海洋水文氣象調查與觀測虛擬仿真建設及思考

魏永亮 胡松 于潭 王家為

[摘 要] 現場調查和觀測對于海洋科學研究來說很關鍵，也是海洋科學教學中不可缺少的環節，但出海費用高、觀測儀器精貴等原因，限制了出海實習的實施，虛擬仿真教學則很好地彌補了此缺陷。文章以海洋調查與海洋觀測實習課程為例，介紹其虛擬仿真項目建設及其思考。

[關鍵詞] 海洋科學;海洋調查;海上實習;虛擬仿真

[基金項目] “2019年校級教師工作室：物理海洋學虛擬仿真教學工作室”（A1-2005-00-300420）及“上海海洋大學教學團隊建設項目：物理海洋學虛擬仿真教學團隊”資助（A1-2005-00-300281）

[作者簡介] 魏永亮（1981—），男，山東濰坊人，博士，副教授，研究方向為海洋微波遙感。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0087-02? ? [收稿日期] 2019-11-27

上海海洋大學作為國內六所“海洋大學”之一，積極響應教育部虛擬仿真課程建設，由海洋科學學院牽頭，組織建設一批具有代表性的海洋科學虛擬仿真實驗項目。其中物理海洋學方向包括“中尺度渦虛擬仿真實驗”[1]“潮汐潮流動力過程仿真實驗”[2]“大洋環流虛擬仿真實驗”“海洋水文氣象調查與觀測實習虛擬仿真”等項目。這些項目的開發利用，將會對海洋科學專業教學和人才培養起到關鍵作用，通過虛實結合，提升學生學習體驗，牢固掌握所學知識和技能，為以后的專業性工作打下堅實基礎。

一、海洋水文氣象調查與觀測實習現狀

“海洋水文氣象調查與觀測實習”設置在海洋科學本科生課程海洋觀測之后，作為該課程的實踐部分[3]。實習內容為常規海洋水文和氣象要素的觀測，包括儀器的使用和注意事項。最近幾年，本實習搭乘海事局巡邏船只，在其作業路徑上尋機找點實施觀測，學生能夠在儀器的操作步驟等方面得到一定的鍛煉，但要受到限制。本校雖擁有一艘海洋漁業資源考察船，但費用太高，且學生需分批次進行實習，更增加了開支，因此不適用。一些海洋調查觀測儀器本身價格昂貴，學生在使用過程中容易出現問題。此外，學生本身的安全是重中之重，出海調查增加了此種風險。

開發本實習的虛擬仿真教學軟件，讓學生在電腦上進行虛擬操作，一可以隨時進行操作練習，二節省船只開支。等學生真正熟練操作儀器，并掌握調查注意事項后，再到海上進行實地調查觀測，可以起到事半功倍的效果，同時也兼顧了虛實結合，多種教學手段提升教學效果。

二、虛擬仿真實驗設計

（一）實驗設計目標

海洋水文氣象調查與觀測實習包含常規海洋水文和氣象要素的儀器觀測及目測，包括海水溫度、鹽度、深度、采水樣、實驗室鹽度計、透明度、水色、海流、海浪、海表面風、氣壓、空氣干濕溫度等項目。該實習的虛擬仿真實驗設計目標為，通過交互式操作，讓學生認識觀測儀器、掌握儀器的使用步驟、讀數方法、觀測注意事項，并開放一定的自由度，激發學生的創新意識。

（二）實驗模式與內容

實驗主要分為兩大模式：練習模式和考核模式，練習模式下，學生可根據界面提示，按步驟進行交互操作，過程中如果操作步驟或選擇儀器錯誤，則都會有提示。在此模式下，學生可以反復練習，直至熟練掌握。考核模式下，則隱去所有提示信息，學生按照掌握的知識進行海洋水文氣象要素的虛擬調查觀測。在操作過程中，如有錯誤也會繼續進行下去，但相應的錯誤會在后臺記錄，在考核結束后提交給教師查看，以便總結分析，同時扣除相應分數。考核結束后，顯示分數，并顯示操作錯誤或失誤部分。

進入實驗主界面后，在左側是實驗導航，設有出海目的及注意事項、出海備航、海洋水文調查與觀測、海洋氣象調查與觀測等四項。出海目的及注意事項中，會向學生介紹出海調查的意義，讓學生建立宏觀的海洋調查概念;注意事項部分則提醒學生在上下船以及船上駐留、作業時的安全注意事項，保證學生人身安全以及儀器安全。出海備航中，會列出所有出海觀測用到的儀器，包括表面溫度計、直讀式海流計、溫鹽深儀（CTD）、透明度盤、水色計、采水器、實驗室鹽度計、三杯風速風向表、干濕溫度表、空盒氣壓表等，每個儀器都是根據真實大小按比例縮小的。點擊每個儀器的圖像，會彈出儀器的介紹和分解結構，讓學生能夠了解到該儀器的作用。每介紹完一種儀器，就會被收到工具包中備用。

在海洋水文調查與觀測中，包括海水溫度、鹽度、深度觀測，透明度和水色觀測、海流觀測以及海浪觀測項目。其中，海水溫度觀測用到的儀器分別有CTD和表面溫度計，海水鹽度觀測用到的儀器分別有CTD、采水器和實驗室鹽度計。本部分內容按照觀測項目展開介紹。對于每一個觀測項目，首先會有一個選擇題，提問該觀測項目用到什么儀器。然后要從工具包中選擇正確的儀器設備，選擇錯誤則會提示。接著介紹其需要的儀器操作步驟、讀數、觀測注意事項以及觀測完成后，儀器設備的處理。

以海水溫鹽深觀測為例，首先界面彈出一個選擇題，內容為可以用什么儀器同時觀測海水的溫度、鹽度和深度？正確選擇CTD后，繼續下一步，即從工具包中取出CTD以及觀測結束后清洗的淡水瓶。按照提示用繩索拴好CTD，下端掛好重錘，然后正確選擇CTD的觀測模式，待其屏幕顯示符合提示內容后，放入水中進行觀測，同時根據電腦屏幕下方的提示信息和注意事項進行操作。CTD在設置好之后就開始測量，因此在其在海洋中下放和上升過程中，都會有測量數據。CTD收回后，可以瀏覽數據，查看剛才的測量是否有效，如沒有問題，則在用淡水清洗后晾干，以備下次使用。實驗環節完整地展示了上述內容，讓學生很容易就可以掌握其要點，而又避免出現儀器掉落海中等危險。

三、實驗特色

海洋水文氣象調查與觀測實習，包含了大部分常規要素的觀測，既有儀器測量也有目測內容。在虛擬仿真教學軟件中，能夠對海洋要素的觀測有一個宏觀的把控。之后再到船上真正實習時，學生會自然想到應該注意的安全事項以及觀測儀器的操作步驟和注意事項。

本虛擬仿真實驗與所有的虛擬仿真實驗相同，在電腦上操作，不受實際物理空間、時間和實驗環境的限制。此外，本實習為調查與觀測，要求學生動手操作，轉換到電腦中同樣具有很強的可操作性，且注重交互式操作。并且每一步驟前后連貫，圖像和文字表述清楚，通過此種方式，讓學生掌握基本知識和基本技能，同時拓展學生動手能力、分析解決問題能力等。

四、對本虛擬仿真實驗項目的思考

海洋水文氣象調查與觀測實習涉及到的知識點和儀器操作比較多，是一個相對綜合的海洋科學專業物理海洋方向的實習課程。本虛擬仿真實驗的設計應在廣度和深度上都有體現，目前來看，廣度基本符合要求，但深度方面尚有所欠缺。學生通過系統化的學習，能夠掌握海洋水文氣象調查與觀測技能，但實際操作過程中會出現各種各樣的問題。因此需要給虛擬實驗設計更高的自由度，要讓學生在操作中遇到各種不同的問題，設置各種困難，才能激發學生學習興趣，培養學生鉆研問題解決問題的能力。

此外，將現實實習虛擬化過程中，會遇到實際細節太多、要求太高而導致虛擬無法滿足的問題。教師腦海中有一個實驗腳本，而虛擬工程師也有自己理解的腳本，兩者經常會出現不一致。這是由于教師不懂技術而工程師不懂專業造成的，因此雙方要有經常性的、及時有效的溝通。

虛擬仿真實驗，其作用是對傳統教學的一個補充。對于本實習而言，教師如果面對面將上述觀測項目的儀器操作、目測步驟和注意事項講一遍，需要花費一個多小時時間，短時間內重復的可能性不大，還不能保證所有的學生都能聽懂、會操作。教師講完后，讓學生進行操作，卻還是出現各種問題。虛擬仿真實驗在這方面完全可以彌補上述問題。

五、結語

隨著國家的大力推廣，虛擬仿真軟件和硬件水平的提高，虛擬仿真教學在傳統教學中的作用會越來越明顯。本著“能實不虛、虛實結合”的原則，將海洋水文氣象調查與觀測實習進行了虛擬化，避免現實因素的限制，解除時空枷鎖，讓學生經常訓練成為可能。通過問答、提示、操作考核等多種形式，力求使學生掌握更多的知識和技能，同時培養學生的宏觀視野，初步具備設計整個調查項目的能力。

參考文獻

[1]張春玲，胡松.海洋中尺度渦虛擬仿真實驗設計[J].中國地質教育，2019（2）：100-102.

[2]劉浩，胡松.潮汐潮流動力過程仿真實驗教學研究[J].智庫時代，2019（23）：161+169.

[3]魏永亮，胡松，于潭.《海洋調查方法》實習課程建設與思考[J].時代教育，2016（13）：41-42.