沈蔚 朱瑞芳 欒奎峰 胡松 朱衛(wèi)東 王潔

摘要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展而出現(xiàn)在教學(xué)中的一種半沉浸式體驗(yàn)教學(xué)模式。因其具有傳統(tǒng)教學(xué)不可及的優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上成為提高教學(xué)質(zhì)量的又一利劍。國家重視，各高校積極響應(yīng)，上海海洋大學(xué)亦已建成虛擬仿真綜合管理平臺(tái)，依托該平臺(tái)，從《海道測量學(xué)》教學(xué)需求出發(fā)，進(jìn)行了多波束掃海測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研發(fā)和創(chuàng)建，開展了相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)，使傳統(tǒng)教學(xué)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中得到有效的延伸，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式;多波束掃海;海洋測繪

引言

虛擬仿真技術(shù)在教育中作用日益凸顯，尤其對于始料未及的新冠疫情席卷全球，新技術(shù)將隔離的學(xué)生和教師帶到云端，教學(xué)活動(dòng)得以開展，對教育內(nèi)涵和教育手段的思考成為當(dāng)代教育界的新思潮。后疫情時(shí)代，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，情景與實(shí)景互相營造出獨(dú)特的學(xué)習(xí)氛圍，有效地提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中獨(dú)立性、思辨性、操作性、合作性等能力;是高校為社會(huì)培養(yǎng)高層次人才的強(qiáng)有力工具[1-7]。

在海洋技術(shù)專業(yè)的教學(xué)過程中，開展虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，正是順應(yīng)新時(shí)代高校教育的需求，不斷探索并成熟應(yīng)用的必然。其中，《海道測量學(xué)》作為海洋技術(shù)、海洋信息等測繪與空間信息類專業(yè)的主干課程，涉及到諸如海道測量的基本知識(shí)、多波束測深系統(tǒng)的工作原理、淺地層剖面儀的工作原理、側(cè)掃聲吶的工作原理等內(nèi)容，以及水下聲學(xué)測量設(shè)備的使用方法和應(yīng)用場景。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)很難將學(xué)生帶入對抽象理論和實(shí)際操作的直觀認(rèn)識(shí)層面，經(jīng)過數(shù)年來虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，在教學(xué)中進(jìn)行了有益的探索，形成了全新的教學(xué)模式。

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

多波束聲吶系統(tǒng)是一款價(jià)格昂貴（淺水多波束系統(tǒng)市場價(jià)約300萬人民幣、深水多波束系統(tǒng)約1000萬人民幣）的測量設(shè)備。在海道測量學(xué)的實(shí)踐教學(xué)中，海上實(shí)測費(fèi)用高，且受到臺(tái)風(fēng)、船時(shí)、安全等影響，作業(yè)難度大、風(fēng)險(xiǎn)大;學(xué)生頻繁操作易損壞設(shè)備;聲吶測深原理理論復(fù)雜又抽象，傳統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難達(dá)到理想的教學(xué)目標(biāo)。

因此，通過建立虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)的在線共享多波束掃海測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，開展多波束掃海測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用人機(jī)交互的虛擬仿真技術(shù)，解決了高成本、高風(fēng)險(xiǎn)和難理解的難題，在虛擬環(huán)境中，通過認(rèn)識(shí)典型多波束測深系統(tǒng)構(gòu)成、多波束換能器原理、交互式顯示波束形成原理、多波束聲速誤差影響、仿真模擬多波束設(shè)備的組裝和部署，完成對數(shù)據(jù)的采集軟件的仿真和數(shù)據(jù)采集模擬，注重培養(yǎng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中熟悉多波束的結(jié)構(gòu)、掌握多波束的操作流程以及注意事項(xiàng)，培養(yǎng)新時(shí)代下掌握新型測繪技術(shù)的高級(jí)應(yīng)用型人才。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

實(shí)際教學(xué)中，采用虛實(shí)結(jié)合方式，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的基礎(chǔ)上，充分發(fā)掘虛擬仿真平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢，使學(xué)習(xí)更加深入且生動(dòng)，同時(shí)有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性，將自主學(xué)習(xí)、互助學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合。

根據(jù)理論聯(lián)系實(shí)際，以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，采用“虛實(shí)結(jié)合三步走”的教學(xué)模式。第一步是實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)，第二步是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的交互操作實(shí)驗(yàn)步驟，第三步是真實(shí)操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

多波束掃海測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托上海海洋大學(xué)虛擬仿真綜合管理平臺(tái)（圖2-1）建立。實(shí)驗(yàn)過程中，相關(guān)原理和儀器操作練習(xí)，以虛為主，解決海上實(shí)踐成本高、條件限制多難題;有關(guān)軟件操作以實(shí)為主，線上視頻學(xué)習(xí)，線下軟件實(shí)踐操作。

此外，以上海海洋大學(xué)“淞航”號(hào)遠(yuǎn)洋調(diào)查船、“海鷹”號(hào)測繪實(shí)習(xí)船等科研教學(xué)船為依托，開展現(xiàn)場觀摩和實(shí)操，進(jìn)一步學(xué)習(xí)多波束測深系統(tǒng)的組裝、安置和測量，通過虛實(shí)結(jié)合的方式，使學(xué)生掌握多波束測量的技能和知識(shí)。

學(xué)生可隨時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)學(xué)習(xí)，感受真實(shí)性，加深印象。實(shí)驗(yàn)前后有專業(yè)教師在線答疑或人機(jī)交互的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和測驗(yàn)考核，教師可以在虛擬現(xiàn)場教學(xué)，在線與學(xué)生交流互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、互助學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

3.1實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)

根據(jù)設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，首先在系統(tǒng)中構(gòu)建多波束測深系統(tǒng)各組成部分的三維模型（圖3-1），展示了各組成部分的名稱和功能，并可360°觀察各組成部分以及換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu);通過虛擬動(dòng)畫的手段，表現(xiàn)出普通波動(dòng)原理、波束的指向性、波束中旁波瓣和主波瓣、波束的控制等概念，更容易掌握多波束測深系統(tǒng)的基本原理;通過交互式控制，更好的理解多波束的發(fā)射與接收、聲速誤差對水下測量的影響。例如“普通波動(dòng)原理”、“相干波”等，講解了多波束的形成、Mills交叉原理，Snail法則等，使學(xué)生掌握多波束的相關(guān)理論知識(shí)。

3.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)采用“線上線下”相結(jié)合的方式。線上學(xué)習(xí)可以在任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（如疫情期間家中）進(jìn)行，線下學(xué)生可以集中或分組在實(shí)驗(yàn)室操作完成。這就充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，同時(shí)也能夠培養(yǎng)學(xué)生自主式、探究式學(xué)習(xí)的能力。

學(xué)生首先進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)預(yù)習(xí)、觀看、模擬操作相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，例如在“多波束設(shè)備的組裝”模塊（圖3-2）中，根據(jù)系統(tǒng)中提供的設(shè)備，學(xué)生可以通過鼠標(biāo)拉動(dòng)設(shè)備對設(shè)備進(jìn)行安裝，如果安裝有問題，就無法進(jìn)行下一步調(diào)試，從而使學(xué)生能很快的掌握設(shè)備的安裝。

另外學(xué)生在“多波束硬件部署”這一環(huán)節(jié)，可以對換能器、定位設(shè)備、航向與姿態(tài)傳感器和甲板單元等四個(gè)部分進(jìn)行在船體的虛擬仿真部署（圖3-3）。

多波束測深實(shí)驗(yàn)是軟硬件一體化的實(shí)驗(yàn)，在以上硬件組裝和船體部署后，進(jìn)入到“多波束軟件配置”（圖2-5）及“多波束數(shù)據(jù)采集仿真”（圖2-6）環(huán)節(jié)。

“多波束軟件配置”分為“采集電腦網(wǎng)絡(luò)IP的設(shè)置”、“采集軟件項(xiàng)目設(shè)置”、“測線設(shè)置”和“數(shù)據(jù)采集”注重培養(yǎng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中掌握多波束數(shù)據(jù)采集端所有的操作，掌握多波束軟件的設(shè)置和采集電腦的設(shè)置。

“多波束數(shù)據(jù)采集仿真”通過虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)測量的環(huán)境，并通過交互式控制多波束測量時(shí)的開角、測量范圍、探測角度等信息，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)采集結(jié)果，為學(xué)生提供可視化的實(shí)時(shí)信息反饋，讓學(xué)生掌握各參數(shù)的設(shè)置意義。

在學(xué)生預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，教師在虛擬實(shí)驗(yàn)課堂上對整個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及到的理論知識(shí)和注意事項(xiàng)進(jìn)行再次的梳理和講解，演示操作步驟，并布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具體規(guī)定實(shí)驗(yàn)要完成的目標(biāo)。之后，學(xué)生在課下通過虛擬仿真軟件完成教師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，師生可通過平臺(tái)上的在線答疑功能進(jìn)行互動(dòng)交流，教師在線評(píng)分并及時(shí)反饋給學(xué)生，只有學(xué)生完全掌握了多波束掃海測量的全部工作要點(diǎn)，才能進(jìn)入下一步的真實(shí)環(huán)境操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.3真實(shí)環(huán)境操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在虛擬仿真的教學(xué)基礎(chǔ)上，在有條件的情況下，組織學(xué)生到實(shí)習(xí)船上（我校的“淞航號(hào)”或“海鷹號(hào)”）進(jìn)行多波束掃海測量的實(shí)際操作，由于學(xué)生在虛擬仿真軟件中已經(jīng)對設(shè)備的操作進(jìn)行了多次練習(xí)，學(xué)生根據(jù)真實(shí)的測量環(huán)境對相關(guān)的參數(shù)快速的設(shè)置，并實(shí)際采集真實(shí)數(shù)據(jù)，高效的完成多波束掃海測量的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

3.4實(shí)驗(yàn)考核與評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)考核成績由平時(shí)成績、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、習(xí)題成績?nèi)糠纸M成，其中平時(shí)成績占20%，習(xí)題成績占20%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績占60%。平時(shí)成績包括網(wǎng)絡(luò)操作時(shí)長和實(shí)驗(yàn)態(tài)度兩塊內(nèi)容，出勤分?jǐn)?shù)依據(jù)學(xué)生在仿真課堂的有效交互時(shí)長，實(shí)驗(yàn)態(tài)度的評(píng)分則依據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上的表現(xiàn)、在線提問的次數(shù)、完成實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立性等。最后給出3個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)：（1）學(xué)習(xí)時(shí)長;（2）練習(xí)題的準(zhǔn)確率;（3）在線與教師的互動(dòng)情況。每個(gè)指標(biāo)分“優(yōu)良中差不”，對應(yīng)著5分制，根據(jù)整個(gè)班級(jí)的在線學(xué)習(xí)情況，給出每個(gè)指標(biāo)的評(píng)分，進(jìn)行匯總，得到最后的評(píng)分。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是由學(xué)生在線提交，教師批改后將成績反饋并與學(xué)生交流討論，實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核學(xué)生是否掌握了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃砗筒襟E，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性和完整性。

4.結(jié)束語

通過虛擬仿真項(xiàng)目的開發(fā)與應(yīng)用，解決了以往由于測量設(shè)備昂貴或者測量船舶使用受限等難題，突破了多波束測量技術(shù)只停留在課堂講解層次上的難題，每一位學(xué)生能夠多次虛擬操作儀器設(shè)備，深入了解抽象的理論知識(shí)，接觸到最前沿的科學(xué)技術(shù)。

基于網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有網(wǎng)絡(luò)化、開放性和交互性的特點(diǎn)，有利于學(xué)生對多波束掃海測量這一新技術(shù)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，充分利用了人機(jī)互動(dòng)，極大程度激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)探索、自主實(shí)踐，增進(jìn)學(xué)生參與各類科研項(xiàng)目和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的熱情。

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作者簡介：沈蔚（1977—），漢族，男，江蘇阜寧人，教授，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y繪與遙感。

通訊作者：欒奎峰（1981-），漢族，吉林梅河口人，副教授，博士，研究方向?yàn)樾滦图す鉁y繪高精度處理。

基金項(xiàng)目：本文受上海海洋大學(xué)《海道測量學(xué)》一流培育課程、“新工科背景下海洋技術(shù)一流專業(yè)建設(shè)探索”項(xiàng)目的支持。

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院 上海 201306;2.海洋科學(xué)與技術(shù)上海市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 上海 201306）