虛擬仿真實驗在海洋儀器使用與維護課堂教學中的應用

王淑青 雷桂斌 楊婧靈

[摘要]海洋儀器使用與維護課程具有實踐性、綜合性、多學科性的特點，由于海洋儀器一般價格昂貴，出海實驗成本高，難以滿足實驗教學的需要探討虛擬仿真在海洋儀器使用與維護課堂教學的可行性和必要性，闡述虛擬仿真在海洋儀器使用與維護課程翻轉課堂教學中的應用，堅持“能實不虛、虛實結合”，推動教學內容的改革，促進教學方式的創(chuàng)新，為海洋技術和海洋科學專業(yè)的教學改革提供一種新思路。

[關鍵詞]虛擬仿真;海洋儀器使用與維護;海洋技術;海洋科學;實驗教學

[中圖分類號]G642 [文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2020）02-0084-03

“創(chuàng)新是從根本上打開增長之鎖的鑰匙。以互聯(lián)網(wǎng)為核心的新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命蓄勢待發(fā)，人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術日新月異，虛擬經(jīng)濟與實體經(jīng)濟的結合，將給人們的生產(chǎn)方式和生活方式帶來革命性變化。”[1]虛擬現(xiàn)實技術是現(xiàn)代教學手段的技術平臺。在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》中，虛擬仿真實驗教學被列為高等教育信息化建設的重要內容之一，其本質特征是深度融合計算機技術拓展傳統(tǒng)實驗教學方式的新型教學模式?！督逃哭k公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》指出，于2017-2020年在普通本科高等學校遴選國家級虛擬仿真實驗教學項目。

一、海洋儀器使用與維護課程采用傳統(tǒng)教學存在的問題

（一）海洋儀器內容廣泛

海洋儀器是用來觀察、測量海洋要素的基本工具[2]，其測量種類繁多，如水文、氣象、物理、化學、生物、地質等要素的時空分布規(guī)律。測量要素涵蓋了水色、透明度、鹽度、海冰、溶解氧、磷酸鹽、硅酸鹽、海流、波浪、潮汐、內波、水溫、水深、硝酸鹽等，以及該海區(qū)的水文氣象要素，各種天氣現(xiàn)象，內容多且繁雜。受學時和實驗室設備資源的限制，學生無法對每一個測量儀器都進行實際操作，這導致學生對海洋儀器的使用缺乏足夠的專業(yè)訓練，只能勉強達到預期的教學目標。

（二）傳統(tǒng)課堂教學的缺點

傳統(tǒng)的課堂教學以教師為中心，學生完全處于被動學習的狀態(tài)。對于海洋儀器使用與維護這種實踐性強的課程采用這種方式進行教學，會導致課堂教學沉悶，學生人在課堂心在外，抑制了學生學習的積極性。

（三）學時數(shù)較少影響學習效果

海洋儀器使用與維護是一門實踐性很強的課程，通過該課程的學習可以培養(yǎng)學生出海調查的基本技能和進行海洋科學研究的素質，培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)分析及整理的能力，培養(yǎng)學生對海洋科學的探索、分析和獨立工作的能力，讓學生掌握從事海洋科學研究的實驗方法和規(guī)律，提高學生從事海洋科學創(chuàng)新性研究的能力。但是由于學時較少，目前實驗教學僅限于幾個固定的實驗，實驗項目偏少，教學效果受到一定的影響。

在目前的實踐課程教學模式中，學生在整個實驗過程巾處于一種被動的地位。學生對實驗目的和步驟不理解，動手操作大多是在教師講解之后“依葫蘆畫瓢”進行模仿實驗，對操作的實質沒有理解。這雖然在形式上完成了實驗，但是學生很快會忘記，其原因是學生缺乏對實驗內容、實驗儀器設備的感性認識。

（四）實驗、實習環(huán)節(jié)受客觀條件限制

海洋儀器一般價格昂貴，設備數(shù)量較少，實踐內容范圍窄，難以滿足實驗教學的需要。教師在實驗課前，需要完成實驗設計、設備和儀器的調試等工作;學生在實驗課上，只是完成海洋儀器使用操作步驟的一部分，并未真正參與儀器使用的全部過程。教師授課的精心準備導致學生對這些內容的認識存在盲區(qū)，學生對實驗的目的、操作內容、要求、儀器使用的完整過程和實驗結果的差別缺乏分析和思考，這導致學生在以后的實際工作中遇到問題時不知如何處理。

海洋儀器使用與維護課程實習由于儀器設備的數(shù)量有限，只能讓部分學生操作。由于實習是在近岸的海域，現(xiàn)場環(huán)境安全風險大，學生實習的內容往往是蜻蜓點水、霧里看花，對于如何控制海洋儀器的運行、如何解決運行問題等，學生仍然得不到訓練。

二、虛擬仿真實驗教學的內涵及特征

（一）虛擬仿真實驗教學的內涵

人工智能和虛擬現(xiàn)實技術逐漸廣泛應用于各行各業(yè)[3]。虛擬現(xiàn)實技術是利用計算機圖像處理技術、多傳感交互技術和生成數(shù)據(jù)技術，生成逼真的虛擬環(huán)境，用戶利用數(shù)據(jù)手套、跟蹤器、觸覺和力反饋裝置等專用的交互輸入設備進入虛擬空間，與虛擬環(huán)境的目標進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的人和物，這能為用戶帶來視、聽、觸等多方面的感官刺激，從而讓用戶產(chǎn)生身臨其境的感受[4]。如在海洋T程實踐操作課中，廣東海洋大學（以下簡稱“我?！保┦褂昧舜榜{駛虛擬仿真系統(tǒng)，給學生帶來駕船出海的真實體驗。目前，虛擬現(xiàn)實技術已廣泛應用于航空航天、汽車駕駛、軍事訓練、醫(yī)學實習、建筑設計、體育訓練和娛樂等領域廣[5]。

（二）虛擬仿真實驗教學的特征

信息技術綜合性。在虛擬仿真實驗教學中，教師可以綜合運用多媒體技術、混合現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、遙現(xiàn)技術和人工智能等多種信息技術，使知識的傳授手段更加豐富，授課內容更能激發(fā)學生的學習興趣。

多樣性。虛擬仿真實驗教學通常依托于虛擬仿真實驗室的環(huán)境來實現(xiàn)。虛擬仿真實驗室具有多種類別，如課桌虛擬仿真實驗室、混合現(xiàn)實虛擬仿真實驗室、沉浸式虛擬仿真實驗室、分布式虛擬仿真實驗室等，實驗教學過程可根據(jù)不同的教學需求來選擇不同類別的虛擬仿真實驗方式，不斷豐富教學形式和教學內容。

交互性。通過計算機再現(xiàn)模擬環(huán)境，虛擬仿真實驗教學活動中學生借助聽覺、觸覺及視覺等多種感官感受虛擬世界，并進行交互操作，掌握海洋儀器設備在變化的海洋要素的作用下的使用技能，這能使學生以輕松、愉快和積極的心態(tài)沉浸在虛擬世界中進行學習和思考。將交互設備引入教學環(huán)節(jié)之中，可以讓知識的傳授方式更加生動、形象、直觀，從傳統(tǒng)的說教式教學模式進步到信息化教學模式中，真正實現(xiàn)以人為本，從而激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性思維。

三、虛擬仿真實驗在海洋儀器使用與維護教學的中應用與創(chuàng)新

（一）虛擬仿真實驗在海洋儀器使用與維護教學中的應用

在海洋儀器使用與維護教學中，使用虛擬現(xiàn)實技術開展虛擬仿真實驗教學，能充分吸引學生的注意力、提高課程的趣味性，彌補實驗設備的不足，為學生營造一種置身于海洋的環(huán)境，擴展教學信息傳播的廣度和深度，增強學生的學習體驗。學生以類似于游戲的方式學習，這能起到事半功倍的教學效果。

虛擬仿真實驗教學要想取得良好的教學效果，就要求教師在教學過程中轉變角色，成為學習的引導者、探究者，學生不再是被動的知識接受者，而是教學活動的參與者。通過虛擬仿真實驗教學，可以讓學生與虛擬的海洋儀器設備進行交互，完成海洋環(huán)境下各種儀器的出海操作全過程，從出海前儀器端蓋的機械操作、電池的安裝、保證密封性的機械安裝、儀器的布放任務設置與調試，到儀器的實際布放操作、儀器的回收與數(shù)據(jù)導出。通過對虛擬海洋儀器進行綜合的交互操作與感知，以及不同的虛擬仿真實驗環(huán)境的視、聽、觸等多方面的感知，給學生以身臨其境的海洋儀器出海實踐體驗，從而有效提高學生的學習效果。

（二）虛擬海洋儀器實踐教學素材庫的建立

Unitv3D是虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)市場的領導者，功能多樣的插件系統(tǒng)是Unitv3D在各種開發(fā)引擎中成為主流軟件原因之一[6]。Unitv3D具有個性化的設置和容易上手的操作界面，包括有內置Shuriken粒子系統(tǒng)、Naviga-tionMesh尋路系統(tǒng)、Mecanim動畫系統(tǒng)和不斷優(yōu)化的圖形渲染管道，這為用戶提供了低成本的簡單再開發(fā)平臺。

在海洋儀器的使用中我們使用了Unitv3D進行儀器素材庫的開發(fā)，素材開發(fā)的內容主要基于以下幾個方面：以解決實際教學需求為導向，首先研究開發(fā)無法開出真實實驗的虛擬仿真實驗;其次研究開發(fā)高成本、高消耗、不可逆操作的虛擬仿真實驗;最后研究開發(fā)大型綜合訓練。從學生的就業(yè)需求出發(fā)，以綜合培養(yǎng)學生的社會責任、創(chuàng)新思維和實踐能力為宗旨，注重傳授知識、培養(yǎng)能力、提高素質等全面發(fā)展，激發(fā)學生參與實驗教學的積極性，鼓勵學生主動探索和不斷思考，培養(yǎng)學生的學習熱忱，激發(fā)他們內在的潛能，訓練學生的應用技術能力和創(chuàng)新知識能力。以就業(yè)前景為導向，緊密結合我校海洋技術人才定位和培養(yǎng)方案的特點，緊密結合國家戰(zhàn)略對海洋人才培養(yǎng)的需要，緊密結合產(chǎn)業(yè)發(fā)展所取得的最新研究成果和南海海洋相關專業(yè)特色，綜合使用人工智能、混合現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實，研發(fā)學時合理、難度適宜、原理科學、內容翔實的本科教學虛擬仿真實驗教學項目。

已開發(fā)的項目：海洋調查船虛擬仿真、潮汐虛擬仿真、海浪虛擬仿真、海流虛擬仿真、側掃聲吶虛擬仿真、淺地層剖面儀虛擬仿真、溫鹽深觀測及海水采集虛擬仿真、海流調查虛擬仿真、探空氣球觀測虛擬仿真、海上綜合調查工作過程仿真、大氣觀測虛擬仿真、臺風虛擬仿真、風暴潮虛擬仿真、赤潮仿真和溢油虛擬仿真等實驗，根據(jù)教學的需要，我們還將不斷增加擴充項目。

（三）先進可靠的實驗研發(fā)技術融合創(chuàng)新多樣的教學方法是虛擬仿真實驗教學的關鍵

物理海洋虛擬仿真實驗教學項目的研發(fā)以生動再現(xiàn)海洋觀測場景、學生充分感知實驗教學內容為目標，綜合應用SPOC、MOOC、微課、“互聯(lián)網(wǎng)+”等數(shù)字化教學手段，創(chuàng)造性地使用數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化教學工具，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、數(shù)學建模、多媒體、人工智能、超級計算、傳感器定位、人機交互、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)等技術手段增強虛擬實驗教學項目的吸引力和教學有效性。加強相關技術的綜合性運用和安全性研究開發(fā)，全方位、多層次關注使用虛擬仿真實驗教學項目的學生，確保他們的安全與健康。

研究5G網(wǎng)絡環(huán)境中的實驗教學規(guī)律，思考和探索提升實驗教學效果的實驗教學方式和教學方法。把握信息化時代學生的特點，研究開發(fā)根據(jù)科學問題和工程案例的互動式、研討式探索性虛擬實驗教學項目，達到培養(yǎng)學生的團隊學習能力、白主學習能力及探究式學習能力的目的。注重通過人工智能、網(wǎng)絡和虛擬現(xiàn)實技術等各種技術手段促進教學資源和內容準備、在線討論、離線研討，建設實驗教學項目創(chuàng)新資源。

（四）以本為本的實驗教學隊伍，持續(xù)、穩(wěn)健和安全的開放運行模式和不斷提升的實驗教學評價體系

在虛擬仿真實驗教學項目的建設過程中，培養(yǎng)專業(yè)精湛、知識豐富、熱愛實驗教學、年齡結構合理的“廣學明德，海納厚為”的虛擬仿真實驗教學團隊。貫徹和踐行實驗教學隊伍的工作量考核、激勵和獎勵機制，倡導教師積極參與虛擬仿真實驗教學項目的教學實踐和迭代研發(fā)。創(chuàng)建一種具有開放性、前瞻性和可擴展的物理海洋虛擬仿真實驗教學項目運行平臺，以滿足不同層次、不同類型、不同區(qū)域學生對物理海洋虛擬仿真實驗教學項目的需要。在開發(fā)和運行和維護過程中，始終如一地堅持保護學生和教師的個人隱私，遵守我國知識產(chǎn)權、教育、互聯(lián)網(wǎng)等相關法律法規(guī)，根據(jù)“責任到人”的管理原則落實安全責任。強化相關實驗教學項目的知識產(chǎn)權保護，探索合理收取費用用于在線虛擬仿真實驗教學項目的可持續(xù)運行有效模式。將物理海洋虛擬仿真實驗教學項目納入海洋科學專業(yè)培養(yǎng)方案和教學大綱，制訂教學績效的評價辦法。持續(xù)收集教師和學生的評價內容，不斷迭代改進虛擬仿真教學的運行和維護方法，摸索有利于虛擬仿真實驗教學項目開放共享的教學績效獎勵機制[7]。

（五）堅持虛實結合的原則

基于虛擬現(xiàn)實技術設計和開發(fā)的物理海洋教學資源，不僅能滿足本地學生單機獨立操作的學習方式，而且可以為其他教學點學生提供網(wǎng)絡訪問的線上資源，提供線上操作的學習方式。學生可以從任意地點靈活地進行泛在學習，真正實現(xiàn)教學資源的跨平臺共享，拓展學習的時間，突破學習的地域限制，這更能滿足學生的泛在學習需求。

應靈活把握虛擬仿真實驗的特點，幫助學生理解抽象的知識，使教學內容生動豐富，激發(fā)學生的設計和創(chuàng)新意識。此外應避免虛擬仿真教學方式的局限性，學生如果只是在計算機上的虛擬仿真實驗系統(tǒng)中進行各種設備的使用操作，就不能更好地理解和認識實際儀器，從而降低對真實設備使用的操作能力。不能計虛擬仿真實驗完全取代真實的動手實驗應將兩者結合，不僅要強調仿真實驗對實驗教學的重要補充作用，而且也要強調實際動手能力訓練的重要性，讓二者有機結合、相輔相成，應把握能實不虛和虛實結合的原則。虛擬仿真實驗給海洋儀器的使用教學帶來了很多方便，但是其不能代替真實的實驗，只是輔助學生在客觀條件不足的情況下學習的一種手段[8]。

另外，虛擬仿真實驗是程序員模擬現(xiàn)有的認知創(chuàng)作的程序代碼，而儀器在實際使用中會出現(xiàn)各種各樣的實際問題，這是程序員沒有充分考慮和設計的，所以實驗內容需要實驗教師根據(jù)教學活動中出現(xiàn)的問題不斷地迭代更新。

四、結束語

在海洋儀器使用與維護課程中，通過采用虛擬現(xiàn)實技術，應用物理海洋虛擬仿真實驗系統(tǒng)進行教學，解決了本科實驗教學實踐項目偏少的難題，適應了海洋儀器使用與維護教學內容多且廣泛的需求。虛擬仿真實驗激發(fā)了學生學習求知的熱情，訓練了學生的實踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學生的自主學習能力，取得了明顯的教學效果。在線服務教學，延伸了實驗教學的時間和空間，推進了虛擬現(xiàn)實技術與實驗教學的融合，提升了實驗教學的水平，拓展了實驗教學項目的深度，提高了學生的專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質，促進了專業(yè)課程的理論聯(lián)系實踐。

[參考文獻]

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[7]教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真

實驗教學項目建設的通知[J].實驗室科學，2017（4）：190.

[8]鄭超，宋立彬，王新洪，等.材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設與實踐[J].實驗技術與管理，2019（3）：261-265.

[責任編輯：陳明]

[收稿時間] 2019-02-25

[基金項目]廣東海洋大學教育教學改革項目“海洋儀器使用與維護”翻轉課堂教學模式研究與創(chuàng)新（ XJG201723），“物理海洋虛擬仿真實踐教學平臺的研究”

[作者簡介]王淑青（1969-），女，河北滄州人，碩士，廣東海洋大學電子與信息工程學院副教授，研究方向：海洋技術：