海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)及教學(xué)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(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)較傳統(tǒng)實驗具有可操作設(shè)備數(shù)量多、操作環(huán)境簡單安全、實驗成本低廉、開放與拓展程度高等優(yōu)點。為了提高實驗教學(xué)水平和教學(xué)成效，促進(jìn)學(xué)院長遠(yuǎn)發(fā)展，結(jié)合海洋調(diào)查課程特色探討了虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)意義，依托實驗教學(xué)指導(dǎo)思想給出初步建設(shè)想法，并提出虛擬仿真實驗教學(xué)改革的建議。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；海洋調(diào)查；實驗教學(xué)

中圖分類號： P744.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展提高，虛擬仿真技術(shù)日益成熟，逐漸地被成功應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)、海洋環(huán)境，甚至心理學(xué)方面[1-5]。人們發(fā)現(xiàn)在教育領(lǐng)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(xué)過程中彌補傳統(tǒng)真實實驗教學(xué)的缺點，增強教學(xué)效果[6]。虛擬仿真技術(shù)依托多種多媒體系統(tǒng)，可以設(shè)計教師、學(xué)生、管理員、系統(tǒng)自評模塊，通過人機交互和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)手段，模擬出高危或極端環(huán)境或高成本的大型綜合實驗環(huán)境，讓實驗對象安全、經(jīng)濟地開展實驗項目，從而達(dá)到教學(xué)互動、創(chuàng)新智能、資源共享、全天候信息化、理論實訓(xùn)有效結(jié)合的實驗教學(xué)目標(biāo)[7-9]。

“數(shù)字海洋”是依托海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析算法模擬重現(xiàn)和預(yù)現(xiàn)真實海洋世界的熱點研究課題，它隨著虛擬仿真技術(shù)的成熟而日益發(fā)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?nèi)ド钊胙芯亢Ｑ?。認(rèn)識海洋，研究海洋理化現(xiàn)象，需要緊密結(jié)合海洋調(diào)查獲取的實測數(shù)據(jù)，從而有效地描述海洋真實狀態(tài)，觀測海洋變化過程，預(yù)報海洋發(fā)展趨勢。

廣東海洋大學(xué)作為一所以海洋和水產(chǎn)為特色、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合性大學(xué)，是教育部本科教學(xué)水平評估優(yōu)秀院校。其中海洋與氣象學(xué)院的“海洋科學(xué)”作為一級學(xué)科博士點，立足廣東，面向南海，肩負(fù)著發(fā)展海洋學(xué)科的歷史重任。為了適應(yīng)國家對海洋綜合性人才的需求，結(jié)合我院海洋科學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計劃和實驗中心教學(xué)指導(dǎo)思想，積極開展海上綜合調(diào)查實驗建設(shè)，培養(yǎng)應(yīng)用型海洋人才是急需解決的問題。

1 海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的意義

海洋數(shù)據(jù)是分析、研究、預(yù)估各種海洋現(xiàn)象和海洋特征的基礎(chǔ)[10]，海洋調(diào)查作為獲取數(shù)據(jù)的直接手段，受人力、物力、時間、空間、環(huán)境等因素的影響，難以大面積、長時間的開展。海洋調(diào)查過程中，大型設(shè)備價格昂貴且數(shù)量稀少、船只出海運輸代價高、高海況作業(yè)導(dǎo)致安全隱患大等因素極大限制了海上綜合調(diào)查實驗和實踐課程的開展，其中大型設(shè)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(xué)院作為廣東海洋大學(xué)重點建設(shè)和優(yōu)先發(fā)展的學(xué)院之一，為了更好服務(wù)國家海洋事業(yè)，增強專業(yè)特色優(yōu)勢，建設(shè)一流優(yōu)勢學(xué)科，籌備建設(shè)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(diào)查船虛擬仿真實驗”、“側(cè)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(diào)查及海水采集虛擬仿真實驗”、“海流調(diào)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(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，逼真地模擬觀測設(shè)備結(jié)構(gòu)、出海實況操作系列過程。該系統(tǒng)的建設(shè)不僅能豐富教學(xué)手段，還可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有利于增強實驗對象操作技能和培養(yǎng)創(chuàng)新能力，具有顯著意義。

1.1 彌補短板，鍛煉實踐技能

傳統(tǒng)的海洋調(diào)查實驗教學(xué)中，設(shè)備在數(shù)量上無法滿足每個學(xué)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(jìn)行演示，海洋設(shè)備的精密性和復(fù)雜性導(dǎo)致學(xué)生無法完全掌握和理解其原理，對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)模糊不清，操作和維護中的細(xì)節(jié)容易混淆和遺忘。海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)，能夠?qū)?fù)雜設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過3D信息技術(shù)平臺形象的展示給學(xué)生，避免精密儀器的反復(fù)拆卸、錯誤操作等可能造成設(shè)備結(jié)構(gòu)損壞及伴隨的測量精度下降。每個學(xué)生可以通過操作鼠標(biāo)、鍵盤進(jìn)行實驗，打破實驗設(shè)備數(shù)量不足的限制，避免損壞精密儀器。同時通過系統(tǒng)評價模塊分析實驗對象每步操作是否正確合理、關(guān)鍵步驟是否遺漏，可反復(fù)進(jìn)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(fēng)險，促進(jìn)探索創(chuàng)新

真實的海洋調(diào)查實踐訓(xùn)練耗資昂貴，而且船只航行過程受風(fēng)浪作用發(fā)生搖晃傾斜，對海洋設(shè)備投放、回收影響巨大，可能導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生碰撞損壞，也會危及到學(xué)生安全。在互動仿真系統(tǒng)模擬的3D環(huán)境下，實驗對象身臨其境地參與到海洋調(diào)查的設(shè)備維護、測試、投放、數(shù)據(jù)觀測、設(shè)備回收等過程中，如同體驗真實海洋環(huán)境狀況，對設(shè)備操作和出海觀測可能發(fā)生的情況進(jìn)行合理預(yù)判，有效保障學(xué)生出海安全并保護調(diào)查設(shè)備。這種條件下，學(xué)生可以無后顧之憂去實現(xiàn)各種想法，自行設(shè)計創(chuàng)新型、應(yīng)用型實驗，最大限度地發(fā)揮自主能動性，增強動手能力，從而更好的達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

1.3 降低成本，助力科學(xué)研究

隨著學(xué)院年輕教師的引進(jìn)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)獲取和分析。海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)，可以融合海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)與物理海洋前沿科學(xué)問題，模擬研究課題的設(shè)計方案和結(jié)果，為實際海洋調(diào)查提供參考，不斷改進(jìn)數(shù)據(jù)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(chuàng)新思維，助力科學(xué)研究。

2 海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的構(gòu)想

海上綜合調(diào)查是研究開發(fā)利用海洋的重要手段，但是受復(fù)雜的海洋環(huán)境、多變的氣象狀況、船時費用的極大制約。海洋調(diào)查活動中，人員安全難以保障，設(shè)備昂貴并易損壞，難以實現(xiàn)反復(fù)訓(xùn)練。為了提高海洋調(diào)查效率，增強實踐效果，學(xué)院計劃建設(shè)開發(fā)海洋課程群虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)、南海海洋災(zāi)害過程虛擬仿真系統(tǒng)、海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)等三套虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。其中海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，與海洋調(diào)查活動虛實結(jié)合，有利于學(xué)生實踐操作前反復(fù)訓(xùn)練，掌握流程，有力補充海洋調(diào)查活動。

海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)以“科學(xué)規(guī)劃、特色突出、資源共享、注重應(yīng)用、融入前沿”為指導(dǎo)思想，圍繞海洋調(diào)查常用設(shè)備（如CTD、ADCP、波潮儀、海流計、溫鹽儀、采水器等），結(jié)合海洋科學(xué)類常用的數(shù)據(jù)處理語言或軟件（如Fortran、Matlab、arcGIS等），建設(shè)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(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，涉及設(shè)備維護、固定、測試、布放、測量、回收以及數(shù)據(jù)處理等系列實驗過程，圍繞實驗教學(xué)和科研工作需要展開。

2.1 結(jié)合傳統(tǒng)實驗教學(xué)手段，培養(yǎng)應(yīng)用人才

海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)該充分結(jié)合傳統(tǒng)實驗教學(xué)手段，力求彌補和完善傳統(tǒng)實驗教學(xué)短板。海洋調(diào)查設(shè)備儀器測量精度高、反應(yīng)靈敏，反映在硬件上密封性要求高，數(shù)據(jù)測量原理上復(fù)雜晦澀。海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)通過軟件模擬各種海洋狀況、海洋調(diào)查船環(huán)境、儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、海洋觀測流程等，幫助實驗對象反復(fù)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(shè)備工作原理，認(rèn)識測量數(shù)據(jù)。把軟件共享、儀器共享、遠(yuǎn)程操控有機結(jié)合，配合真實實驗操作，提高設(shè)備使用效益，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生自主能動性和基本實驗技能。

2.2 融入科學(xué)前沿研究熱點，提高創(chuàng)新能力

我院實驗教學(xué)中心以 “理實結(jié)合、創(chuàng)新為先”為教學(xué)理念，把培養(yǎng)學(xué)生基本實驗技能作為基礎(chǔ)，將提高學(xué)生實踐應(yīng)用能力和科研創(chuàng)新能力作為核心。海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以解析當(dāng)前科學(xué)研究熱點問題，模擬出實驗現(xiàn)象可能發(fā)生過程，拓寬學(xué)生學(xué)生視野，優(yōu)化學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生科研興趣。傳統(tǒng)理論實驗教學(xué)一般通過數(shù)據(jù)分析獲取現(xiàn)象，該系統(tǒng)可以設(shè)計交互模塊，允許學(xué)生設(shè)置或改變海域中某參數(shù)，觀察海洋變化現(xiàn)象，設(shè)計捕獲這些變化的手段方法，在有效補充理論教學(xué)同時，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

2.3 完善實驗人才隊伍建設(shè)，提升管理水平

實驗室建設(shè)離不開人才隊伍建設(shè)，海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)涉及到課程管理、培養(yǎng)計劃管理、選課管理、學(xué)期管理和開課排課管理系統(tǒng)，對管理教師要求更高，在隊伍配置上更應(yīng)該多元化。海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)，應(yīng)該結(jié)合學(xué)院海洋調(diào)查精品課程，邀請精品課程負(fù)責(zé)人加入教學(xué)資源建設(shè)，設(shè)計出更符合學(xué)生教學(xué)實驗項目。咨詢負(fù)責(zé)或參與國家青年基金項目和重大科研項目的教師，按專業(yè)添加實驗培養(yǎng)計劃，建設(shè)研究創(chuàng)新項目，為該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)提供理論支持。同時不斷優(yōu)化實驗技術(shù)人才的知識結(jié)構(gòu)，提高整體素質(zhì)和業(yè)務(wù)水平，提高設(shè)備管理力度，保障虛擬仿真實驗的順利展開。

3 海上綜合調(diào)查虛擬仿真實驗教學(xué)的改革

海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)在時空和經(jīng)費等多方面的不足，方便實驗教學(xué)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(jìn)性。同一個項目可以允許多人同時上機操作，學(xué)習(xí)不局限在原有上課時間和地點，不受限于設(shè)備數(shù)量和品種。學(xué)生完成教師布置任務(wù)時，可以發(fā)揮自主創(chuàng)新精神，靈活合理改變實驗內(nèi)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(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)提供了一種全新的開放式教學(xué)模式，推動實驗教學(xué)開展，更好地服務(wù)于實驗對象。虛擬資源的不斷引進(jìn)，促使實驗教學(xué)根據(jù)學(xué)科特點和教學(xué)目標(biāo)不斷改革，指導(dǎo)實驗教學(xué)的良好發(fā)展。改革措施可從以下幾個方面考慮。

（1）海洋調(diào)查實驗主要涉及海洋設(shè)備維護、測試、投放、回收、清洗和出海調(diào)查。設(shè)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(xué)系統(tǒng)的同時，需要輔助大型3D模擬效果以增強理解性。設(shè)置人機交互模塊，記錄學(xué)生操作過程，反饋錯誤，實驗教師根據(jù)系統(tǒng)反饋結(jié)果對實驗對象進(jìn)行評價輔導(dǎo)工作。

（2）海洋調(diào)查設(shè)備獲取數(shù)據(jù)目的是為了分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在提供實驗操作平臺的同時，應(yīng)該進(jìn)一步完善實驗數(shù)據(jù)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(xué)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)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(shè)海洋科學(xué)精品課程，將學(xué)院海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)與物理海洋緊密結(jié)合起來，形成“三位一體”的海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。

（3）虛擬實驗室管理任務(wù)復(fù)雜，既要依據(jù)教師要求設(shè)計實驗和區(qū)分權(quán)限，又要考慮到學(xué)生時間和地點問題。對于實驗室開放安全、設(shè)備管理、虛擬仿真平臺維護要制定嚴(yán)格的規(guī)章制度，規(guī)范實驗操作說明，推動實驗教學(xué)高效、穩(wěn)定的發(fā)展。

4 結(jié)語

海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)結(jié)合學(xué)院海洋調(diào)查精品課程，應(yīng)用實驗設(shè)備、實驗方法、虛擬實驗環(huán)境，融合專業(yè)學(xué)科和現(xiàn)代信息技術(shù)，能提升實驗教學(xué)成效，提高儀器設(shè)備使用效益，彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)不足，提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力。海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)將極大促進(jìn)學(xué)院信息化建設(shè)和國家實驗教學(xué)示范中心的籌建，為實驗中心教學(xué)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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