海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺設計及其應用

時美楠，房 強，李 琰

(中國地質大學(北京)海洋學院，北京 100083)

立足于國家海洋強國戰略目標，緊密結合經濟社會發展對海洋科學高層次人才培養的需求，海洋地質與環境實驗技術作為海洋科學專業本科生的必修課，旨在使學生了解海洋環境與地質的研究方法，初步掌握海洋地質與環境的實驗設計思路與方法，并對實驗研究的綜合性、復雜性和局限性有直接認識和親身體驗。海洋地質專業實驗技術的課程是培養基礎性、應用性人才重要的、不可或缺的一環，擔負著培養學生動手能力、創新能力的重任。開展海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺的建設，是在信息化時代背景下對傳統實驗教學的改進和發展，也是高等教育信息化建設的重要內容[1-5]。

1 海洋地質專業實驗教學現狀

海洋地質實驗是專業性較強的實驗技術，其涉及的測試儀器往往屬于大型貴重精密儀器，這類儀器設備的特點是價格昂貴、體積較大、需要占用專用房間、維護復雜且運行成本高。高?；緵]有能力為本科生的教學單獨配置此類儀器，因此涉及這類儀器的分析實驗課一般都由相關分析測試中心(平臺)提供儀器[6]，這就造成了海洋地質專業實驗教學在實施的過程中存在以下方面的問題。①儀器數量有限：大型儀器臺(套)數不足以滿足多人同時操作，實驗教學效率低，學生參與感不強。②儀器管理模式的缺陷：分析測試中心(平臺)一般屬于與院系平行的校內二級單位，具有獨立的運行機制與管理體系，承擔本科生教學任務就會基于其自身運行基礎規則。因此，受儀器管理模式的影響，本科生的實驗課程安排會受到諸多因素的影響，在某些院系就不可避免地出現了“理論課沒上，實驗課先上”的異?，F象。③教學空間和時間的局限性：大型儀器專用房間空間有限，不足以容納整個班級的同學同時觀摩實驗，因此在有限的教學空間和時間內，需要對本科生分組進行授課，有些實驗項目無法保證每位同學都有機會動手參與。另外，部分實驗項目需要進行樣品前期處理才能進行上機測試，如前處理過程通常需要多天、使用多種化學物質進行處理方能達到上機標準，這部分內容無法在課堂上開展，但這也是實驗過程中非?；A和重要的內容，缺失該環節不利于學生對實驗項目的系統掌握[7]。

海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺是在常規計算機上基于虛擬實驗儀器、物料等要素模擬實驗任務的，學生可以通過鼠標、鍵盤等操作實驗要素進行模擬實驗。教學平臺的使用不受傳統海洋地質專業實驗教學中時間、空間和專業設備的制約，是延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。

2 海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺建設思路

海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺的建設以立德樹人為根本任務，充分考慮現代大學生的成長特點和行為喜好，以提高學生實踐能力和創新精神為核心，以現代信息技術為依托，以海洋地質專業類急需的實驗教學信息化內容為指向，以完整的實驗教學項目為基礎[8-10]。平臺建設思路具體體現在以下幾方面。

1) 以學生為中心的實驗教學理念。平臺建設從學生實際需求出發，注重學生實踐能力的培養。海洋地質實驗技術作為海洋科學專業本科生的必修課，旨在使學生了解海洋環境與地質的研究方法，初步掌握海洋地質與環境的與實驗設計思路與方法，并對實驗研究的綜合性、復雜性和局限性有直接認識和親身體驗。海洋地質專業實驗技術的課程是培養基礎性、應用性人才重要的、不可或缺的一環，擔負著培養學生動手能力、創新能力的重任。學生安裝操作平臺后，利用虛擬仿真交互形式可以不限場地、不限時間地進行實驗模擬操作，充分調動學生學習的積極性和主動性。當學生將實驗技能與科研創新項目相融合時，能最大限度地激發學生的學習興趣和潛能，增強學生創新創造能力。

2) 準確適宜的教學內容。一方面，立足國家海洋強國戰略目標，緊密結合經濟社會發展對海洋科學高層次人才培養的需求，以問題、需求為導向，定制研發虛擬仿真內容；另一方面，為重點解決傳統海洋地質實驗教學中存在的問題——大型實驗設備數量有限，教學時間不合理，教學空間狹小，涉及高?；驑O端環境，高成本、高消耗實驗項目不易開展等，研發內容緊湊、時長合理、難度適宜的虛擬仿真實驗。

3) 靈活配置是該平臺堅持的技術理念。在平臺使用的過程當中，可以根據課程需求與實際需要增減實驗項目與實驗步驟，最大程度地提升學生對平臺應用的滿意度。

3 實驗室教學平臺建設內容

海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺包含一個虛擬操作實驗室系統和多個虛擬實驗系統，它采用視頻動畫、聲音和圖形交互等表現形式來構建虛擬仿真實驗教學內容，設計實驗任務。學生可以在常規計算機上通過鼠標、鍵盤等操作，以豐富的可操作性交互仿真模擬整個實驗操作。下面選取虛擬操作實驗室系統以及動態圖像粒度粒形分析儀、MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀兩個實驗系統對該平臺的建設內容進行介紹。

3.1 虛擬操作實驗室系統

虛擬操作實驗室系統為海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺的執行引擎，包含業務模型框架和桌面展示框架兩部分。平臺采用插件冷插拔機制，可動態橫向擴展模擬實驗、執行步驟及配套資源。 借助此擴展機制，可增容各類專業實驗。其硬件需求為常規辦公臺式計算機。 系統軟件為NETFramework4.0。主要功能包括：①展示實驗列表；②加載實驗圖文介紹；③啟動、切換實驗步驟；④軟件、多媒體結合展示實驗流程；⑤配置實驗和步驟資源。該系統的技術特點是靈活配置，可以根據課程需求與實際需要增減實驗項目與實驗步驟。

3.2 動態圖像粒度粒形分析儀CAMSIZERX2實驗系統

海洋沉積物的粒度分析是海洋地質實驗的基本項目。粒度分析的成果是闡明沉積物類型、解析物質來源與沉積動力條件的必要資料[11-15]。測量沉積物粒度的方法有很多，常用的有篩析法、沉降法和激光法等[16-20]。 近年來，德國萊馳科技(Retsch Technology)研發了動態圖像粒度粒形分析儀(CamsizerX2)，并開始在海岸沉積以及海洋地質領域得到應用[20]。該儀器采用專利數字成像系統，通過同時使用兩個具有不同放大倍數的鏡頭，可以分析較寬泛的粒徑范圍，獲取豐富準確的粒度和粒形數據。

動態圖像粒度粒形分析儀CamsizerX2實驗系統作為專業實驗系統，除了模擬實驗流程之外，還設置了儀器及操作介紹、測試任務文件設置介紹與數據處理過程介紹。模擬實驗流程包括：①模擬儀器開關；②模擬測量參數設置；③模擬進水控制；④模擬去氣泡與分散處理；⑤模擬測量流程；⑥模擬設備

圖1 海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺虛擬操作實驗室系統Fig.1 Operation laboratory system of virtual simulation experimental teaching platform for marine geology

圖2 模擬動態圖像粒度粒形分析儀CamsizerX2排水與清洗Fig.2 Performing drainage and cleaning of dynamic image particle size analyzer CamsizerX2

排水與清洗。其技術特點包括：①模擬真實設備操作；②軟件與多媒體結合展示。本實驗系統錄制了真實實驗環境下儀器超聲、排水等操作視頻，并注重儀器運行聲音的記錄，學生通過交互過程可以模擬真實設備操作和實驗流程，為后期儀器實操奠定良好基礎。

3.3 MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀實驗系統

磁化率是物質磁化性能的量度。海洋沉積物的磁化率數值變化對樣品中磁性礦物的類型、含量和磁性礦物的磁疇狀態非常敏感，包含著豐富的環境氣候信息，常作為海洋地質研究中的古氣候替代指標[21]。在實驗室中進行樣品磁化率的測量主要應用MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀。

MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀實驗系統的主要功能包括：①介紹儀器單元及操作；②模擬預熱及初始化；③模擬參數設置；④模擬校準過程；⑤模擬樣品測量過程；⑥模擬實驗數據的讀取、生成、追加；⑦模擬升降架控制。其技術特點包括：①模擬真實設備操作；②軟件與多媒體結合展示；③模擬數據與真實數據可互用。為了更加真實地模擬數據產生過程，本實驗體系收集了不同巖石類型的真實測試數據集合，在模擬的過程中，依據操作者選擇的相應樣品，以真實測試數據集為藍本，隨機生成測試數據。

圖3 MFK1-FA型卡帕橋磁化率儀實驗系統模擬數據與真實數據互用Fig.3 Calling test data of MFK1-FA kappa bridge susceptibility meter

4 實驗室教學平臺應用

2020年新冠肺炎疫情爆發，國家和地方啟動應急響應系統，采用多種措施展開防控措施，教育部以“停課不停學”的理念推動網絡課程保證了教學活動的穩步進行。實驗技術課程的學習是一門需要互動的課程，僅僅依靠視覺和聽覺進行網絡教學是無法滿足教學需求的。海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺的使用，為解決特殊形式下的專業實驗課程學習提供了新的途徑。通過平臺的使用，同學們基本熟練地掌握了測試儀器的操作過程與實驗流程，并在返校后的實操過程中得到了進一步的鍛煉。

5 結 語

海洋地質虛擬仿真實驗教學平臺將實驗測試通過視頻動畫、聲音和圖形交互等表現形式展現，不受傳統海洋地質專業實驗教學中時間、空間和專業設備的制約，建立了適應時代需求的專業實驗課教學的新模式，為解決特殊形式下的專業實驗課程學習提供了新的途徑，推動了實驗教學的改革與創新。