海洋水文氣象調(diào)查與觀測虛擬仿真建設(shè)及思考

魏永亮 胡松 于潭 王家為

[摘 要] 現(xiàn)場調(diào)查和觀測對于海洋科學(xué)研究來說很關(guān)鍵，也是海洋科學(xué)教學(xué)中不可缺少的環(huán)節(jié)，但出海費(fèi)用高、觀測儀器精貴等原因，限制了出海實習(xí)的實施，虛擬仿真教學(xué)則很好地彌補(bǔ)了此缺陷。文章以海洋調(diào)查與海洋觀測實習(xí)課程為例，介紹其虛擬仿真項目建設(shè)及其思考。

[關(guān)鍵詞] 海洋科學(xué);海洋調(diào)查;海上實習(xí);虛擬仿真

[基金項目] “2019年校級教師工作室：物理海洋學(xué)虛擬仿真教學(xué)工作室”（A1-2005-00-300420）及“上海海洋大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)項目：物理海洋學(xué)虛擬仿真教學(xué)團(tuán)隊”資助（A1-2005-00-300281）

[作者簡介] 魏永亮（1981—），男，山東濰坊人，博士，副教授，研究方向為海洋微波遙感。

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0087-02? ? [收稿日期] 2019-11-27

上海海洋大學(xué)作為國內(nèi)六所“海洋大學(xué)”之一，積極響應(yīng)教育部虛擬仿真課程建設(shè)，由海洋科學(xué)學(xué)院牽頭，組織建設(shè)一批具有代表性的海洋科學(xué)虛擬仿真實驗項目。其中物理海洋學(xué)方向包括“中尺度渦虛擬仿真實驗”[1]“潮汐潮流動力過程仿真實驗”[2]“大洋環(huán)流虛擬仿真實驗”“海洋水文氣象調(diào)查與觀測實習(xí)虛擬仿真”等項目。這些項目的開發(fā)利用，將會對海洋科學(xué)專業(yè)教學(xué)和人才培養(yǎng)起到關(guān)鍵作用，通過虛實結(jié)合，提升學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，牢固掌握所學(xué)知識和技能，為以后的專業(yè)性工作打下堅實基礎(chǔ)。

一、海洋水文氣象調(diào)查與觀測實習(xí)現(xiàn)狀

“海洋水文氣象調(diào)查與觀測實習(xí)”設(shè)置在海洋科學(xué)本科生課程海洋觀測之后，作為該課程的實踐部分[3]。實習(xí)內(nèi)容為常規(guī)海洋水文和氣象要素的觀測，包括儀器的使用和注意事項。最近幾年，本實習(xí)搭乘海事局巡邏船只，在其作業(yè)路徑上尋機(jī)找點(diǎn)實施觀測，學(xué)生能夠在儀器的操作步驟等方面得到一定的鍛煉，但要受到限制。本校雖擁有一艘海洋漁業(yè)資源考察船，但費(fèi)用太高，且學(xué)生需分批次進(jìn)行實習(xí)，更增加了開支，因此不適用。一些海洋調(diào)查觀測儀器本身價格昂貴，學(xué)生在使用過程中容易出現(xiàn)問題。此外，學(xué)生本身的安全是重中之重，出海調(diào)查增加了此種風(fēng)險。

開發(fā)本實習(xí)的虛擬仿真教學(xué)軟件，讓學(xué)生在電腦上進(jìn)行虛擬操作，一可以隨時進(jìn)行操作練習(xí)，二節(jié)省船只開支。等學(xué)生真正熟練操作儀器，并掌握調(diào)查注意事項后，再到海上進(jìn)行實地調(diào)查觀測，可以起到事半功倍的效果，同時也兼顧了虛實結(jié)合，多種教學(xué)手段提升教學(xué)效果。

二、虛擬仿真實驗設(shè)計

（一）實驗設(shè)計目標(biāo)

海洋水文氣象調(diào)查與觀測實習(xí)包含常規(guī)海洋水文和氣象要素的儀器觀測及目測，包括海水溫度、鹽度、深度、采水樣、實驗室鹽度計、透明度、水色、海流、海浪、海表面風(fēng)、氣壓、空氣干濕溫度等項目。該實習(xí)的虛擬仿真實驗設(shè)計目標(biāo)為，通過交互式操作，讓學(xué)生認(rèn)識觀測儀器、掌握儀器的使用步驟、讀數(shù)方法、觀測注意事項，并開放一定的自由度，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

（二）實驗?zāi)Ｊ脚c內(nèi)容

實驗主要分為兩大模式：練習(xí)模式和考核模式，練習(xí)模式下，學(xué)生可根據(jù)界面提示，按步驟進(jìn)行交互操作，過程中如果操作步驟或選擇儀器錯誤，則都會有提示。在此模式下，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至熟練掌握。考核模式下，則隱去所有提示信息，學(xué)生按照掌握的知識進(jìn)行海洋水文氣象要素的虛擬調(diào)查觀測。在操作過程中，如有錯誤也會繼續(xù)進(jìn)行下去，但相應(yīng)的錯誤會在后臺記錄，在考核結(jié)束后提交給教師查看，以便總結(jié)分析，同時扣除相應(yīng)分?jǐn)?shù)。考核結(jié)束后，顯示分?jǐn)?shù)，并顯示操作錯誤或失誤部分。

進(jìn)入實驗主界面后，在左側(cè)是實驗導(dǎo)航，設(shè)有出海目的及注意事項、出海備航、海洋水文調(diào)查與觀測、海洋氣象調(diào)查與觀測等四項。出海目的及注意事項中，會向?qū)W生介紹出海調(diào)查的意義，讓學(xué)生建立宏觀的海洋調(diào)查概念;注意事項部分則提醒學(xué)生在上下船以及船上駐留、作業(yè)時的安全注意事項，保證學(xué)生人身安全以及儀器安全。出海備航中，會列出所有出海觀測用到的儀器，包括表面溫度計、直讀式海流計、溫鹽深儀（CTD）、透明度盤、水色計、采水器、實驗室鹽度計、三杯風(fēng)速風(fēng)向表、干濕溫度表、空盒氣壓表等，每個儀器都是根據(jù)真實大小按比例縮小的。點(diǎn)擊每個儀器的圖像，會彈出儀器的介紹和分解結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生能夠了解到該儀器的作用。每介紹完一種儀器，就會被收到工具包中備用。

在海洋水文調(diào)查與觀測中，包括海水溫度、鹽度、深度觀測，透明度和水色觀測、海流觀測以及海浪觀測項目。其中，海水溫度觀測用到的儀器分別有CTD和表面溫度計，海水鹽度觀測用到的儀器分別有CTD、采水器和實驗室鹽度計。本部分內(nèi)容按照觀測項目展開介紹。對于每一個觀測項目，首先會有一個選擇題，提問該觀測項目用到什么儀器。然后要從工具包中選擇正確的儀器設(shè)備，選擇錯誤則會提示。接著介紹其需要的儀器操作步驟、讀數(shù)、觀測注意事項以及觀測完成后，儀器設(shè)備的處理。

以海水溫鹽深觀測為例，首先界面彈出一個選擇題，內(nèi)容為可以用什么儀器同時觀測海水的溫度、鹽度和深度？正確選擇CTD后，繼續(xù)下一步，即從工具包中取出CTD以及觀測結(jié)束后清洗的淡水瓶。按照提示用繩索拴好CTD，下端掛好重錘，然后正確選擇CTD的觀測模式，待其屏幕顯示符合提示內(nèi)容后，放入水中進(jìn)行觀測，同時根據(jù)電腦屏幕下方的提示信息和注意事項進(jìn)行操作。CTD在設(shè)置好之后就開始測量，因此在其在海洋中下放和上升過程中，都會有測量數(shù)據(jù)。CTD收回后，可以瀏覽數(shù)據(jù)，查看剛才的測量是否有效，如沒有問題，則在用淡水清洗后晾干，以備下次使用。實驗環(huán)節(jié)完整地展示了上述內(nèi)容，讓學(xué)生很容易就可以掌握其要點(diǎn)，而又避免出現(xiàn)儀器掉落海中等危險。

三、實驗特色

海洋水文氣象調(diào)查與觀測實習(xí)，包含了大部分常規(guī)要素的觀測，既有儀器測量也有目測內(nèi)容。在虛擬仿真教學(xué)軟件中，能夠?qū)Ｑ笠氐挠^測有一個宏觀的把控。之后再到船上真正實習(xí)時，學(xué)生會自然想到應(yīng)該注意的安全事項以及觀測儀器的操作步驟和注意事項。

本虛擬仿真實驗與所有的虛擬仿真實驗相同，在電腦上操作，不受實際物理空間、時間和實驗環(huán)境的限制。此外，本實習(xí)為調(diào)查與觀測，要求學(xué)生動手操作，轉(zhuǎn)換到電腦中同樣具有很強(qiáng)的可操作性，且注重交互式操作。并且每一步驟前后連貫，圖像和文字表述清楚，通過此種方式，讓學(xué)生掌握基本知識和基本技能，同時拓展學(xué)生動手能力、分析解決問題能力等。

四、對本虛擬仿真實驗項目的思考

海洋水文氣象調(diào)查與觀測實習(xí)涉及到的知識點(diǎn)和儀器操作比較多，是一個相對綜合的海洋科學(xué)專業(yè)物理海洋方向的實習(xí)課程。本虛擬仿真實驗的設(shè)計應(yīng)在廣度和深度上都有體現(xiàn)，目前來看，廣度基本符合要求，但深度方面尚有所欠缺。學(xué)生通過系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)，能夠掌握海洋水文氣象調(diào)查與觀測技能，但實際操作過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題。因此需要給虛擬實驗設(shè)計更高的自由度，要讓學(xué)生在操作中遇到各種不同的問題，設(shè)置各種困難，才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生鉆研問題解決問題的能力。

此外，將現(xiàn)實實習(xí)虛擬化過程中，會遇到實際細(xì)節(jié)太多、要求太高而導(dǎo)致虛擬無法滿足的問題。教師腦海中有一個實驗?zāi)_本，而虛擬工程師也有自己理解的腳本，兩者經(jīng)常會出現(xiàn)不一致。這是由于教師不懂技術(shù)而工程師不懂專業(yè)造成的，因此雙方要有經(jīng)常性的、及時有效的溝通。

虛擬仿真實驗，其作用是對傳統(tǒng)教學(xué)的一個補(bǔ)充。對于本實習(xí)而言，教師如果面對面將上述觀測項目的儀器操作、目測步驟和注意事項講一遍，需要花費(fèi)一個多小時時間，短時間內(nèi)重復(fù)的可能性不大，還不能保證所有的學(xué)生都能聽懂、會操作。教師講完后，讓學(xué)生進(jìn)行操作，卻還是出現(xiàn)各種問題。虛擬仿真實驗在這方面完全可以彌補(bǔ)上述問題。

五、結(jié)語

隨著國家的大力推廣，虛擬仿真軟件和硬件水平的提高，虛擬仿真教學(xué)在傳統(tǒng)教學(xué)中的作用會越來越明顯。本著“能實不虛、虛實結(jié)合”的原則，將海洋水文氣象調(diào)查與觀測實習(xí)進(jìn)行了虛擬化，避免現(xiàn)實因素的限制，解除時空枷鎖，讓學(xué)生經(jīng)常訓(xùn)練成為可能。通過問答、提示、操作考核等多種形式，力求使學(xué)生掌握更多的知識和技能，同時培養(yǎng)學(xué)生的宏觀視野，初步具備設(shè)計整個調(diào)查項目的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]張春玲，胡松.海洋中尺度渦虛擬仿真實驗設(shè)計[J].中國地質(zhì)教育，2019（2）：100-102.

[2]劉浩，胡松.潮汐潮流動力過程仿真實驗教學(xué)研究[J].智庫時代，2019（23）：161+169.

[3]魏永亮，胡松，于潭.《海洋調(diào)查方法》實習(xí)課程建設(shè)與思考[J].時代教育，2016（13）：41-42.