海洋中尺度渦虛擬仿真實驗設(shè)計

張春玲，胡 松

上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306

當今社會日新月異的發(fā)展對海洋科學人才培養(yǎng)提出了迫切需求，“海洋觀測”課程是海洋科學人才培養(yǎng)的重要課程。海洋的中尺度渦水平運動可以在全球范圍進行熱鹽輸送，垂向運動可以富集營養(yǎng)鹽、葉綠素，因此其對海洋中的能量和養(yǎng)分起到“搬運工”的作用[1]，在海洋中扮演著重要角色，是近幾十年海洋科學的重大發(fā)現(xiàn)之一，也是“海洋觀測”課程的重要教學內(nèi)容之一。

然而，中尺度渦知識點的講授和理解一直是教學中的難點。中尺度渦是一種抽象復雜的海洋現(xiàn)象， 雖然其在全球海洋中普遍存在，但它的產(chǎn)生時間和地點都具有不確定性，而一般定點觀測需要一天以上的時間才能完全了解渦旋狀態(tài)，隨流觀測則需要更長的時間周期。另外，海洋中的觀測儀器固定方法復雜、操作繁瑣，完成一次海上觀測需要的人力物力資源都很龐大[2]，學生往往無法在幾次實習過程中完全接觸到整套觀測流程操作，基本依賴于課堂理論教學。因此，目前對于海洋中尺度渦現(xiàn)象的教學通常采用封閉灌輸式理論講授，外加有限條件下的嘗試實習，這樣只能使學生對中尺度渦有初步的感性認識，不利于學生深刻理解渦旋的物理特征和運動變化。利用現(xiàn)代信息技術(shù)，結(jié)合寶貴的科研實測數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)中尺度渦的虛擬仿真實驗教學[3]，能夠?qū)⒑Ｑ鬁u旋的特征、結(jié)構(gòu)及運動以仿真場景的形式再現(xiàn)出來，可為學生提供模擬實驗的機會，從而激發(fā)學生學習的積極性和主動性，最終達到優(yōu)化教學效果的目的。

一、設(shè)計策略

1. 實驗設(shè)計目標

中尺度渦虛擬仿真實驗的主要設(shè)計目標是滿足實驗教學的需要，彌補理論教學的不足。在現(xiàn)代教學理論的指導下，以構(gòu)建主義學習理論和情境認知理論為基礎(chǔ)，結(jié)合海洋學科和海洋現(xiàn)象的特點，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建三維逼真的虛擬實驗環(huán)境，使學生可以以自然的方式與虛擬對象進行自由的交互，更好地促進學生在模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，進行探索學習、協(xié)同學習，使其能夠獲得真實的體驗。

2. 實驗設(shè)計原則

在利用桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計中尺度渦虛擬仿真實驗時需要遵循一定的設(shè)計原則：（1）科學性原則?？茖W性是各個學科教學及實驗設(shè)計中都必須要遵循的重要原則，也是設(shè)計中尺度渦虛擬仿真實驗的最根本的原則。虛擬實驗教學、傳統(tǒng)的實驗教學、理論教學三者的教學目標和學科特征是一致的，不同的是教學環(huán)境與教學手段。虛擬仿真實驗的內(nèi)容、過程與方法要遵循科學規(guī)律，不能違背科學事實。只有這樣，學生通過虛擬實驗才能獲得與真實實驗相同的感受，才能把握學科規(guī)律，從根本上培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。（2）交互性原則。交互性原則是評價虛擬仿真實驗的重要指標之一。虛擬實驗教學需具有良好的交互功能，以使學生能夠有一定的沉浸感，并充分發(fā)揮其主觀能動性，只有學生正參與到實驗中進行操作，才能完成知識的意義建構(gòu)并訓練其操作技能。（3）開放性原則。學生是認識的主體，是知識意義的主動建構(gòu)者。虛擬仿真實驗要實現(xiàn)任何人都能突破時空的限制學習教學內(nèi)容，在實驗過程中構(gòu)建自主學習環(huán)境，并創(chuàng)設(shè)學習交流空間，為學生提供可交互的、反饋及時的教學資源，進而實現(xiàn)協(xié)作學習。

二、主要模塊與功能

1. 實驗平臺

中尺度渦虛擬仿真實驗平臺主要依托上海海洋大學大洋漁業(yè)資源持續(xù)開發(fā)教育部重點實驗室、海洋科學與技術(shù)實驗教學示范中心、國際海洋研究中心、上海市深淵科學工程技術(shù)研究中心、國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心、中國遠洋漁業(yè)數(shù)據(jù)中心等實體平臺，遵循“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，結(jié)合自身的優(yōu)勢、特色和實際，借助現(xiàn)代化計算機、多媒體、視頻、圖片、網(wǎng)站和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，綜合運用海洋數(shù)值模型、地理信息系統(tǒng)、遙感及全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地圖等先進技術(shù)[4-5]，以海洋氣象要素、海洋環(huán)境變量、海洋流場參數(shù)、空間地理信息等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展中尺度渦識別探測、水平演變、垂向運動等綜合評估實驗。

2.主要功能模塊

虛擬仿真實驗的主界面為海洋環(huán)流背景下，大大小小渦旋運動的動態(tài)效果，可拖動、局部放大顯示渦旋情況，并附以中尺度渦的簡介。共分為渦旋的觀測方法、水平運動、垂向運動三個模塊，可點擊相應(yīng)的選擇按鈕，進入相應(yīng)模塊操作。

渦旋觀測方法模塊可選擇不同觀測方式進入相應(yīng)界面，移動鼠標即可局部放大展示漂流浮標、衛(wèi)星掃描等觀測手段，并通過問題交互方式，演示浮標觀測的過程、衛(wèi)星掃描的方式[6-8]。渦旋水平運動模塊以渦旋運動過程進入演示，可局部放大顯示某個區(qū)域渦旋的運動過程[9]，選擇相應(yīng)操作按鈕，通過人機交互方式，自主展示渦旋運動時對應(yīng)的流場或海面高度情況。并可任意選擇典型區(qū)域渦旋的運動過程，聚焦到某個特定渦旋，展示渦旋的半徑、周期、運動軌跡等。渦旋垂向運動模塊以渦旋的垂向結(jié)構(gòu)圖[10]進入渦旋內(nèi)部，選擇相應(yīng)按鈕，即分層顯示渦旋的水平結(jié)構(gòu)，進而選擇相應(yīng)操作按鈕，演示渦旋內(nèi)部海水的升降運動，顯示渦旋表面的溫度、海面高度等海洋要素的分布，展示渦旋引起的葉綠素的影響、周圍魚類的活動情況[11]。

三、設(shè)計特色及教學效果

中尺度渦虛擬仿真實驗采用了高度逼真的三維空間、模型設(shè)計和簡潔的導航設(shè)計，此為該實驗的主要特色之一。利用桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢可以為中尺度渦實驗教學提供重要途徑，解決現(xiàn)階段海洋渦旋教學所面臨的各種問題，學生在學習中尺度渦基本理論知識的基礎(chǔ)上，通過觀察三維空間、立體的認知模型來獲取虛擬海洋渦旋的信息，直觀地學習和了解其結(jié)構(gòu)、屬性、水平運動及垂向演變過程，同時也有利于培養(yǎng)學生的空間思維能力。另外，我們對學習資源也進行了合理組織，設(shè)計了簡單明了的導航欄目，并設(shè)置數(shù)個固定按鈕，學生可以通過導航直接跳轉(zhuǎn)到指定的固定模塊，初學者也明了學習過程，按照導航指引，有步驟地進行學習，使學習資源能夠最大程度上被學生有效利用，從而減少了外在的認識負荷。

中尺度渦虛擬仿真實驗設(shè)計的特色之二是很好地遵循了交互性原則。虛擬仿真實驗的交互設(shè)計是教學過程中的重要部分，對虛擬環(huán)境的操作控制是交互的直接表現(xiàn)[12]。在中尺度渦虛擬仿真實驗中，我們通過視點導航交互功能的設(shè)置，設(shè)計了學生易于操作和控制的教學步驟，學生可以自由操控虛擬海洋渦旋，將其轉(zhuǎn)換視角、平移、翻轉(zhuǎn)，也可以在其周圍漫游，等等。而且，允許學生根據(jù)個人需要、學習效果自定步調(diào)來獲取信息，而不像三維動畫中有預(yù)定的信息傳遞步調(diào)，能夠更大程度上發(fā)揮學生的主體能動性，實現(xiàn)實驗教學的最優(yōu)化。另外，中尺度渦虛擬仿真實驗的交互性除了學習界面的交互，還包括學習過程中知識的交互，即已有知識的鞏固深化及利用已有的知識和經(jīng)驗分析、解決問題，形成新知識的個人內(nèi)部反映過程，如實驗操作、問題解決、分析、綜合及評價等學習活動。知識的交互使學生能夠有效獲取、掌握知識，提高思維能力和動手操作的能力，在與系統(tǒng)交互的過程中，拓展知識理解的廣度和深度，鍛煉邏輯思維能力和分析解決問題的能力。

四、 結(jié)語

隨著信息化的發(fā)展，虛擬仿真教學已經(jīng)成為實驗教學的重要手段。中尺度渦虛擬仿真實驗平臺主要面向海洋科學、大氣科學、漁業(yè)資源學、海洋生態(tài)學、遙感科學與技術(shù)、測繪工程等專業(yè)，可承擔“海洋觀測”“物理海洋學”“大氣科學概論”“海洋環(huán)流”“海浪原理與計算”“衛(wèi)星海洋學”“海洋生物學”“海洋生態(tài)學”“漁業(yè)遙感”“漁業(yè)資源評估與管理”“地理信息系統(tǒng)”等課程的虛擬仿真實驗教學任務(wù)，使學生掌握應(yīng)用海洋中尺度渦旋模擬仿真方法、應(yīng)用海洋常用儀器的操作規(guī)程，理解海洋中尺度渦的結(jié)構(gòu)特征與運動過程[13]。中尺度渦虛擬仿真實驗，綜合運用專業(yè)模型、數(shù)據(jù)與方法，設(shè)計了可視化實驗實習界面，學生可方便地利用軟件系統(tǒng)完成模擬實習過程的每一步[14]，可方便地轉(zhuǎn)化、添加海洋中尺度渦模擬有關(guān)的科研新成果。學生通過網(wǎng)絡(luò)進行自主學習、師生討論、自我測試 ，熟悉了海洋中尺度渦旋的概念、分類、產(chǎn)生原因、統(tǒng)計特征、運動原理、 運動過程等，對海洋的“搬運工”進行了直觀深入的探秘，能較好地實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學目標，提高學習效果。