虛擬實(shí)驗(yàn)海洋工程專業(yè)大學(xué)生培養(yǎng)模式

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摘要：隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略部署的不斷深入，各個(gè)高校不斷增設(shè)海洋相關(guān)專業(yè)，海洋工程是海洋相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的理論性與實(shí)踐性。本文結(jié)合目前海洋相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐特點(diǎn)，就目前海洋工程實(shí)踐中存在的問題進(jìn)行探討，提出了利用海洋工程模擬仿真技術(shù)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)海洋工程專業(yè)的認(rèn)識(shí)和理解。從調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣入手，使教學(xué)內(nèi)容直觀、形象、生動(dòng)而同時(shí)具有科學(xué)性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，完善課程內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。利用數(shù)值模擬仿真技術(shù)進(jìn)行可視化教學(xué)，對(duì)海洋工程中的測(cè)試、安裝、運(yùn)行現(xiàn)象采用計(jì)算機(jī)模擬，并在課程中加入相關(guān)動(dòng)畫。一方面，使該專業(yè)學(xué)生加強(qiáng)對(duì)海洋工程的理解，另一方面，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生應(yīng)用模擬分析方法解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生在進(jìn)行海洋工程設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃悸凡槲磥砗Ｑ蠊こ探ㄔO(shè)的相關(guān)工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)，數(shù)值仿真，海洋工程，能力培養(yǎng)，教學(xué)模式

一、研究背景

海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的有效實(shí)施需要海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展作為有力支撐。加快建設(shè)海洋強(qiáng)國的進(jìn)程中，海洋相關(guān)的高等教育面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。努力培養(yǎng)適應(yīng)海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才、技術(shù)型人才和應(yīng)用型人才，不斷提高海洋知識(shí)和技術(shù)創(chuàng)新水平，已成為建設(shè)海洋強(qiáng)國進(jìn)程中高等教育所面臨的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略任務(wù)。為響應(yīng)國家戰(zhàn)略部署與時(shí)代需求，國內(nèi)諸多高校陸續(xù)增設(shè)海洋工程與技術(shù)專業(yè)，以培養(yǎng)海洋技術(shù)人才[1]。由于海洋工程結(jié)構(gòu)龐大且所處海洋環(huán)境極為復(fù)雜，海洋工程實(shí)踐具有高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)、高投入等特點(diǎn)，在大學(xué)階段學(xué)習(xí)的學(xué)生難以實(shí)地地接觸海洋工程結(jié)構(gòu)物且直觀地觀測(cè)海洋環(huán)境，因此，在海洋工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)階段，大部分海洋工程知識(shí)通過課堂講述的方法將知識(shí)傳授給本專業(yè)學(xué)生，教學(xué)方式單一且效率較低。隨著科技的不斷發(fā)展，多媒體手段不斷應(yīng)用到課堂教學(xué)中，通過觀看視頻或者動(dòng)畫的演示，能夠清楚地看出海洋環(huán)境風(fēng)場(chǎng)、波浪場(chǎng)以及流場(chǎng)的變化，除此之外，海洋工程設(shè)計(jì)、建造、海上安裝、施工等過程也能較為直觀地展示出來[2]。但是，海洋工程與技術(shù)專業(yè)為工科專業(yè)，需要更多的實(shí)踐提高技術(shù)及創(chuàng)新能力。在海洋工程實(shí)地實(shí)踐受限的情況下，如何提高研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力成為教學(xué)改革的重要研究內(nèi)容。針對(duì)教學(xué)實(shí)踐的這一短板，本論文提出采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方法提高研究生的實(shí)踐及創(chuàng)新能力。從而，使我校未來的海洋技術(shù)人才更好地適應(yīng)市場(chǎng)和社會(huì)的需要，將其培養(yǎng)成一批批合格的海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施者。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)分析

海洋工程專業(yè)作為一門應(yīng)用學(xué)科，有著與其他理論學(xué)科的不同之處，作為一門以觀察和實(shí)踐為基礎(chǔ)的學(xué)科，其揭示了海洋工程領(lǐng)域內(nèi)的自然科學(xué)規(guī)律。在進(jìn)行觀察與實(shí)踐時(shí)，受工程環(huán)境、復(fù)雜設(shè)施等的條件限制，很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及數(shù)據(jù)收集和處理，對(duì)本專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量有一定的影響。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值理論計(jì)算方法的不斷進(jìn)步和發(fā)展，使得“理論分析”、“數(shù)值模擬”和“虛擬實(shí)驗(yàn)”三者相互促進(jìn)，成為現(xiàn)代工程學(xué)科的三大支點(diǎn)[3，4]。虛擬實(shí)驗(yàn)主要借助構(gòu)建的物理模型，利用有限元模擬軟件或程序運(yùn)行軟件的計(jì)算，通過輸出聲音、圖像、動(dòng)畫等功能模擬海洋工程物理現(xiàn)象，詮釋物理規(guī)律，演示運(yùn)動(dòng)過程；突破真實(shí)實(shí)踐條件，排除任何外界環(huán)境條件的干擾，通過數(shù)值模擬精確地得到試驗(yàn)的結(jié)果，以方便地開展實(shí)踐教學(xué)并提高教學(xué)成果。一套完整的虛擬實(shí)驗(yàn)程序，分為前處理、計(jì)算分析和后處理三個(gè)階段。前處理為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集和模型成型。例如，若計(jì)算一片海域的水動(dòng)力條件，需收集海域的水深條件、邊界條件，驗(yàn)證潮位值、流速流向值等，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)對(duì)該海域進(jìn)行網(wǎng)格劃分、水深值差值以及邊界處理。前處理需要達(dá)到能保證下一步計(jì)算分析穩(wěn)定運(yùn)行的目的，并且在最大程度減小計(jì)算量的同時(shí)，保證計(jì)算精度。可見，前處理對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)的精確程度有著重要的影響。利用前處理建立好的數(shù)值模型，進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算分析的核心為方程的求解過程，例如，在水動(dòng)力方程三種守恒方程。通過求解網(wǎng)格不同點(diǎn)的方程，得到模型不同地方的數(shù)值，比如，流速、流向、水位等。在不同的格點(diǎn)及格心處存儲(chǔ)單元的屬性。將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析稱為后處理，通過較為直觀的方式，展現(xiàn)流場(chǎng)、物體的變化過程。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)工作中的應(yīng)用

通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方法，可以進(jìn)行不同參數(shù)、不同條件下的實(shí)驗(yàn)，以及進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，加深對(duì)現(xiàn)象的感知及物理理論的理解。1.學(xué)生對(duì)實(shí)際的海洋工程缺乏一定的了解，在學(xué)習(xí)中容易產(chǎn)生一定的困惑。隨著我國對(duì)海洋工程的重視程度不斷加深，本專業(yè)的學(xué)生對(duì)工程的大致樣貌有一定的了解。但是，由于多數(shù)學(xué)生并未見到過實(shí)際的海洋工程的設(shè)計(jì)及施工過程；學(xué)生所學(xué)的內(nèi)容基本通過課本知識(shí)理解，沒有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容理解不足，且在海洋環(huán)境工程中的很多公式是靠實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)得來；此外，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性不高，上述多個(gè)問題的存在導(dǎo)致了本專業(yè)教學(xué)的困難。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，可加深學(xué)生對(duì)本專業(yè)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解，能夠充分地結(jié)合課本內(nèi)容和工程實(shí)踐，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和興趣[5]。2.由于學(xué)生接觸到的課本知識(shí)是經(jīng)過一段時(shí)間沉淀下來的知識(shí)，相對(duì)不斷創(chuàng)新的技術(shù)存在著一定的滯后性，教學(xué)的內(nèi)容陳舊。除此之外，教材內(nèi)容中多為理論闡述部分，注重基礎(chǔ)培養(yǎng)，與工程實(shí)踐結(jié)合的不充分。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要不斷了解本學(xué)科的最新的研究成果和技術(shù)，不斷更新知識(shí)。為了推動(dòng)本學(xué)科的發(fā)展以及學(xué)生自身水平的不斷提高，在對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)過程中需要加強(qiáng)工程實(shí)踐部分，在實(shí)踐條件受限的情況下，虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)提高教學(xué)效果起到了一定的促進(jìn)作用。3.在對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)過程中，采用的教學(xué)方式較為單一，學(xué)生容易產(chǎn)生厭倦心理。在中國的教學(xué)模式中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式一般指教師根據(jù)課本的內(nèi)容進(jìn)行分析總結(jié)和規(guī)劃，將教材內(nèi)容有條理地通過課堂講授的形式講授給學(xué)生。授課方式多為傳統(tǒng)的板書形式或者幻燈片等多媒體形式，整個(gè)教學(xué)過程較為單一，學(xué)生的積極性和參與性都不高。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，在課程講解的過程中，加入對(duì)應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)提高教育質(zhì)量的作用和意義

虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量的作用有四個(gè)方面：首先，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生快速準(zhǔn)確地理解復(fù)雜的海洋環(huán)境，并應(yīng)用已經(jīng)學(xué)到的海洋知識(shí)解釋海洋環(huán)境的變化，提高對(duì)海洋環(huán)境的認(rèn)識(shí)。一方面采用了動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)，另一方面能夠通過調(diào)整不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析結(jié)果，二者相輔相成，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。其次，可以為學(xué)生提供科研平臺(tái)，即在培養(yǎng)過程中，指導(dǎo)和組織研究生開展海洋環(huán)境模擬相關(guān)技術(shù)研究及開發(fā)工作。由于虛擬實(shí)驗(yàn)是通過不同的模擬程序?qū)崿F(xiàn)的，因此在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)過程中，讓學(xué)生參與到不同程序的開發(fā)過程中，既能讓學(xué)生學(xué)到的理論知識(shí)得以應(yīng)用，又能提高學(xué)生對(duì)本專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。第三，依據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)，研究生可充分發(fā)揮創(chuàng)新能力，通過實(shí)時(shí)模擬驗(yàn)證結(jié)果，可有效消除在真實(shí)海況中無法實(shí)踐的缺點(diǎn)?，F(xiàn)在對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的重視程度不斷增強(qiáng)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生進(jìn)行任何思維發(fā)散的創(chuàng)新，得出相應(yīng)結(jié)論，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[6]。在虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯颗c實(shí)踐過程中，構(gòu)建一套具有海洋學(xué)特色的海洋專業(yè)多層次實(shí)踐教學(xué)體系，探索利用海洋工程虛擬模擬實(shí)驗(yàn)提高研究生的實(shí)踐及創(chuàng)新機(jī)制。通過聯(lián)合培養(yǎng)模式，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)性，學(xué)位論文選題兼顧企業(yè)需求、理論深度、創(chuàng)新程度和可行性，提高科學(xué)研究和科技成果轉(zhuǎn)化水平，培養(yǎng)學(xué)生的科研與實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。通過虛擬實(shí)驗(yàn)可解決三個(gè)方面的問題：校內(nèi)教育方式單一，缺乏有效的創(chuàng)新教育模式，競(jìng)爭意識(shí)不強(qiáng)；校內(nèi)科研條件欠缺，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)意識(shí)不強(qiáng)，原創(chuàng)性成果少，人才產(chǎn)出數(shù)量少；校外實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不連續(xù)，安全生產(chǎn)問題突出等。

五、總結(jié)

虛擬實(shí)驗(yàn)可以在教學(xué)過程中大顯身手，通過前期模型處理，中期程序分析及后期圖像、聲音與動(dòng)畫展示，都可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。教材內(nèi)容和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能顯示復(fù)雜的海洋工程中的物理現(xiàn)象，進(jìn)而使基礎(chǔ)理論知識(shí)得以應(yīng)用，抽象問題得以形象化。通過現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生提高創(chuàng)新思維及發(fā)散思維，更好地洞察海洋工程中的物理含義，理解課本中的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。此外，還能提高學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的能力。虛擬實(shí)驗(yàn)的開展，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，進(jìn)而可以為海洋工程建設(shè)的發(fā)展培養(yǎng)出具有一定科研能力的技術(shù)型人才。

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作者：趙恩金 牟林 程飛 蔣浩宇 李健 單位：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 海洋學(xué)院 中國地質(zhì)大學(xué)深圳研究院