近海海洋生態調查虛擬仿真實驗的設計與實踐

孫際佳，陳驍，張曉勇，于宗赫，何玉慧

（華南農業大學 海洋學院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

近海是海洋開發、海洋經濟和國防建設的核心區域。海洋科學研究涉及物理、化學、生物和地質等諸多領域，是一門綜合性很強的科學。海洋生態調查是海洋科學專業學生必須掌握的基本實踐技能，但是受經費和條件所困，大部分高校既沒有自己的海洋科考調查船，也無力租用科考調查船。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，海洋科學專業本科生的海洋生態調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圖像技術和虛擬現實技術的發展，虛擬仿真技術已廣泛應用于許多專業的實驗教學，如生物類、醫學類、機電類等專業，并且取得了豐碩成果。因此，我們可以利用虛擬仿真技術來模擬海洋調查的場景，復現真實的海洋調查流程，使各大高校在保證安全的情況下，以較少的經費成本實現對海洋科學專業本科生出海調查的培訓，解決海洋專業學生，尤其是本科生海洋采樣調查實習機會少、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等作為開發工具開發了近海海洋生態調查虛擬仿真實驗，使學生可以在虛擬仿真環境下對海洋生態調查相關知識點進行學習，豐富了教學手段，顯著提高了實踐教學效果和人才培養質量。

1 虛擬仿真實驗設計及開發

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，讓學生能將專業相關課程學習的理論知識應用到虛擬仿真實驗中。實驗以海洋調查規范（GB/T 12763.6—2007）為科學依據，采用虛擬技術構建高度仿真的出海調查場景。對科考船、海底場景、調查設備、調查人員、調查樣本、實驗室場景等進行3D建模，真實再現海洋調查的應用場景。重點突出了出海安全、調查方案設計、儀器設備操作、海洋生物識別和數據統計分析等知識點，同時通過動畫展示了調查人員操作調查儀器、樣品采集、分類鑒定以及最后進行數據整理的整個過程，讓學生能夠生動形象地掌握出海調查的關鍵技術。

1.2 系統總體架構

近海海洋生態調查虛擬仿真實驗項目整體應用系統架構分為五個基礎層級，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境的構建。同時，系統體系結構應分層組織，系統功能模塊化，系統集成松耦合，方便業務應用的修改、重用和部署，滿足系統未來彈性擴展的要求。系統五個基礎層級的主要功能如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗系統架構圖

1.2.1 數據層

近海海洋調查虛擬仿真實驗項目涉及到多種類型虛擬實驗組件及數據，本系統利用MYSQL數據庫，對結構化數據和非結構化數據進行調度和存儲，實現對相應數據的存放和管理。

1.2.2 業務層

業務層通過應用服務器，提供對系統應用層強大的支持，包括：數據訪問、內容管理、用戶管理、系統設置、題庫管理、圖片庫管理、系統日志、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容管理基礎數據以及內容管理對外部數據資源的應用數據集成。

1.2.3 應用層

應用層為虛擬實驗教學環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，對業務層發出信息請求，實現與業務層的數據對接。

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果數據的格式化輸出。

1.2.5 展示層

基于底層的服務，最終實現近海海洋生態調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，最后面向學生開展實驗教學應用。

1.3 實驗內容、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、游泳動物調查實驗、大型底棲生物調查實驗、浮游生物調查實驗、微生物調查實驗模塊。

圖2 虛擬仿真實驗系統功能模塊圖

系統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教學內容選擇任一功能模塊進行操作。系統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；游泳動物調查模塊中的拖網采樣，漁獲物分選，數據測量，調查表填寫；大型底棲生物調查模塊中的采泥器采樣，樣品分選，實驗室稱重，調查表填寫；浮游生物調查模塊中的浮游生物網采樣，樣品分選，鑒定及計數，調查表填寫；微生物調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、培養和菌落計數，調查表填寫。

圖3 近海海洋生態調查虛擬仿真實驗系統操作流程

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

近海海洋生態調查虛擬仿真實驗系統具有以下3個特點：

（1）調查流程完整：實驗涵蓋了出海調查的完整流程，包括技術要求和調查要素、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：實驗包含調查采樣現場操作視頻、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查的實驗內容中，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+情境+探究”的教學方法。實驗前期采用傳統的教學方法，由任課老師講解近海海洋生態調查實驗的目的、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，通過實驗系統中高仿真的出海調查場景、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查。實驗報告內容則要求學生查閱相關海洋生物調查的資料文獻和調查案例，以調查某一海域的某種海洋生物為例，設計調查方案，確定調查時間、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容，理清思路，形成近海海洋生態調查知識鏈，并學會融會貫通，進而培養學生的創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建成后，已在我校2018級海洋科學專業《海洋科學專業綜合實習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合的實習教學方式，“線上”邀請出海調查經驗豐富的專家和教授講授海洋生物資源調查有關知識，虛擬實踐則要求學生利用虛擬仿真實驗系統進行出海調查模擬操作，鞏固加深學生對所學理論知識的理解，熟悉出海調查的設計思路、采樣工具、儀器操作、調查流程和結果分析等海洋生態調查的全過程。學生普遍反映該虛擬仿真實驗系統畫面生動，充分激發了學習興趣，且實驗內容設計合理，拓寬了知識體系，教學效果得到明顯提升。

4 結 論

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