近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

孫際佳，陳驍，張曉勇，于宗赫，何玉慧

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 海洋學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

近海是海洋開發(fā)、海洋經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的核心區(qū)域。海洋科學(xué)研究涉及物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)等諸多領(lǐng)域，是一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)。海洋生態(tài)調(diào)查是海洋科學(xué)專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本實(shí)踐技能，但是受經(jīng)費(fèi)和條件所困，大部分高校既沒有自己的海洋科考調(diào)查船，也無力租用科考調(diào)查船。另一方面，普通的科考船艙位有限，無法承載幾十上百名學(xué)生上船實(shí)習(xí)。同時(shí)，出海調(diào)查實(shí)施周期長，具有較高的危險(xiǎn)性。因此對于大部分高校來說，海洋科學(xué)專業(yè)本科生的海洋生態(tài)調(diào)查實(shí)習(xí)活動(dòng)難以開展，教學(xué)有理論而無實(shí)踐，往往陷于紙上談兵的困境。

近年來，隨著3D圖像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如生物類、醫(yī)學(xué)類、機(jī)電類等專業(yè)，并且取得了豐碩成果。因此，我們可以利用虛擬仿真技術(shù)來模擬海洋調(diào)查的場景，復(fù)現(xiàn)真實(shí)的海洋調(diào)查流程，使各大高校在保證安全的情況下，以較少的經(jīng)費(fèi)成本實(shí)現(xiàn)對海洋科學(xué)專業(yè)本科生出海調(diào)查的培訓(xùn)，解決海洋專業(yè)學(xué)生，尤其是本科生海洋采樣調(diào)查實(shí)習(xí)機(jī)會少、實(shí)習(xí)資源匱乏、實(shí)習(xí)難以深入進(jìn)行、與用人單位實(shí)際要求脫鉤的普遍性難題。

本文采用模塊化方案進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用Unity3D等作為開發(fā)工具開發(fā)了近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生可以在虛擬仿真環(huán)境下對海洋生態(tài)調(diào)查相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，豐富了教學(xué)手段，顯著提高了實(shí)踐教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及開發(fā)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)力求做到理論與實(shí)踐深度融合，讓學(xué)生能將專業(yè)相關(guān)課程學(xué)習(xí)的理論知識應(yīng)用到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)以海洋調(diào)查規(guī)范（GB/T 12763.6—2007）為科學(xué)依據(jù)，采用虛擬技術(shù)構(gòu)建高度仿真的出海調(diào)查場景。對科考船、海底場景、調(diào)查設(shè)備、調(diào)查人員、調(diào)查樣本、實(shí)驗(yàn)室場景等進(jìn)行3D建模，真實(shí)再現(xiàn)海洋調(diào)查的應(yīng)用場景。重點(diǎn)突出了出海安全、調(diào)查方案設(shè)計(jì)、儀器設(shè)備操作、海洋生物識別和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等知識點(diǎn)，同時(shí)通過動(dòng)畫展示了調(diào)查人員操作調(diào)查儀器、樣品采集、分類鑒定以及最后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理的整個(gè)過程，讓學(xué)生能夠生動(dòng)形象地掌握出海調(diào)查的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整體應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)分為五個(gè)基礎(chǔ)層級，如圖1所示，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。同時(shí)，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)分層組織，系統(tǒng)功能模塊化，系統(tǒng)集成松耦合，方便業(yè)務(wù)應(yīng)用的修改、重用和部署，滿足系統(tǒng)未來彈性擴(kuò)展的要求。系統(tǒng)五個(gè)基礎(chǔ)層級的主要功能如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2.1 數(shù)據(jù)層

近海海洋調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及到多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)利用MYSQL數(shù)據(jù)庫，對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度和存儲，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

1.2.2 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層通過應(yīng)用服務(wù)器，提供對系統(tǒng)應(yīng)用層強(qiáng)大的支持，包括：數(shù)據(jù)訪問、內(nèi)容管理、用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、題庫管理、圖片庫管理、系統(tǒng)日志、實(shí)驗(yàn)資源管理等功能。并通過WEBSERVICE接口服務(wù)支持外部資源對內(nèi)容管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及內(nèi)容管理對外部數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用數(shù)據(jù)集成。

1.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境提供重要支撐組件，按功能的不同可以分為：海底場景、圖片庫、海底巡游、樣品分析實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、理論考試、視頻管理、智能指引。并通過Ajax交互，對業(yè)務(wù)層發(fā)出信息請求，實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)層的數(shù)據(jù)對接。

1.2.4 仿真層

仿真層主要針對該項(xiàng)目場景的搭建、布景、渲染、烘培，對模型的建模、貼圖處理、動(dòng)作展示，通過仿真分析加載器為上層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。

1.2.5 展示層

基于底層的服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)與開放共享。該框架的應(yīng)用層具有良好的擴(kuò)展性，實(shí)驗(yàn)教師可根據(jù)教學(xué)需要，利用應(yīng)用層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)的器材模型，設(shè)計(jì)各種典型實(shí)驗(yàn)實(shí)例，最后面向?qū)W生開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作與考核

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共包括5個(gè)功能模板，如圖2所示，分別為出海安全、游泳動(dòng)物調(diào)查實(shí)驗(yàn)、大型底棲生物調(diào)查實(shí)驗(yàn)、浮游生物調(diào)查實(shí)驗(yàn)、微生物調(diào)查實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能模塊圖

系統(tǒng)的具體操作流程如圖3所示，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，學(xué)生登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，認(rèn)真閱讀注意事項(xiàng)，根據(jù)課程設(shè)置進(jìn)入相應(yīng)的預(yù)習(xí)模塊進(jìn)行預(yù)習(xí)并完成課前評測，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)K后可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇任一功能模塊進(jìn)行操作。系統(tǒng)操作時(shí)學(xué)生的交互性步驟主要有：出海安全模塊中安全裝備的正確穿戴；游泳動(dòng)物調(diào)查模塊中的拖網(wǎng)采樣，漁獲物分選，數(shù)據(jù)測量，調(diào)查表填寫；大型底棲生物調(diào)查模塊中的采泥器采樣，樣品分選，實(shí)驗(yàn)室稱重，調(diào)查表填寫；浮游生物調(diào)查模塊中的浮游生物網(wǎng)采樣，樣品分選，鑒定及計(jì)數(shù)，調(diào)查表填寫；微生物調(diào)查模塊中采水器采樣，樣品收集，實(shí)驗(yàn)室中海水微生物的分離、培養(yǎng)和菌落計(jì)數(shù)，調(diào)查表填寫。

圖3 近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作流程

本實(shí)驗(yàn)從“認(rèn)知—實(shí)踐—應(yīng)用”3個(gè)層次進(jìn)行考核，通過實(shí)驗(yàn)原理和調(diào)查流程的展示（含實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模式和老師講解），考查學(xué)生對基本概念和實(shí)驗(yàn)原理、方法的認(rèn)知情況；通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作模式，考查學(xué)生對調(diào)查的基本流程和儀器設(shè)備操作的實(shí)踐能力；通過考核模式（虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核成績、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況進(jìn)行綜合評價(jià)），考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵知識點(diǎn)的掌握情況以及對所學(xué)知識的應(yīng)用情況。

1.4 實(shí)驗(yàn)特色

近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

（1）調(diào)查流程完整：實(shí)驗(yàn)涵蓋了出海調(diào)查的完整流程，包括技術(shù)要求和調(diào)查要素、采樣、樣品分析及資料整理。通過選擇代表性的海洋生物及典型的采樣儀器進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生全面了解出海調(diào)查的全過程，有利于知識的融會貫通。

（2）學(xué)習(xí)形式多樣：實(shí)驗(yàn)包含調(diào)查采樣現(xiàn)場操作視頻、海洋生物圖片庫、虛擬實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)畫等，學(xué)生可以靈活選擇不同的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行預(yù)習(xí)、操作以及鞏固和擴(kuò)展相關(guān)知識點(diǎn)。

（3）科教融合一體：科教融合是本科實(shí)驗(yàn)改革的新趨勢，本實(shí)驗(yàn)將教師的科考和科研成果有機(jī)整合到出海調(diào)查的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，拓展了學(xué)生的科學(xué)視野，提升了學(xué)習(xí)興趣。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用了“傳統(tǒng)+情境+探究”的教學(xué)方法。實(shí)驗(yàn)前期采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，由任課老師講解近海海洋生態(tài)調(diào)查實(shí)驗(yàn)的目的、原理及操作流程等，布置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)和具體要求，并介紹虛擬仿真系統(tǒng)操作方法，使學(xué)生形成清晰的實(shí)驗(yàn)思路，順利開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程中采用情境式的教學(xué)方法，通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中高仿真的出海調(diào)查場景、采樣工具、實(shí)驗(yàn)室場景、實(shí)驗(yàn)室用具等，使學(xué)生可以身臨其境地開展海洋生物調(diào)查。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容則要求學(xué)生查閱相關(guān)海洋生物調(diào)查的資料文獻(xiàn)和調(diào)查案例，以調(diào)查某一海域的某種海洋生物為例，設(shè)計(jì)調(diào)查方案，確定調(diào)查時(shí)間、地點(diǎn)和方法，進(jìn)行樣品處理和設(shè)計(jì)分析等，通過自主探究式學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生鞏固實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，理清思路，形成近海海洋生態(tài)調(diào)查知識鏈，并學(xué)會融會貫通，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和分析處理問題的能力。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施成效

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建成后，已在我校2018級海洋科學(xué)專業(yè)《海洋科學(xué)專業(yè)綜合實(shí)習(xí)I》中進(jìn)行應(yīng)用。疫情期間，我們采用線上理論教學(xué)與虛擬實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)習(xí)教學(xué)方式，“線上”邀請出海調(diào)查經(jīng)驗(yàn)豐富的專家和教授講授海洋生物資源調(diào)查有關(guān)知識，虛擬實(shí)踐則要求學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行出海調(diào)查模擬操作，鞏固加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，熟悉出海調(diào)查的設(shè)計(jì)思路、采樣工具、儀器操作、調(diào)查流程和結(jié)果分析等海洋生態(tài)調(diào)查的全過程。學(xué)生普遍反映該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)畫面生動(dòng)，充分激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)合理，拓寬了知識體系，教學(xué)效果得到明顯提升。

4 結(jié) 論

近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用虛擬仿真、Flash、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)，真實(shí)還原了海洋調(diào)查場景、調(diào)查設(shè)備、調(diào)查樣本、儀器操作、樣品采集及實(shí)驗(yàn)室分析等出海調(diào)查全流程。通過人機(jī)交互式的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式。