虚拟仿真实验在海洋仪器使用与维护课堂教学中(4)

［6］ 叶静宇.基于VR的严肃游戏的设计与开发［D］.北华大学，2017.

［7］ 教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知［J］.实验室科学，2017（4）:190.

［8］ 郑超,宋立彬，王新洪，等.材料成型及控制工程专业虚拟仿真实验室的建设与实践［J］.实验技术与管理，2019（3）:261?265.

“创新是从根本上打开增长之锁的钥匙。以互联网为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发，人工智能、虚拟现实等技术日新月异，虚拟经济与实体经济的结合，将给人们的生产方式和生活方式带来革命性变化。”[1]虚拟现实技术是现代教学手段的技术平台。在《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中，虚拟仿真实验教学被列为高等教育信息化建设的重要内容之一，其本质特征是深度融合计算机技术拓展传统实验教学方式的新型教学模式。《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》指出，于2017—2020年在普通本科高等学校遴选国家级虚拟仿真实验教学项目。一、海洋仪器使用与维护课程采用传统教学存在的问题（一）海洋仪器内容广泛海洋仪器是用来观察、测量海洋要素的基本工具[2]，其测量种类繁多，如水文、气象、物理、化学、生物、地质等要素的时空分布规律。测量要素涵盖了水色、透明度、盐度、海冰、溶解氧、磷酸盐、硅酸盐、海流、波浪、潮汐、内波、水温、水深、硝酸盐等，以及该海区的水文气象要素，各种天气现象，内容多且繁杂。受学时和实验室设备资源的限制，学生无法对每一个测量仪器都进行实际操作，这导致学生对海洋仪器的使用缺乏足够的专业训练，只能勉强达到预期的教学目标。（二）传统课堂教学的缺点传统的课堂教学以教师为中心，学生完全处于被动学习的状态。对于海洋仪器使用与维护这种实践性强的课程采用这种方式进行教学，会导致课堂教学沉闷，学生人在课堂心在外，抑制了学生学习的积极性。（三）学时数较少影响学习效果海洋仪器使用与维护是一门实践性很强的课程，通过该课程的学习可以培养学生出海调查的基本技能和进行海洋科学研究的素质，培养学生数据分析及整理的能力，培养学生对海洋科学的探索、分析和独立工作的能力，让学生掌握从事海洋科学研究的实验方法和规律，提高学生从事海洋科学创新性研究的能力。但是由于学时较少，目前实验教学仅限于几个固定的实验，实验项目偏少，教学效果受到一定的影响。在目前的实践课程教学模式中，学生在整个实验过程中处于一种被动的地位。学生对实验目的和步骤不理解，动手操作大多是在教师讲解之后“依葫芦画瓢”进行模仿实验，对操作的实质没有理解。这虽然在形式上完成了实验，但是学生很快会忘记，其原因是学生缺乏对实验内容、实验仪器设备的感性认识。（四）实验、实习环节受客观条件限制海洋仪器一般价格昂贵，设备数量较少，实践内容范围窄，难以满足实验教学的需要。教师在实验课前，需要完成实验设计、设备和仪器的调试等工作；学生在实验课上，只是完成海洋仪器使用操作步骤的一部分，并未真正参与仪器使用的全部过程。教师授课的精心准备导致学生对这些内容的认识存在盲区，学生对实验的目的、操作内容、要求、仪器使用的完整过程和实验结果的差别缺乏分析和思考，这导致学生在以后的实际工作中遇到问题时不知如何处理。海洋仪器使用与维护课程实习由于仪器设备的数量有限，只能让部分学生操作。由于实习是在近岸的海域，现场环境安全风险大，学生实习的内容往往是蜻蜓点水、雾里看花，对于如何控制海洋仪器的运行、如何解决运行问题等，学生仍然得不到训练。二、虚拟仿真实验教学的内涵及特征（一）虚拟仿真实验教学的内涵人工智能和虚拟现实技术逐渐广泛应用于各行各业[3]。虚拟现实技术是利用计算机图像处理技术、多传感交互技术和生成数据技术，生成逼真的虚拟环境,用户利用数据手套、跟踪器、触觉和力反馈装置等专用的交互输入设备进入虚拟空间,与虚拟环境的目标进行实时交互,感知和操作虚拟世界中的人和物,这能为用户带来视、听、触等多方面的感官刺激，从而让用户产生身临其境的感受[4]。如在海洋工程实践操作课中，广东海洋大学（以下简称“我校”）使用了船舶驾驶虚拟仿真系统，给学生带来驾船出海的真实体验。目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、汽车驾驶、军事训练、医学实习、建筑设计、体育训练和娱乐等领域中[5]。（二）虚拟仿真实验教学的特征信息技术综合性。在虚拟仿真实验教学中，教师可以综合运用多媒体技术、混合现实、虚拟现实、遥现技术和人工智能等多种信息技术，使知识的传授手段更加丰富，授课内容更能激发学生的学习兴趣。多样性。虚拟仿真实验教学通常依托于虚拟仿真实验室的环境来实现。虚拟仿真实验室具有多种类别，如课桌虚拟仿真实验室、混合现实虚拟仿真实验室、沉浸式虚拟仿真实验室、分布式虚拟仿真实验室等，实验教学过程可根据不同的教学需求来选择不同类别的虚拟仿真实验方式，不断丰富教学形式和教学内容。交互性。通过计算机再现模拟环境，虚拟仿真实验教学活动中学生借助听觉、触觉及视觉等多种感官感受虚拟世界，并进行交互操作，掌握海洋仪器设备在变化的海洋要素的作用下的使用技能，这能使学生以轻松、愉快和积极的心态沉浸在虚拟世界中进行学习和思考。将交互设备引入教学环节之中，可以让知识的传授方式更加生动、形象、直观，从传统的说教式教学模式进步到信息化教学模式中，真正实现以人为本，从而激发学生学习的主动性和创造性思维。三、虚拟仿真实验在海洋仪器使用与维护教学的中应用与创新（一）虚拟仿真实验在海洋仪器使用与维护教学中的应用在海洋仪器使用与维护教学中，使用虚拟现实技术开展虚拟仿真实验教学，能充分吸引学生的注意力、提高课程的趣味性，弥补实验设备的不足，为学生营造一种置身于海洋的环境，扩展教学信息传播的广度和深度，增强学生的学习体验。学生以类似于游戏的方式学习，这能起到事半功倍的教学效果。虚拟仿真实验教学要想取得良好的教学效果，就要求教师在教学过程中转变角色，成为学习的引导者、探究者，学生不再是被动的知识接受者，而是教学活动的参与者。通过虚拟仿真实验教学，可以让学生与虚拟的海洋仪器设备进行交互，完成海洋环境下各种仪器的出海操作全过程，从出海前仪器端盖的机械操作、电池的安装、保证密封性的机械安装、仪器的布放任务设置与调试，到仪器的实际布放操作、仪器的回收与数据导出。通过对虚拟海洋仪器进行综合的交互操作与感知，以及不同的虚拟仿真实验环境的视、听、触等多方面的感知，给学生以身临其境的海洋仪器出海实践体验，从而有效提高学生的学习效果。（二）虚拟海洋仪器实践教学素材库的建立Unity3D是虚拟现实技术开发市场的领导者，功能多样的插件系统是Unity3D在各种开发引擎中成为主流软件原因之一[6]。Unity3D具有个性化的设置和容易上手的操作界面，包括有内置Shuriken粒子系统、NavigationMesh寻路系统、Mecanim动画系统和不断优化的图形渲染管道，这为用户提供了低成本的简单再开发平台。在海洋仪器的使用中我们使用了Unity3D进行仪器素材库的开发，素材开发的内容主要基于以下几个方面：以解决实际教学需求为导向，首先研究开发无法开出真实实验的虚拟仿真实验；其次研究开发高成本、高消耗、不可逆操作的虚拟仿真实验；最后研究开发大型综合训练。从学生的就业需求出发，以综合培养学生的社会责任、创新思维和实践能力为宗旨，注重传授知识、培养能力、提高素质等全面发展，激发学生参与实验教学的积极性，鼓励学生主动探索和不断思考，培养学生的学习热忱，激发他们内在的潜能，训练学生的应用技术能力和创新知识能力。以就业前景为导向，紧密结合我校海洋技术人才定位和培养方案的特点，紧密结合国家战略对海洋人才培养的需要，紧密结合产业发展所取得的最新研究成果和南海海洋相关专业特色，综合使用人工智能、混合现实和虚拟现实，研发学时合理、难度适宜、原理科学、内容翔实的本科教学虚拟仿真实验教学项目。已开发的项目：海洋调查船虚拟仿真、潮汐虚拟仿真、海浪虚拟仿真、海流虚拟仿真、侧扫声呐虚拟仿真、浅地层剖面仪虚拟仿真、温盐深观测及海水采集虚拟仿真、海流调查虚拟仿真、探空气球观测虚拟仿真、海上综合调查工作过程仿真、大气观测虚拟仿真、台风虚拟仿真、风暴潮虚拟仿真、赤潮仿真和溢油虚拟仿真等实验，根据教学的需要，我们还将不断增加扩充项目。（三）先进可靠的实验研发技术融合创新多样的教学方法是虚拟仿真实验教学的关键物理海洋虚拟仿真实验教学项目的研发以生动再现海洋观测场景、学生充分感知实验教学内容为目标，综合应用SPOC、MOOC、微课、“互联网+”等数字化教学手段，创造性地使用数字化、网络化、智能化教学工具，利用物联网、云计算、数学建模、多媒体、人工智能、超级计算、传感器定位、人机交互、虚拟现实、增强现实、大数据等技术手段增强虚拟实验教学项目的吸引力和教学有效性。加强相关技术的综合性运用和安全性研究开发，全方位、多层次关注使用虚拟仿真实验教学项目的学生，确保他们的安全与健康。研究5G网络环境中的实验教学规律，思考和探索提升实验教学效果的实验教学方式和教学方法。把握信息化时代学生的特点，研究开发根据科学问题和工程案例的互动式、研讨式探索性虚拟实验教学项目，达到培养学生的团队学习能力、自主学习能力及探究式学习能力的目的。注重通过人工智能、网络和虚拟现实技术等各种技术手段促进教学资源和内容准备、在线讨论、离线研讨，建设实验教学项目创新资源。（四）以本为本的实验教学队伍，持续、稳健和安全的开放运行模式和不断提升的实验教学评价体系在虚拟仿真实验教学项目的建设过程中，培养专业精湛、知识丰富、热爱实验教学、年龄结构合理的“广学明德,海纳厚为”的虚拟仿真实验教学团队。贯彻和践行实验教学队伍的工作量考核、激励和奖励机制，倡导教师积极参与虚拟仿真实验教学项目的教学实践和迭代研发。创建一种具有开放性、前瞻性和可扩展的物理海洋虚拟仿真实验教学项目运行平台，以满足不同层次、不同类型、不同区域学生对物理海洋虚拟仿真实验教学项目的需要。在开发和运行和维护过程中，始终如一地坚持保护学生和教师的个人隐私，遵守我国知识产权、教育、互联网等相关法律法规，根据“责任到人”的管理原则落实安全责任。强化相关实验教学项目的知识产权保护，探索合理收取费用用于在线虚拟仿真实验教学项目的可持续运行有效模式。将物理海洋虚拟仿真实验教学项目纳入海洋科学专业培养方案和教学大纲，制订教学绩效的评价办法。持续收集教师和学生的评价内容，不断迭代改进虚拟仿真教学的运行和维护方法，摸索有利于虚拟仿真实验教学项目开放共享的教学绩效奖励机制[7]。（五）坚持虚实结合的原则基于虚拟现实技术设计和开发的物理海洋教学资源，不仅能满足本地学生单机独立操作的学习方式，而且可以为其他教学点学生提供网络访问的线上资源，提供线上操作的学习方式。学生可以从任意地点灵活地进行泛在学习，真正实现教学资源的跨平台共享，拓展学习的时间，突破学习的地域限制，这更能满足学生的泛在学习需求。应灵活把握虚拟仿真实验的特点，帮助学生理解抽象的知识,使教学内容生动丰富,激发学生的设计和创新意识。此外,应避免虚拟仿真教学方式的局限性，学生如果只是在计算机上的虚拟仿真实验系统中进行各种设备的使用操作,就不能更好地理解和认识实际仪器,从而降低对真实设备使用的操作能力。不能让虚拟仿真实验完全取代真实的动手实验,应将两者结合,不仅要强调仿真实验对实验教学的重要补充作用,而且也要强调实际动手能力训练的重要性,让二者有机结合、相辅相成,应把握能实不虚和虚实结合的原则。虚拟仿真实验给海洋仪器的使用教学带来了很多方便,但是其不能代替真实的实验，只是辅助学生在客观条件不足的情况下学习的一种手段[8]。另外，虚拟仿真实验是程序员模拟现有的认知创作的程序代码，而仪器在实际使用中会出现各种各样的实际问题，这是程序员没有充分考虑和设计的，所以实验内容需要实验教师根据教学活动中出现的问题不断地迭代更新。四、结束语在海洋仪器使用与维护课程中，通过采用虚拟现实技术，应用物理海洋虚拟仿真实验系统进行教学，解决了本科实验教学实践项目偏少的难题，适应了海洋仪器使用与维护教学内容多且广泛的需求。虚拟仿真实验激发了学生学习求知的热情，训练了学生的实践创新能力，培养了学生的自主学习能力，取得了明显的教学效果。在线服务教学，延伸了实验教学的时间和空间，推进了虚拟现实技术与实验教学的融合，提升了实验教学的水平，拓展了实验教学项目的深度,提高了学生的专业素养和综合素质，促进了专业课程的理论联系实践。［参考文献］［1］ 习近平在二十国集团工商峰会开幕式上的主旨演讲［EB/OL］.［2016?09?03］.［2］ 张正惕,杨世伦，谷国传.我国海洋测流仪器的发展与现状［J］.海洋技术，1999（2）:18?22.［3］ 严褒.基于虚拟现实技术的工业产品造型设计［J］.现代电子技术，2019（3）:184?186.［4］ 刘小娟，吴锋景，邓继勇，等.应用型本科高校化工虚拟仿真实验教学项目建设探索［J］.教育现代化，2018（45）:125?127.［5］ 王建英，陈金华，逯付荣.虚拟仿真实验教学在旅游地理课程建设中的应用初探［J］.才智，2017（3）:192?193.［6］ 叶静宇.基于VR的严肃游戏的设计与开发［D］.北华大学，2017.［7］ 教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知［J］.实验室科学，2017（4）:190.［8］ 郑超,宋立彬，王新洪，等.材料成型及控制工程专业虚拟仿真实验室的建设与实践［J］.实验技术与管理，2019（3）:261?265.

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