波浪運動特性虛擬仿真實驗的探索與實踐

沈 超， 付小莉， 李衛(wèi)超

（同濟大學(xué)a.水利工程系；b.地下建筑與工程系，上海200092）

0 引 言

1 建設(shè)目標

波浪是海洋中最常見的現(xiàn)象，是岸灘演變、海港和海岸工程重要的動力因素和作用力［1］。了解波浪運動的特性是研究近岸泥沙運動和岸灘演變的基礎(chǔ)，對港口選址規(guī)劃、港口建筑物設(shè)計乃至橋梁［2］和海上風(fēng)電設(shè)計［3］等均有著重要意義。因此，學(xué)習(xí)波浪運動相關(guān)知識是港航專業(yè)學(xué)生的主要任務(wù)之一，也是土木工程相關(guān)專業(yè)同學(xué)需了解的重要內(nèi)容。我校港航專業(yè)特將波浪運動特性實驗設(shè)立在其專業(yè)核心課程中，以期達到夯實專業(yè)基礎(chǔ)，啟發(fā)專業(yè)探索性思維的作用。但經(jīng)過在教學(xué)中的實踐和研究發(fā)現(xiàn)，目前該實驗教學(xué)過程仍存在諸多問題：①理論教學(xué)和實驗教學(xué)銜接不夠緊密，實驗過程可能涉及多方面專業(yè)知識，學(xué)生無法及時有效回顧；②實驗所用的波流水槽設(shè)備為大型儀器，實驗中學(xué)生共用一套設(shè)備，受場地和時間的限制，學(xué)生無法全過程操作和觀察；③專業(yè)知識與工程實踐和應(yīng)用間無法有機結(jié)合，學(xué)生難以真正達到學(xué)有所用。實際上，以上問題也廣泛存在于類似的工科實驗教學(xué)中［4-5］。

基于以上分析可知，當前的波浪運動特性實驗教學(xué)亟待改革和轉(zhuǎn)型。教育部在《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》（教高廳［2017］4號）中明確指出，要深入推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平，開展虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作［6］。通過對波浪運動特性實驗進行虛擬仿真建設(shè)，不僅可做到將理論教學(xué)、基礎(chǔ)實驗和工程應(yīng)用有機融合，更可實現(xiàn)因受線下實驗規(guī)模、周期和成本等限制無法開展的實驗項目，此外靈活豐富的線上教學(xué)方法在“雙一流”建設(shè)的人才培養(yǎng)方面也更具優(yōu)勢［7］。

大學(xué)生的創(chuàng)造性發(fā)展是在掌握扎實、充分的基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)上，通過實踐得以真正實現(xiàn)的［8］。而實驗教學(xué)是本科教學(xué)中重要的實踐環(huán)節(jié)，既有將基礎(chǔ)知識融會和運用的責(zé)任，更有承載著教學(xué)環(huán)節(jié)向工程應(yīng)用精準過渡的使命。在此認知的基礎(chǔ)上，港航專業(yè)實驗教學(xué)團隊，在日常教學(xué)中通過不斷地積累和研究［9-10］，借助先進的信息技術(shù)對波浪運動特性實驗進行全新的教學(xué)設(shè)計，建設(shè)了波浪運動特性虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含① 水槽實驗部分將傳統(tǒng)波浪運動特性實驗內(nèi)容進行了全面優(yōu)化，并擴充了認知學(xué)習(xí)和港口實驗兩大部分。通過深入挖掘?qū)嶒瀮?nèi)涵和相關(guān)的理論背景知識，在系統(tǒng)中將實驗所涉及的知識點集中整合，使理論知識與波浪運動特性實驗內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣；②在與線下對應(yīng)的波浪運動特性水槽實驗中，一比一還原實驗室場景和儀器，并對線下做不到、觀察不到的實驗現(xiàn)象進行補充，進一步夯實理論基礎(chǔ)并建立港航專業(yè)實驗思路；③在港口實驗部分，真實模擬國內(nèi)某港口的陸域和水域等場景，對港區(qū)波浪進行定性定量的分析和討論，使專業(yè)知識和水槽實驗兩部分內(nèi)容在具體工程中得以有機融合并應(yīng)用。3大部分內(nèi)容形成認知-探究-實踐層層遞進的教學(xué)模式，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時間和空間壁壘，對其進行了重新教學(xué)定位，使之適應(yīng)新時代教學(xué)和人才培養(yǎng)的需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主要內(nèi)容設(shè)計

本虛擬仿真實驗共建設(shè)有實驗簡介、認知學(xué)習(xí)、水槽實驗、港口實驗和實驗報告5大模塊，系統(tǒng)構(gòu)架見圖1。

圖1 波浪運動特性虛擬仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)架圖

（1）進入實驗系統(tǒng)后首先是系統(tǒng)簡介視頻，讓學(xué)生對實驗意義、實驗內(nèi)容和系統(tǒng)構(gòu)建有整體的認識，啟發(fā)學(xué)生探索實驗的好奇心。登錄后首先進入實驗簡介模塊（見圖2），本模塊中學(xué)生可快速熟悉實驗背景，了解實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟及線下實驗室環(huán)境，為進行波浪運動特性虛擬仿真實驗做好準備。

圖2 實驗簡介模塊部分內(nèi)容

（2）認知學(xué)習(xí)模塊（見圖3）圍繞實驗內(nèi)容，將所涉及的知識點進行篩選和有機整合，下設(shè)5個子模塊，涵蓋了波浪分類、水質(zhì)點運動規(guī)律、波浪要素、波浪疊加、波浪反射5大內(nèi)容，由淺至深引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識，并通過視頻、文字和互動問答操作等生動、直觀的教學(xué)方式，幫助學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容高效理解和掌握。

圖3 認知學(xué)習(xí)模塊部分內(nèi)容

（3）水槽實驗包含5個子模塊，作為“認知-探究-實踐”3個遞進模塊的過渡模塊，以儀器設(shè)備和實驗流程學(xué)習(xí)為切入點，讓學(xué)生熟悉實驗環(huán)境（見圖4）及操作后，依次開展規(guī)則波實驗、不規(guī)則波實驗、駐波實驗、消波實驗，充分理解波浪運動各項特性。具體內(nèi)容設(shè)計為：①進入本模塊，學(xué)生首先可進行儀器設(shè)備的學(xué)習(xí)，了解實驗中設(shè)備系統(tǒng)整體布置情況（見圖5），并可對波流水槽、造波機和推波板、波高儀、流速儀、壓力傳感器等實驗儀器進行360°旋轉(zhuǎn)觀察和儀器知識的學(xué)習(xí)；②隨后按照語音提示和系統(tǒng)引導(dǎo)進行實驗流程的學(xué)習(xí)，分別有布置采集儀器、打開并設(shè)置波高采集儀、啟動造波機、打開造波軟件進行采樣設(shè)置、設(shè)置造波參數(shù)、調(diào)整波高儀入水深度并采集零點、發(fā)送文件開始造波、波長測量、查看數(shù)據(jù)和各角度造波仿真觀測等10余個互動操作，完成后即可進入正式實驗；③規(guī)則波實驗和不規(guī)則波實驗均在以上儀器設(shè)置的基礎(chǔ)上分別輸入波浪要素（波高、水深、周期）進行規(guī)則波和不規(guī)則波造波實驗（見圖6、7）；④ 此外，在駐波實驗中基于前期認知學(xué)習(xí)，在此設(shè)置選擇題考查學(xué)生對駐波形成條件的掌握，選擇正確后放置直立擋板按造波步驟進行操作，觀察駐波的形成過程和其運動形式有什么不同；⑤消波實驗中，通過無效能裝置、吸收海岸消波、海綿層消波、主動消波4種情況對比，同步呈現(xiàn)4種情況波浪變化過程，讓學(xué)生更直觀地觀察并掌握波浪反射和波能吸收的過程，這種同步對比實驗在線下是無法實現(xiàn)的。

圖4 水槽實驗室部分場景

圖5 水槽實驗儀器系統(tǒng)概況

圖6 水槽實驗參數(shù)設(shè)置

圖7 水槽實驗造波及數(shù)據(jù)采集

（4）港口實驗設(shè)有港口介紹、港口漫游、港口實驗、思考題4大子模塊，本模塊主要目標，通過之前認知學(xué)習(xí)和水槽實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)完成了從認知到探究的過程，在此基礎(chǔ)之上結(jié)合港口實驗進行工程實踐應(yīng)用。學(xué)生不僅能對港航工程有整體的了解，還可通過港口實驗中定性定量的實驗對比分析來進行港口的平面布置設(shè)計，充分鍛煉了學(xué)生自主探索、思考的能力。設(shè)計內(nèi)容為：①以視頻形式向?qū)W生全面介紹港口的組成和實驗?zāi)康募皟?nèi)容（見圖8），讓學(xué)生對港口實驗有整體的了解和學(xué)習(xí)；②在介紹視頻后學(xué)生已經(jīng)對港區(qū)構(gòu)成有了大致了解，接下來進入港口漫游模塊，學(xué)生自主操作，在港區(qū)內(nèi)以第一視角進行探索，對水域-錨地、水域-防波堤、碼頭、陸域等港口主要組成部分近距離的觀察和學(xué)習(xí)；③ 正式進入港口實驗，實驗包括口門方向?qū)Ρ群涂陂T寬度對比兩部分，分別探討其對港區(qū)水域產(chǎn)生的影響。實驗包含對口門寬度和方向參數(shù)的設(shè)定、波浪要素的選取、儀器測點布置、數(shù)據(jù)采集和結(jié)果分析（見圖9～11）等近20步的必要互動操作，學(xué)生可在試驗后通過點擊港口縮略圖中測點編號，調(diào)取各測點的波高數(shù)據(jù)，并啟發(fā)學(xué)生自主思考，通過12

圖8 港口部分組成圖

圖9 港口實驗測點布置

圖10 港口實驗造波及數(shù)據(jù)采集圖

圖11 港口實驗數(shù)據(jù)分析

個測點波高變化數(shù)據(jù)圖，綜合分析其產(chǎn)生原因，掌握港口平面布置方案設(shè)計方法和優(yōu)化思路；④ 最后，通過思考題的形式，引導(dǎo)學(xué)生對實驗中所學(xué)和所見進行回顧，對隱含知識點和實驗現(xiàn)象進一步發(fā)掘和思考，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

（5）實驗報告在實驗結(jié)束后自動生成，報告包括水槽實驗和港口實驗學(xué)生自選工況、數(shù)據(jù)圖和問答題等內(nèi)容，且在實驗過程中系統(tǒng)按預(yù)設(shè)評分邏輯對關(guān)鍵步驟進行評分，實驗結(jié)束時總分即刻生成在報告中。

2.2 核心要素仿真

（1）對真實實驗和工程環(huán)境及操作的仿真。水槽實驗和港口實驗均參照真實的實驗室和港口工程建筑結(jié)構(gòu)，按原型比例進行的建模。水槽實驗對標學(xué)校水利港口綜合實驗室，全面還原了實驗室內(nèi)部環(huán)境、水槽設(shè)備構(gòu)造及儀器性能和操作流程；港口模塊選取國內(nèi)某已建港口工程項目，對港區(qū)的水域、陸域和碼頭岸線等進行線上真實再現(xiàn)。學(xué)生可對水槽實驗室和港口實驗區(qū)域所建全部場景進行360°巡航，實驗流程與線下過程一致，真實呈現(xiàn)實驗環(huán)境和實驗操作有助于增強學(xué)生實驗過程的沉浸感和互動感。

（2）采用高精度流體建模技術(shù)和先進的渲染技術(shù)。波浪運動特性虛擬仿真實驗建設(shè)核心難點就是怎樣在保證實驗仿真數(shù)據(jù)精準的條件下，對流體的運動狀態(tài)進行自然模擬和呈現(xiàn)，這也是虛擬仿真實驗建設(shè)的核心技術(shù)要求。在對國內(nèi)外流體建模軟件多方調(diào)研的基礎(chǔ)上［11-12］，最后選用時下最流行的光滑粒子流體動力學(xué)方法SPH［13］進行建模，該技術(shù)采用拉爾朗日法，使每個流體質(zhì)點上均承載著各自物理量，且以質(zhì)點為單位進行后期渲染，因此仿真精度更高，渲染效果細膩、真實，是當前較符合流體類虛擬仿真實驗需求的技術(shù)。

（3）基于真實實驗數(shù)據(jù)的數(shù)值仿真。在采用高精度流體建模軟件的基礎(chǔ)上，將數(shù)模結(jié)果與真實實驗數(shù)據(jù)進行校準，以進一步保證仿真實驗結(jié)果的準確性。水槽實驗數(shù)據(jù)來自線下波流水槽相同工況的實測采集，港口實驗數(shù)據(jù)源于已開展的科研實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)校核，模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)擬合良好，變化規(guī)律一致，證明虛擬實驗數(shù)據(jù)準確可靠。

3 項目特色

3.1 以學(xué)生為中心的教學(xué)理念

以教育部國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的要求［4，14］為指導(dǎo)，波浪運動特性虛擬仿真實驗的設(shè)計始終將“以學(xué)生為中心”作為建設(shè)的核心理念，遵循從簡單到復(fù)雜、微觀到宏觀和理論到實踐的認識規(guī)律，突破原有的教學(xué)設(shè)計，構(gòu)建了“學(xué)習(xí)-探究-實踐”3層次遞進式的實驗教學(xué)模塊。系統(tǒng)中建設(shè)有5個自制教學(xué)視頻、多個動畫和關(guān)鍵操作的引導(dǎo)提示，在3大模塊中均有所應(yīng)用，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)理論知識和進行實驗操作。此外，對實驗場景的高度還原、多角度的觀察和漫游和對水體渲染效果的精益求精都旨在增強學(xué)生實驗中的代入感和互動感。將“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念落實到虛擬仿真實驗建設(shè)的全過程，不僅可以調(diào)動學(xué)生參與實驗的積極性，更可能啟發(fā)學(xué)生主動思考，激發(fā)探索創(chuàng)新的精神。

3.2 以問題和需求為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容

港口相關(guān)實體實驗以往都是依托科研項目采用物理模型方式在港池等大型設(shè)備中開展的［15］，目前我校并未建設(shè)港池這一大型設(shè)備。其次，這類實驗占地面積大、成本高且周期長，教學(xué)中不具備開展此類實驗的條件。此外，模型實驗中學(xué)生無法對港口布局規(guī)劃和建筑物等進行全面的了解和學(xué)習(xí)，現(xiàn)場實驗又具有一定的危險性。而虛擬仿真實驗無疑是解決這一問題最有效的手段，在港區(qū)虛擬現(xiàn)實環(huán)境中開展現(xiàn)場實驗，多角度、多層次調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生探索創(chuàng)新的熱情，是提高實驗教學(xué)水平的必然舉措。

此外，近年來我國已形成5大沿海港口群，以洋山港為首的主要港口正在向著世界一流港口邁進，港口的建設(shè)已成為體現(xiàn)綜合國力重要組成部分，因此對港航專業(yè)后備人才的培養(yǎng)也提出了更高的要求［16］。本系統(tǒng)從知識理解、實驗運用到工程實踐層層遞進，構(gòu)建起了從課堂學(xué)習(xí)到工程應(yīng)用之間的橋梁，將工程規(guī)劃和設(shè)計融入實驗教學(xué)中，調(diào)動學(xué)生作為建設(shè)參與者的創(chuàng)新精神和實踐能力，觸發(fā)其對職業(yè)責(zé)任的理解和思考，以立德樹人為本，以“雙一流”建設(shè)思想為指導(dǎo)，著力創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才的培養(yǎng)。

3.3 多模式融合的教學(xué)方法

為滿足信息化時代背景下學(xué)生需求，提升線上實驗教學(xué)效果，波浪運動特性虛擬仿真實驗融合自主式學(xué)習(xí)、互動式教學(xué)、問題探究式教學(xué)等多種教學(xué)方法。自主式學(xué)習(xí)教學(xué)方法主要是為訓(xùn)練學(xué)生對海岸動力學(xué)、港口水工建筑物和港口規(guī)劃與布置等課程大綱中知識點的掌握，該教學(xué)方法貫穿于整個實驗過程，相對于專業(yè)知識本身，該方法的應(yīng)用更注重引導(dǎo)學(xué)生對知識來源的探索；互動式教學(xué)方法體現(xiàn)在學(xué)生可通過改變不同設(shè)計參數(shù)（如波浪要素、口門方向、口門寬度等）按自己的思路進行實驗設(shè)計，且在實驗中通過提示和問答的方式啟發(fā)學(xué)生對實驗現(xiàn)象的思考和分析，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性；問題探究式教學(xué)方法旨在用設(shè)問的方式引導(dǎo)學(xué)生對實驗現(xiàn)象進行更深層的探究，如在港口實驗問答中，學(xué)生需基于實驗結(jié)果分析，綜合考慮港內(nèi)波況、港區(qū)船舶通行條件和經(jīng)濟等因素，來進行相關(guān)設(shè)計，可有效鍛煉學(xué)生獨立分析和解決問題的能力。

4 應(yīng)用和評價

波浪運動特性虛擬仿真實驗系統(tǒng)現(xiàn)已正式投入教學(xué)應(yīng)用，應(yīng)用過程中共有7位港航專業(yè)教師和4位企業(yè)研發(fā)人員提供在線教學(xué)服務(wù)和技術(shù)支持，確保線上實驗教學(xué)有效開展。自投入使用以來，本系統(tǒng)教學(xué)成效良好，實驗的精確度和實驗環(huán)境的虛擬現(xiàn)實效果受到了師生的一致好評，特別在新冠疫情期間，因?qū)W生無法返校導(dǎo)致眾多教學(xué)實驗無法開展，而本系統(tǒng)在此期間起到了重要的作用，為2017、2018屆港航專業(yè)和2018屆智能建造3個班級共83人開展了線上實驗教學(xué)，為實驗教學(xué)做了及時的補充和拓展，波浪運動特性虛擬仿真實驗也被正式寫入教學(xué)大綱中，將持續(xù)提供線上教學(xué)服務(wù)。本系統(tǒng)不僅服務(wù)于同校相關(guān)專業(yè)，也面向社會開放，且已與湖北多所高校溝通協(xié)商，近期將重點支援湖北相關(guān)專業(yè)院校的線上實驗教學(xué)，未來將逐步向全國港航、海洋及相關(guān)專業(yè)高校推廣。

5 結(jié) 語

波浪運動特性虛擬仿真實驗基于實測數(shù)據(jù)和真實工程案例，采用高精度的流體建模技術(shù)和先進的渲染技術(shù)，圍繞3個主要內(nèi)容建設(shè)了5大模塊，對原有實驗內(nèi)容進行了擴充和升級，構(gòu)建了“認知-探究-實踐”逐層遞進的實驗教學(xué)體系，為學(xué)生提供了內(nèi)容豐富、場景逼真和技術(shù)先進的虛擬仿真實驗互動教學(xué)平臺，彌補了線上教學(xué)資源的不足，對線下做不到的實驗進行了線上拓展，融合了多種教學(xué)方法，面向大國建設(shè)和“雙一流”建設(shè)需求，著力創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)。系統(tǒng)目前應(yīng)用成效良好，在當前疫情狀況下，有效增強了實驗教學(xué)抵御風(fēng)險的韌性，未來港航實驗教學(xué)團隊將繼續(xù)探索，不斷完善本系統(tǒng)，建設(shè)更多虛擬仿真實驗項目為專業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)提供更好的平臺。