孫際佳，陳驍，張曉勇，于宗赫，何玉慧

（華南農(nóng)業(yè)大學 海洋學院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

近海是海洋開發(fā)、海洋經(jīng)濟和國防建設的核心區(qū)域。海洋科學研究涉及物理、化學、生物和地質(zhì)等諸多領(lǐng)域，是一門綜合性很強的科學。海洋生態(tài)調(diào)查是海洋科學專業(yè)學生必須掌握的基本實踐技能，但是受經(jīng)費和條件所困，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生上船實習。同時，出海調(diào)查實施周期長，具有較高的危險性。因此對于大部分高校來說，海洋科學專業(yè)本科生的海洋生態(tài)調(diào)查實習活動難以開展，教學有理論而無實踐，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)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已廣泛應用于許多專業(yè)的實驗教學，如生物類、醫(yī)學類、機電類等專業(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，復現(xiàn)真實的海洋調(diào)查流程，使各大高校在保證安全的情況下，以較少的經(jīng)費成本實現(xiàn)對海洋科學專業(yè)本科生出海調(diào)查的培訓，解決海洋專業(yè)學生，尤其是本科生海洋采樣調(diào)查實習機會少、實習資源匱乏、實習難以深入進行、與用人單位實際要求脫鉤的普遍性難題。

本文采用模塊化方案進行虛擬仿真實驗設計，利用Unity3D等作為開發(fā)工具開發(fā)了近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實驗，使學生可以在虛擬仿真環(huán)境下對海洋生態(tài)調(diào)查相關(guān)知識點進行學習，豐富了教學手段，顯著提高了實踐教學效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 虛擬仿真實驗設計及開發(fā)

1.1 實驗設計思路

本實驗設計力求做到理論與實踐深度融合，讓學生能將專業(yè)相關(guān)課程學習的理論知識應用到虛擬仿真實驗中。實驗以海洋調(diào)查規(guī)范（GB/T 12763.6—2007）為科學依據(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)查設備、調(diào)查人員、調(diào)查樣本、實驗室場景等進行3D建模，真實再現(xiàn)海洋調(diào)查的應用場景。重點突出了出海安全、調(diào)查方案設計、儀器設備操作、海洋生物識別和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等知識點，同時通過動畫展示了調(diào)查人員操作調(diào)查儀器、樣品采集、分類鑒定以及最后進行數(shù)據(jù)整理的整個過程，讓學生能夠生動形象地掌握出海調(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)查虛擬仿真實驗項目整體應用系統(tǒng)架構(gòu)分為五個基礎(chǔ)層級，如圖1所示，每一層都為其上層提供服務，直到完成具體虛擬實驗教學環(huán)境的構(gòu)建。同時，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)應分層組織，系統(tǒng)功能模塊化，系統(tǒng)集成松耦合，方便業(yè)務應用的修改、重用和部署，滿足系統(tǒng)未來彈性擴展的要求。系統(tǒng)五個基礎(chǔ)層級的主要功能如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2.1 數(shù)據(jù)層

近海海洋調(diào)查虛擬仿真實驗項目涉及到多種類型虛擬實驗組件及數(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)進行調(diào)度和存儲，實現(xiàn)對相應數(shù)據(jù)的存放和管理。

1.2.2 業(yè)務層

業(yè)務層通過應用服務器，提供對系統(tǒng)應用層強大的支持，包括：數(shù)據(jù)訪問、內(nèi)容管理、用戶管理、系統(tǒng)設置、題庫管理、圖片庫管理、系統(tǒng)日志、實驗資源管理等功能。并通過WEBSERVICE接口服務支持外部資源對內(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)資源的應用數(shù)據(jù)集成。

1.2.3 應用層

應用層為虛擬實驗教學環(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、樣品分析實驗、實驗報告管理、理論考試、視頻管理、智能指引。并通過Ajax交互，對業(yè)務層發(fā)出信息請求，實現(xiàn)與業(yè)務層的數(shù)據(jù)對接。

1.2.4 仿真層

仿真層主要針對該項目場景的搭建、布景、渲染、烘培，對模型的建模、貼圖處理、動作展示，通過仿真分析加載器為上層提供實驗結(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，最終實現(xiàn)近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實驗項目教學與開放共享。該框架的應用層具有良好的擴展性，實驗教師可根據(jù)教學需要，利用應用層提供的各種工具和仿真層提供的相應的器材模型，設計各種典型實驗實例，最后面向?qū)W生開展實驗教學應用。

1.3 實驗內(nèi)容、操作與考核

本虛擬仿真實驗共包括5個功能模板，如圖2所示，分別為出海安全、游泳動物調(diào)查實驗、大型底棲生物調(diào)查實驗、浮游生物調(diào)查實驗、微生物調(diào)查實驗模塊。

圖2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)功能模塊圖

系統(tǒng)的具體操作流程如圖3所示，實驗操作時，學生登錄虛擬仿真實驗平臺，認真閱讀注意事項，根據(jù)課程設置進入相應的預習模塊進行預習并完成課前評測，進入實驗模塊后可根據(jù)教學內(nèi)容選擇任一功能模塊進行操作。系統(tǒng)操作時學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，實驗室稱重，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，實驗室中海水微生物的分離、培養(yǎng)和菌落計數(shù)，調(diào)查表填寫。

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

本實驗從“認知—實踐—應用”3個層次進行考核，通過實驗原理和調(diào)查流程的展示（含實驗預習模式和老師講解），考查學生對基本概念和實驗原理、方法的認知情況；通過虛擬仿真實驗的操作模式，考查學生對調(diào)查的基本流程和儀器設備操作的實踐能力；通過考核模式（虛擬仿真實驗考核成績、實驗報告完成情況進行綜合評價），考查學生對實驗中關(guān)鍵知識點的掌握情況以及對所學知識的應用情況。

1.4 實驗特色

近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實驗系統(tǒng)具有以下3個特點：

（1）調(diào)查流程完整：實驗涵蓋了出海調(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行虛擬仿真實驗，有助于學生全面了解出海調(diào)查的全過程，有利于知識的融會貫通。

（2）學習形式多樣：實驗包含調(diào)查采樣現(xiàn)場操作視頻、海洋生物圖片庫、虛擬實驗操作動畫等，學生可以靈活選擇不同的學習方式進行預習、操作以及鞏固和擴展相關(guān)知識點。

（3）科教融合一體：科教融合是本科實驗改革的新趨勢，本實驗將教師的科考和科研成果有機整合到出海調(diào)查的實驗內(nèi)容中，拓展了學生的科學視野，提升了學習興趣。

2 虛擬仿真實驗教學的實施過程

在虛擬仿真實驗教學過程中采用了“傳統(tǒng)+情境+探究”的教學方法。實驗前期采用傳統(tǒng)的教學方法，由任課老師講解近海海洋生態(tài)調(diào)查實驗的目的、原理及操作流程等，布置虛擬仿真實驗學習任務和具體要求，并介紹虛擬仿真系統(tǒng)操作方法，使學生形成清晰的實驗思路，順利開展虛擬仿真實驗。虛擬實驗操作過程中采用情境式的教學方法，通過實驗系統(tǒng)中高仿真的出海調(diào)查場景、采樣工具、實驗室場景、實驗室用具等，使學生可以身臨其境地開展海洋生物調(diào)查。實驗報告內(nèi)容則要求學生查閱相關(guān)海洋生物調(diào)查的資料文獻和調(diào)查案例，以調(diào)查某一海域的某種海洋生物為例，設計調(diào)查方案，確定調(diào)查時間、地點和方法，進行樣品處理和設計分析等，通過自主探究式學習方式，引導學生鞏固實驗內(nèi)容，理清思路，形成近海海洋生態(tài)調(diào)查知識鏈，并學會融會貫通，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和分析處理問題的能力。

3 虛擬仿真實驗教學的實施成效

該虛擬仿真實驗系統(tǒng)建成后，已在我校2018級海洋科學專業(yè)《海洋科學專業(yè)綜合實習I》中進行應用。疫情期間，我們采用線上理論教學與虛擬實踐相結(jié)合的實習教學方式，“線上”邀請出海調(diào)查經(jīng)驗豐富的專家和教授講授海洋生物資源調(diào)查有關(guān)知識，虛擬實踐則要求學生利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)進行出海調(diào)查模擬操作，鞏固加深學生對所學理論知識的理解，熟悉出海調(diào)查的設計思路、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。學生普遍反映該虛擬仿真實驗系統(tǒng)畫面生動，充分激發(fā)了學習興趣，且實驗內(nèi)容設計合理，拓寬了知識體系，教學效果得到明顯提升。

4 結(jié) 論

近海海洋生態(tài)調(diào)查虛擬仿真實驗采用虛擬仿真、Flash、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)，真實還原了海洋調(diào)查場景、調(diào)查設備、調(diào)查樣本、儀器操作、樣品采集及實驗室分析等出海調(diào)查全流程。通過人機交互式的學習方式，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了實驗教學效果，豐富了實驗教學的內(nèi)容和形式。