與實踐能力，促進學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。通過虛擬實驗可解決三個方面的問題：校內(nèi)教育方式單一，缺乏有效的創(chuàng)新教育模式，競爭意識不強；校內(nèi)科研條件欠缺，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)意識不強，原創(chuàng)性成果少，人才產(chǎn)出數(shù)量少；校外實訓(xùn)項目不連續(xù)，安全生產(chǎn)問題突出等。

五、總結(jié)

虛擬實驗可以在教學(xué)過程中大顯身手，通過前期模型處理，中期程序分析及后期圖像、聲音與動畫展示，都可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。教材內(nèi)容和虛擬實驗相結(jié)合，能顯示復(fù)雜的海洋工程中的物理現(xiàn)象，進而使基礎(chǔ)理論知識得以應(yīng)用，抽象問題得以形象化。通過現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合，不斷改進教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。同時，學(xué)生參與虛擬實驗，有利于學(xué)生提高創(chuàng)新思維及發(fā)散思維，更好地洞察海洋工程中的物理含義，理解課本中的知識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。此外，還能提高學(xué)生使用計算機的能力。虛擬實驗的開展，能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，進而可以為海洋工程建設(shè)的發(fā)展培養(yǎng)出具有一定科研能力的技術(shù)型人才。

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Abstract：With the continuous deepening of strategic deployment of maritime power，universities continue to offer marine majors. Marine engineering is an important basic course for marine majors，which has strong theoretical and practical characteristics. Based on the current teaching practice characteristics of marine major，this paper discusses the problems existing in current marine engineering practice，and puts forward the use of marine engineering simulation technology to enhance students understanding of marine engineering major. We should start with mobilizing students' interest，make teaching contents intuitive，vivid and scientific，enhance students' understanding of professional knowledge，improve curriculum contents and enhance practical teaching. The visualization teaching is carried out using the numerical simulation. In the course of the addition of animation，on the one hand，the students can strengthen the understanding of the ocean engineering，on the other hand，the students practical ability can be improved. Students can use the ability of simulation analysis to solve practical problems in order to train the rigorous thinking in marine engineering design and have a solid foundation for future marine engineering construction in future work.

Key words：virtual experiment；numerical simulation；marine engineering；ability training；teaching model