杨婧灵 白鹏 张书文 陈法锦 雷桂斌

【摘 要】海上综合调查虚拟仿真教学系统较传统实验具有可操作设备数量多、操作环境简单安全、实验成本低廉、开放与拓展程度高等优点。为了提高实验教学水平和教学成效，促进学院长远发展，结合海洋调查课程特色探讨了虚拟仿真系统建设意义，依托实验教学指导思想给出初步建设想法，并提出虚拟仿真实验教学改革的建议。

【关键词】虚拟仿真；海洋调查；实验教学

中图分类号： P744.4 文献标识码： A 文章编号： 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

随着科技水平不断发展提高，虚拟仿真技术日益成熟，逐渐地被成功应用到医学、物理学、工程学、海洋环境，甚至心理学方面[1-5]。人们发现在教育领域，虚拟仿真实验室不仅能有效模拟高校教师科研场景，多方面满足科研需求，而且在实验教学过程中弥补传统真实实验教学的缺点，增强教学效果[6]。虚拟仿真技术依托多种多媒体系统，可以设计教师、学生、管理员、系统自评模块，通过人机交互和网络通信等技术手段，模拟出高危或极端环境或高成本的大型综合实验环境，让实验对象安全、经济地开展实验项目，从而达到教学互动、创新智能、资源共享、全天候信息化、理论实训有效结合的实验教学目标[7-9]。

“数字海洋”是依托海洋监测数据及其分析算法模拟重现和预现真实海洋世界的热点研究课题，它随着虚拟仿真技术的成熟而日益发展[10-11]。我國作为海洋大国，利用海洋资源、加强海洋管理、增强海防实力促使我们去深入研究海洋。认识海洋，研究海洋理化现象，需要紧密结合海洋调查获取的实测数据，从而有效地描述海洋真实状态，观测海洋变化过程，预报海洋发展趋势。

广东海洋大学作为一所以海洋和水产为特色、多学科协调发展的综合性大学，是教育部本科教学水平评估优秀院校。其中海洋与气象学院的“海洋科学”作为一级学科博士点，立足广东，面向南海，肩负着发展海洋学科的历史重任。为了适应国家对海洋综合性人才的需求，结合我院海洋科学专业培养计划和实验中心教学指导思想，积极开展海上综合调查实验建设，培养应用型海洋人才是急需解决的问题。

1 海上综合调查虚拟仿真教学系统建设的意义

海洋数据是分析、研究、预估各种海洋现象和海洋特征的基础[10]，海洋调查作为获取数据的直接手段，受人力、物力、时间、空间、环境等因素的影响，难以大面积、长时间的开展。海洋调查过程中，大型设备价格昂贵且数量稀少、船只出海运输代价高、高海况作业导致安全隐患大等因素极大限制了海上综合调查实验和实践课程的开展，其中大型设备的搬运、投放、观测、回收、维护对操作人员、实验教师的技能也提出更高的要求。

海洋与气象学院作为广东海洋大学重点建设和优先发展的学院之一，为了更好服务国家海洋事业，增强专业特色优势，建设一流优势学科，筹备建设集成“海浪虚拟仿真实验”、“潮汐虚拟仿真实验”、“海流虚拟仿真实验”、“海洋调查船虚拟仿真实验”、“侧扫声呐虚拟仿真实验”、“浅地层剖面仪虚拟仿真实验”、“海水温盐深调查及海水采集虚拟仿真实验”、“海流调查虚拟仿真实验”、“探空气球观测虚拟仿真实验”等模块的海上综合调查虚拟仿真教学系统，逼真地模拟观测设备结构、出海实况操作系列过程。该系统的建设不仅能丰富教学手段，还可提高学生学习兴趣，有利于增强实验对象操作技能和培养创新能力，具有显著意义。

1.1 弥补短板，锻炼实践技能

传统的海洋调查实验教学中，设备在数量上无法满足每个学生实验操作。实验教师讲解其工作原理和操作方法通常是通过图片、语言、视频和实物的方式进行演示，海洋设备的精密性和复杂性导致学生无法完全掌握和理解其原理，对设备内部结构模糊不清，操作和维护中的细节容易混淆和遗忘。海上综合调查虚拟仿真教学系统的建设，能够将复杂设备的内部结构通过3D信息技术平台形象的展示给学生，避免精密仪器的反复拆卸、错误操作等可能造成设备结构损坏及伴随的测量精度下降。每个学生可以通过操作鼠标、键盘进行实验，打破实验设备数量不足的限制，避免损坏精密仪器。同时通过系统评价模块分析实验对象每步操作是否正确合理、关键步骤是否遗漏，可反复进行实验操作，不断改正完善操作技能，加强记忆和理解，全方位锻炼其实验技能。

1.2 防范风险，促进探索创新

真实的海洋调查实践训练耗资昂贵，而且船只航行过程受风浪作用发生摇晃倾斜，对海洋设备投放、回收影响巨大，可能导致设备发生碰撞损坏，也会危及到学生安全。在互动仿真系统模拟的3D环境下，实验对象身临其境地参与到海洋调查的设备维护、测试、投放、数据观测、设备回收等过程中，如同体验真实海洋环境状况，对设备操作和出海观测可能发生的情况进行合理预判，有效保障学生出海安全并保护调查设备。这种条件下，学生可以无后顾之忧去实现各种想法，自行设计创新型、应用型实验，最大限度地发挥自主能动性，增强动手能力，从而更好的达到教学目标。

1.3 降低成本，助力科学研究

随着学院年轻教师的引进，数据来源显得越来越弥足珍贵。年轻教师科研启动项目、国家青年基金项目，很大程度上依托于有效的、可靠的数据获取和分析。海上综合调查虚拟仿真教学系统的建设，可以融合海洋化学、海洋地质与物理海洋前沿科学问题，模拟研究课题的设计方案和结果，为实际海洋调查提供参考，不断改进数据获取手段，为解决科研问题提供更多开放性的思路，拓展科研创新思维，助力科学研究。

2 海上综合调查虚拟仿真教学系统建设的构想

海上综合调查是研究开发利用海洋的重要手段，但是受复杂的海洋环境、多变的气象状况、船时费用的极大制约。海洋调查活动中，人员安全难以保障，设备昂贵并易损坏，难以实现反复训练。为了提高海洋调查效率，增强实践效果，学院计划建设开发海洋课程群虚拟仿真教学系统、南海海洋灾害过程虚拟仿真系统、海上综合调查虚拟仿真教学系统等三套虚拟仿真教学系统。其中海上综合调查虚拟仿真教学系统，与海洋调查活动虚实结合，有利于学生实践操作前反复训练，掌握流程，有力补充海洋调查活动。

海上综合调查虚拟仿真教学系统建设以“科学规划、特色突出、资源共享、注重应用、融入前沿”为指导思想，围绕海洋调查常用设备（如CTD、ADCP、波潮仪、海流计、温盐仪、采水器等），结合海洋科学类常用的数据处理语言或软件（如Fortran、Matlab、arcGIS等），建设包括海浪、潮汐、海流、海水温盐深测量和海水采集等方面的海上综合调查虚拟仿真教学系统，涉及设备维护、固定、测试、布放、测量、回收以及数据处理等系列实验过程，围绕实验教学和科研工作需要展开。

2.1 结合传统实验教学手段，培养应用人才

海上综合调查虚拟仿真教学系统的建设应该充分结合传统实验教学手段，力求弥补和完善传统实验教学短板。海洋调查设备仪器测量精度高、反应灵敏，反映在硬件上密封性要求高，数据测量原理上复杂晦涩。海上综合调查虚拟仿真教学系统通过软件模拟各种海洋状况、海洋调查船环境、仪器内部结构、海洋观测流程等，帮助实验对象反复熟悉仪器，直观观察仪器测量过程，掌握实验操作技巧，更好的理解设备工作原理，认识测量数据。把软件共享、仪器共享、远程操控有机结合，配合真实实验操作，提高设备使用效益，引导学生学以致用，培养学生自主能动性和基本实验技能。

2.2 融入科学前沿研究热点，提高创新能力

我院实验教学中心以 “理实结合、创新为先”为教学理念，把培养学生基本实验技能作为基础，将提高学生实践应用能力和科研创新能力作为核心。海上综合调查虚拟仿真教学系统可以解析当前科学研究热点问题，模拟出实验现象可能发生过程，拓宽学生学生视野，优化学生知识结构，激发学生科研兴趣。传统理论实验教学一般通过数据分析获取现象，该系统可以设计交互模块，允许学生设置或改变海域中某参数，观察海洋变化现象，设计捕获这些变化的手段方法，在有效补充理论教学同时，培养创新精神。

2.3 完善实验人才队伍建设，提升管理水平

实验室建设离不开人才队伍建设，海上综合调查虚拟仿真教学系统涉及到课程管理、培养计划管理、选课管理、学期管理和开课排课管理系统，对管理教师要求更高，在队伍配置上更应该多元化。海上综合调查虚拟仿真教学系统建设，应该结合学院海洋调查精品课程，邀请精品课程负责人加入教学资源建设，设计出更符合学生教学实验项目。咨询负责或参与国家青年基金项目和重大科研项目的教师，按专业添加实验培养计划，建设研究创新项目，为该虚拟仿真教学系统建设提供理论支持。同时不断优化实验技术人才的知识结构，提高整体素质和业务水平，提高设备管理力度，保障虚拟仿真实验的顺利展开。

3 海上综合调查虚拟仿真实验教学的改革

海上综合调查虚拟仿真教学系统可以弥补传统实验教学在时空和经费等多方面的不足，方便实验教学和实验室管理。虚拟仿真实验具有共享性、开放性、交叉性和先进性。同一个项目可以允许多人同时上机操作，学习不局限在原有上课时间和地点，不受限于设备数量和品种。学生完成教师布置任务时，可以发挥自主创新精神，灵活合理改变实验内容，且不会引起安全问题，便于教师掌控。

总体来讲海上综合调查虚拟仿真教学系统提供了一种全新的开放式教学模式，推动实验教学开展，更好地服务于实验对象。虚拟资源的不断引进，促使实验教学根据学科特点和教学目标不断改革，指导实验教学的良好发展。改革措施可从以下几个方面考虑。

（1）海洋调查实验主要涉及海洋设备维护、测试、投放、回收、清洗和出海调查。设备重量大、精度高，操作过程中多有不便，在配备虚拟仿真教学系统的同时，需要辅助大型3D模拟效果以增强理解性。设置人机交互模块，记录学生操作过程，反馈错误，實验教师根据系统反馈结果对实验对象进行评价辅导工作。

（2）海洋调查设备获取数据目的是为了分析数据和现象。海上综合调查虚拟仿真教学系统在提供实验操作平台的同时，应该进一步完善实验数据分析处理和报告反馈步骤。保留完整的实验步骤，才能最大限度的按照教学目标培养学生，调动学生学习积极性，建立完整的科研思路。依托虚拟仿真实验平台，全院教师积极建设海洋科学精品课程，将学院海洋化学、海洋地质与物理海洋紧密结合起来，形成“三位一体”的海上综合调查虚拟仿真教学系统。

（3）虚拟实验室管理任务复杂，既要依据教师要求设计实验和区分权限，又要考虑到学生时间和地点问题。对于实验室开放安全、设备管理、虚拟仿真平台维护要制定严格的规章制度，规范实验操作说明，推动实验教学高效、稳定的发展。

4 结语

海上综合调查虚拟仿真教学系统建设结合学院海洋调查精品课程，应用实验设备、实验方法、虚拟实验环境，融合专业学科和现代信息技术，能提升实验教学成效，提高仪器设备使用效益，弥补传统实验教学不足，提高学生实践能力和创新能力。海上综合调查虚拟仿真教学系统的建设将极大促进学院信息化建设和国家实验教学示范中心的筹建，为实验中心教学改革提供新方向新思路，为实验资源的开放共享起到良好的示范作用。

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