海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

時(shí)美楠，房 強(qiáng)，李 琰

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院，北京 100083)

立足于國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)海洋科學(xué)高層次人才培養(yǎng)的需求，海洋地質(zhì)與環(huán)境實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為海洋科學(xué)專業(yè)本科生的必修課，旨在使學(xué)生了解海洋環(huán)境與地質(zhì)的研究方法，初步掌握海洋地質(zhì)與環(huán)境的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的綜合性、復(fù)雜性和局限性有直接認(rèn)識(shí)和親身體驗(yàn)。海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的課程是培養(yǎng)基礎(chǔ)性、應(yīng)用性人才重要的、不可或缺的一環(huán)，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的重任。開展海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，是在信息化時(shí)代背景下對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)和發(fā)展，也是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容[1-5]。

1 海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)是專業(yè)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其涉及的測(cè)試儀器往往屬于大型貴重精密儀器，這類儀器設(shè)備的特點(diǎn)是價(jià)格昂貴、體積較大、需要占用專用房間、維護(hù)復(fù)雜且運(yùn)行成本高。高?；緵](méi)有能力為本科生的教學(xué)單獨(dú)配置此類儀器，因此涉及這類儀器的分析實(shí)驗(yàn)課一般都由相關(guān)分析測(cè)試中心(平臺(tái))提供儀器[6]，這就造成了海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)施的過(guò)程中存在以下方面的問(wèn)題。①儀器數(shù)量有限：大型儀器臺(tái)(套)數(shù)不足以滿足多人同時(shí)操作，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低，學(xué)生參與感不強(qiáng)。②儀器管理模式的缺陷：分析測(cè)試中心(平臺(tái))一般屬于與院系平行的校內(nèi)二級(jí)單位，具有獨(dú)立的運(yùn)行機(jī)制與管理體系，承擔(dān)本科生教學(xué)任務(wù)就會(huì)基于其自身運(yùn)行基礎(chǔ)規(guī)則。因此，受儀器管理模式的影響，本科生的實(shí)驗(yàn)課程安排會(huì)受到諸多因素的影響，在某些院系就不可避免地出現(xiàn)了“理論課沒(méi)上，實(shí)驗(yàn)課先上”的異?，F(xiàn)象。③教學(xué)空間和時(shí)間的局限性：大型儀器專用房間空間有限，不足以容納整個(gè)班級(jí)的同學(xué)同時(shí)觀摩實(shí)驗(yàn)，因此在有限的教學(xué)空間和時(shí)間內(nèi)，需要對(duì)本科生分組進(jìn)行授課，有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法保證每位同學(xué)都有機(jī)會(huì)動(dòng)手參與。另外，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要進(jìn)行樣品前期處理才能進(jìn)行上機(jī)測(cè)試，如前處理過(guò)程通常需要多天、使用多種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行處理方能達(dá)到上機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，這部分內(nèi)容無(wú)法在課堂上開展，但這也是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中非?；A(chǔ)和重要的內(nèi)容，缺失該環(huán)節(jié)不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的系統(tǒng)掌握[7]。

海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是在常規(guī)計(jì)算機(jī)上基于虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、物料等要素模擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)的，學(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等操作實(shí)驗(yàn)要素進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。教學(xué)平臺(tái)的使用不受傳統(tǒng)海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)間、空間和專業(yè)設(shè)備的制約，是延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。

2 海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)思路

海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)以立德樹人為根本任務(wù)，充分考慮現(xiàn)代大學(xué)生的成長(zhǎng)特點(diǎn)和行為喜好，以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以海洋地質(zhì)專業(yè)類急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化內(nèi)容為指向，以完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)[8-10]。平臺(tái)建設(shè)思路具體體現(xiàn)在以下幾方面。

1) 以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。平臺(tái)建設(shè)從學(xué)生實(shí)際需求出發(fā)，注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為海洋科學(xué)專業(yè)本科生的必修課，旨在使學(xué)生了解海洋環(huán)境與地質(zhì)的研究方法，初步掌握海洋地質(zhì)與環(huán)境的與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的綜合性、復(fù)雜性和局限性有直接認(rèn)識(shí)和親身體驗(yàn)。海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的課程是培養(yǎng)基礎(chǔ)性、應(yīng)用性人才重要的、不可或缺的一環(huán)，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的重任。學(xué)生安裝操作平臺(tái)后，利用虛擬仿真交互形式可以不限場(chǎng)地、不限時(shí)間地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。當(dāng)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)技能與科研創(chuàng)新項(xiàng)目相融合時(shí)，能最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

2) 準(zhǔn)確適宜的教學(xué)內(nèi)容。一方面，立足國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)海洋科學(xué)高層次人才培養(yǎng)的需求，以問(wèn)題、需求為導(dǎo)向，定制研發(fā)虛擬仿真內(nèi)容；另一方面，為重點(diǎn)解決傳統(tǒng)海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題——大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，教學(xué)時(shí)間不合理，教學(xué)空間狹小，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不易開展等，研發(fā)內(nèi)容緊湊、時(shí)長(zhǎng)合理、難度適宜的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

3) 靈活配置是該平臺(tái)堅(jiān)持的技術(shù)理念。在平臺(tái)使用的過(guò)程當(dāng)中，可以根據(jù)課程需求與實(shí)際需要增減實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)步驟，最大程度地提升學(xué)生對(duì)平臺(tái)應(yīng)用的滿意度。

3 實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包含一個(gè)虛擬操作實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)和多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它采用視頻動(dòng)畫、聲音和圖形交互等表現(xiàn)形式來(lái)構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生可以在常規(guī)計(jì)算機(jī)上通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等操作，以豐富的可操作性交互仿真模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作。下面選取虛擬操作實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)圖像粒度粒形分析儀、MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀兩個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行介紹。

3.1 虛擬操作實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)

虛擬操作實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)為海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的執(zhí)行引擎，包含業(yè)務(wù)模型框架和桌面展示框架兩部分。平臺(tái)采用插件冷插拔機(jī)制，可動(dòng)態(tài)橫向擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)、執(zhí)行步驟及配套資源。 借助此擴(kuò)展機(jī)制，可增容各類專業(yè)實(shí)驗(yàn)。其硬件需求為常規(guī)辦公臺(tái)式計(jì)算機(jī)。 系統(tǒng)軟件為NETFramework4.0。主要功能包括：①展示實(shí)驗(yàn)列表；②加載實(shí)驗(yàn)圖文介紹；③啟動(dòng)、切換實(shí)驗(yàn)步驟；④軟件、多媒體結(jié)合展示實(shí)驗(yàn)流程；⑤配置實(shí)驗(yàn)和步驟資源。該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)是靈活配置，可以根據(jù)課程需求與實(shí)際需要增減實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)步驟。

3.2 動(dòng)態(tài)圖像粒度粒形分析儀CAMSIZERX2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

海洋沉積物的粒度分析是海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)的基本項(xiàng)目。粒度分析的成果是闡明沉積物類型、解析物質(zhì)來(lái)源與沉積動(dòng)力條件的必要資料[11-15]。測(cè)量沉積物粒度的方法有很多，常用的有篩析法、沉降法和激光法等[16-20]。 近年來(lái)，德國(guó)萊馳科技(Retsch Technology)研發(fā)了動(dòng)態(tài)圖像粒度粒形分析儀(CamsizerX2)，并開始在海岸沉積以及海洋地質(zhì)領(lǐng)域得到應(yīng)用[20]。該儀器采用專利數(shù)字成像系統(tǒng)，通過(guò)同時(shí)使用兩個(gè)具有不同放大倍數(shù)的鏡頭，可以分析較寬泛的粒徑范圍，獲取豐富準(zhǔn)確的粒度和粒形數(shù)據(jù)。

動(dòng)態(tài)圖像粒度粒形分析儀CamsizerX2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為專業(yè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，除了模擬實(shí)驗(yàn)流程之外，還設(shè)置了儀器及操作介紹、測(cè)試任務(wù)文件設(shè)置介紹與數(shù)據(jù)處理過(guò)程介紹。模擬實(shí)驗(yàn)流程包括：①模擬儀器開關(guān)；②模擬測(cè)量參數(shù)設(shè)置；③模擬進(jìn)水控制；④模擬去氣泡與分散處理；⑤模擬測(cè)量流程；⑥模擬設(shè)備

圖1 海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)虛擬操作實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)Fig.1 Operation laboratory system of virtual simulation experimental teaching platform for marine geology

圖2 模擬動(dòng)態(tài)圖像粒度粒形分析儀CamsizerX2排水與清洗Fig.2 Performing drainage and cleaning of dynamic image particle size analyzer CamsizerX2

排水與清洗。其技術(shù)特點(diǎn)包括：①模擬真實(shí)設(shè)備操作；②軟件與多媒體結(jié)合展示。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)錄制了真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下儀器超聲、排水等操作視頻，并注重儀器運(yùn)行聲音的記錄，學(xué)生通過(guò)交互過(guò)程可以模擬真實(shí)設(shè)備操作和實(shí)驗(yàn)流程，為后期儀器實(shí)操奠定良好基礎(chǔ)。

3.3 MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

磁化率是物質(zhì)磁化性能的量度。海洋沉積物的磁化率數(shù)值變化對(duì)樣品中磁性礦物的類型、含量和磁性礦物的磁疇狀態(tài)非常敏感，包含著豐富的環(huán)境氣候信息，常作為海洋地質(zhì)研究中的古氣候替代指標(biāo)[21]。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行樣品磁化率的測(cè)量主要應(yīng)用MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀。

MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能包括：①介紹儀器單元及操作；②模擬預(yù)熱及初始化；③模擬參數(shù)設(shè)置；④模擬校準(zhǔn)過(guò)程；⑤模擬樣品測(cè)量過(guò)程；⑥模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取、生成、追加；⑦模擬升降架控制。其技術(shù)特點(diǎn)包括：①模擬真實(shí)設(shè)備操作；②軟件與多媒體結(jié)合展示；③模擬數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)可互用。為了更加真實(shí)地模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生過(guò)程，本實(shí)驗(yàn)體系收集了不同巖石類型的真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)集合，在模擬的過(guò)程中，依據(jù)操作者選擇的相應(yīng)樣品，以真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)集為藍(lán)本，隨機(jī)生成測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖3 MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)互用Fig.3 Calling test data of MFK1-FA kappa bridge susceptibility meter

4 實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用

2020年新冠肺炎疫情爆發(fā)，國(guó)家和地方啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，采用多種措施展開防控措施，教育部以“停課不停學(xué)”的理念推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)課程保證了教學(xué)活動(dòng)的穩(wěn)步進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)是一門需要互動(dòng)的課程，僅僅依靠視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是無(wú)法滿足教學(xué)需求的。海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的使用，為解決特殊形式下的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)提供了新的途徑。通過(guò)平臺(tái)的使用，同學(xué)們基本熟練地掌握了測(cè)試儀器的操作過(guò)程與實(shí)驗(yàn)流程，并在返校后的實(shí)操過(guò)程中得到了進(jìn)一步的鍛煉。

5 結(jié) 語(yǔ)

海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)測(cè)試通過(guò)視頻動(dòng)畫、聲音和圖形交互等表現(xiàn)形式展現(xiàn)，不受傳統(tǒng)海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)間、空間和專業(yè)設(shè)備的制約，建立了適應(yīng)時(shí)代需求的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的新模式，為解決特殊形式下的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)提供了新的途徑，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。