海洋信息方向虛實結合的聲學實踐教學設計

趙 云，周鶴峰，周澤民，吳艷群

（國防科技大學 氣象海洋學院，湖南 長沙 410073）

引言

“海洋聲學”是海洋科學學科重要的專業核心課程，也是海洋科學與聲學的重要分支學科，主要研究攜有某種信息的聲波在水下的產生、傳播、接收，以及運用聲學手段對海洋和水下目標的探測。“海洋聲學”課程以海洋聲場的物理分析為側重點，系統地講述了近代以來海洋聲學研究涉及的理論、方法和重要成果，內容廣泛，理論性和實踐性均較強。因此，學生不僅要全面系統地掌握水聲探測涉及的聲學概念、理論知識和現象的物理解釋，理解典型的海洋聲學現象與分析方法，同時還要具有綜合運用海洋聲學理論知識解決實際問題的能力［1］。

海洋信息工程是近年來新增的本科專業，旨在培養學生具備利用聲、光、電、磁等信息載體，實現海洋觀測、探測和監測，以及運用多種信息載體中多類信息的獲取、傳輸和處理原理解決多學科融合和多技術集成工程問題的能力。無論是探索與研究海洋信息源機理和物理場規律、發展科學先進的認知途徑，還是研究信息挖掘處理方法與決策系統，都需要海洋聲學與其他類型信息的融合分析與處理，因此，學生需要在掌握海洋聲學專業理論知識的基礎上，通過參加系列課程實踐，鍛煉和提高動手能力與創新能力，構建研究性思維［2］。

為此，本文在梳理完善“海洋聲學”主要教學內容、設計教學方法的基礎上，結合實踐崗位需求調研結果，研究制定了滿足學生培養要求的實踐內容與環節，并依據教學內容論證了以模擬實驗平臺和虛擬仿真系統為重點的實踐教學支撐環境。

一、面向海洋工程實踐的海洋聲學理論教學內容與方法設計

（一）海洋工程實踐要求

實踐出真知。參與科技實踐活動是培養學生創新能力的重要手段［3-4］。海洋信息工程實踐的基本任務是使學生能夠綜合利用水聲探測信息、非聲探測信息以及其他信息，通過信號處理、信息融合及水下通信技術，實現對海洋環境與水下目標的觀探測、定位與跟蹤。同時，通過實踐任務，對學生前序課程掌握的利用聲、光、電磁等多種載體完成信息獲取、傳輸、處理和利用相關專業知識及技能的綜合運用能力進行檢驗。

從實踐角度考慮，學生在理論方面需要較好地理解并掌握海洋聲學基本概念理論、現象規律和水聲電磁等海洋探測、信息處理及融合基本方法與相關專業技能，理解水下探測任務對環境和目標信息保障的要求，初步具備一定的水下探測信息保障、海戰場信息融合等方面知識技能基礎與應用能力。

（二）理論教學目的、內容與方法改進

依據上述需求分析，理論部分的課程知識目標為掌握海洋聲學內涵、理想流體介質中聲場的基本規律、聲波的輻射與接收、海洋聲場的基本概念與理論方法、淺海/深海典型聲場分析等知識單元的基本概念、基本理論及基本方法。在課程思政和專業課程價值塑造方面，要培養學生愛國敬業、奮斗自強的精神風貌，以及淡泊名利、刻苦攻關的科學精神。

課堂理論講授提倡問題導向學習，通過引入水聲工程設計、聲吶設備應用等相關典型案例，采用提出現實問題、啟發分析思路、引導構建模型、討論求解算法、反思問題求解成果等手段方法引導學生完成問題發現、分析、求解、質疑的閉環過程。在“問題—理論—工程實踐”的迭代中，加深學生對專業基礎知識的理解，構建較為完備的海洋聲學專業知識結構體系。同時，鼓勵學生與學生之間開展課堂交流，引導學生多了解學科前沿和相關應用軟件，提倡密切聯系實際。最后，要改革考核方式，提高過程考核比重，采用單元測試、講座匯報等多元化考核方式，檢驗學生對知識結構的理解程度以及運用相關知識分析問題的能力。

二、課程實踐內容設計

課程實踐內容設計的基本依據包括：基本覆蓋海洋信息專業基本內涵，與高校已規劃的專業課程教學內容銜接良好，體現專業定位與研究特色，同時突出跨學科知識學習與綜合性運用，圍繞典型海上任務與案例搭建實踐內容框架，兼顧相關崗位工作的需要。另外，實踐環節包括海洋環境信息獲取、目標信息獲取、信息傳輸、信息處理和利用等。

其中，海洋環境信息獲取主要完成海洋聲學環境數據預處理、挖掘與分析，海洋聲學環境調查案例（虛擬現實教學），海洋聲學環境數據庫構建。目標信息獲取主要包括典型目標特性測試水池實驗、航空浮標聲吶硬件搭建與水池測試、水聲信道聲傳播實驗和磁探實驗。信息傳輸主要包括在信道水池開展水下激光通信、水聲通信與干擾實驗。信息處理主要包括海洋測繪數據處理、遙感數字圖像處理、主被動探測水聲信號處理、智能定位與識別、數據融合實驗等。信息利用包括制定水下環境或目標探測任務方案、水下協同任務規劃、基于過程仿真與演示的環境數據驅動攻防對抗演練，以及海洋GIS系統構建、態勢和過程繪制、復盤分析等。

三、課程實踐支撐環境

新時代教學理念著重強調實踐能力培養，海洋實踐教學是學生進行實踐鍛煉和崗位履職能力培養的關鍵環節。傳統課堂對實踐層面的教學側重于面上知識原理的講授，學生被動接收，學習積極性與主動性相對有限。特別是海上實踐條件和活動成本高昂，教學活動安全風險和作業實踐不確定性較大。所以，開展基于基本原理和理論授課的體驗式教學，通過創建接近實際的情境和機會，以虛實結合的方式呈現教學內容，使學生在親歷過程中構建知識和發展能力，是海洋設備運用和作業任務培訓的最佳途徑。以下通過海洋信息虛擬仿真系統和分布式水下探測模擬實驗平臺的說明介紹本文構建的實踐支撐環境。

（一）海洋信息虛擬仿真系統

海洋信息虛擬仿真系統由海洋環境VR設備和數據驅動水下探測過程演示系統1套兩部分組成（見圖1）。其中，水下探測過程演示系統實現關鍵海域氣象海洋數據聯動的VR體驗式協同探測過程仿真，主要包括海洋聲學環境數據庫、VR環境建模引擎、海洋聲學仿真引擎、協同探測任務過程仿真模塊等。海洋環境VR設備主要按照不同平臺和設備顯示協同探測任務的各角度信息。

圖1 海洋信息虛擬仿真系統組成

海洋信息虛擬仿真系統依據“海洋聲學”課程實踐設計任務指標和內容，以三維精細化海洋聲學環境數據庫和VR顯示技術為基礎，采用三維聲場傳播模型和主被動聲吶模型建立協同探測任務演練的海洋環境VR設備平臺。

海洋聲學環境數據庫主要以數據文件或數據庫形式保存和管理與聲吶性能預測、任務規劃及主被動探測過程仿真相關的海洋聲學環境數據，提供給環境建模引擎以支持環境數據聯動VR顯示，提供給海洋聲學仿真引擎用于計算聲吶性能和進行主被動探測水聲信號仿真。

VR環境建模引擎主要對海上協同探測過程進行環境數據聯動的VR三維視景仿真，如可考慮不同位置的場景天氣視覺效果、海面風浪視覺效果、平臺搖晃、設備漂流等。

海洋聲學仿真引擎可對不同類型分布式主動和被動水聲探測過程進行信號級仿真，可計算分布式水聲探測布設方案的探測性能，在輸入目標特性、設備參數和空間布設等信息后，能夠通過數值仿真輸出各聲吶設備的接收聲信號。

協同探測任務過程仿真模塊可對協同探測任務中的設備、布設方案和任務流程（腳本）等進行管理，主要考慮常規聲吶設備如航空反潛聲吶浮標、水聲偵測船主/被動聲吶以及UUV等。

（二）分布式水下探測模擬實驗平臺

分布式水下探測模擬實驗平臺主要基于湖上試驗環境對水下收發分置探測過程進行模擬實驗，主要由接收浮標（接收基地）、水聲發射基地、模擬目標、岸上測控中心等組成。其中，水聲發射基地可支持試驗中各類水聲信號的產生和輻射。模擬目標主要在水下提供一定目標強度的回波產生功能。各浮標具備GPS授時和時間同步功能。聲源發出的聲信號經過水聲波導傳播，在模擬目標處反射，目標回波經水聲波導傳播，被接收浮標采集獲得。試驗獲取的水聲信號數據，可后續進行相關信號處理，獲取目標定位與識別方面的相關信息，還可為基于機器學習的目標定位/識別方法研究提供樣本數據。

四、VR體驗式教學典型案例

基于所構建的海洋信息虛擬仿真系統，可結合海洋環境信息獲取、目標信息獲取、信息傳輸、信息處理和利用等場景構建VR體驗式教學單元，通過交互多感官刺激，提高學生學習的興趣與效率，增強學生對設備操作/任務執行等實踐過程的理解和動手能力。

同時，VR課程資源等信息化建設一次建成、多次使用，可通過網絡共享服務海量受眾與更多教學活動。特別是針對海洋類高成本高風險實踐，建設效費比高。下面以海洋聲學環境調查為例，介紹VR教學典型案例。海洋聲學環境調查主要對影響水聲過程的海面、水體和海底聲學特性以及海洋環境噪聲、混響等進行試驗測量。常見的調查設備有固定安裝、定點吊放、拖曳式、布放式或拋棄式等，一般包括聲源，如定深爆炸聲源、拖曳聲源、空氣槍聲源；浮（潛）標，如海洋聲學環境調查綜合浮標系統、海洋環境噪聲測量潛標；輔助設備，如海底聲學特性原位測量系統、測深儀、拋棄式溫深儀XBT、溫度鏈、CTD、聲學多普勒流速剖面儀ADCP、GPS設備等。

?。摚苏{查設備認知與海洋聲傳播調查VR案例組成如圖2所示。船標結合調查任務基本流程包括：首先，進行調查任務所用的設備認知、聲源級與背景噪聲級等基礎聲學測量；其次，開展同步海洋環境調查，如觀測作業海區海況、風、浪、洋流、水文、水深、海底地貌、底質及航船分布等，確定聲學環境參數和邊界條件；最后，開展船標結合海洋聲傳播調查。在調查過程中，航船到達測量海區，設備標定，測量環境參數；航船布放?。摚私邮账犉麝嚕缓酱醴怕曉?，沿預定航向航行，在預定距離發射信號，測量斷面上海深和聲速剖面；接收水聽器陣數據無線電回傳；進行數據處理。

圖2 ?。摚苏{查設備認知與海洋聲傳播調查VR案例組成

結語

本文依據海洋信息工程人才培養需要，結合“海洋聲學”基礎理論教學內容，提出了課程實踐內容和教學單元設計，同時開展了虛實結合課程實踐支撐環境設計，重點分析了海洋信息虛擬仿真系統和分布式水下探測模擬實驗平臺的功能組成。針對涉海實踐成本高、不確定性大等問題，海洋數據驅動的VR教學案例的建設與運用可為探索高效費比的體驗式新型教學方法提供嶄新的技術途徑。

面向海洋信息應用的“海洋聲學”課程實踐活動，對于檢驗學生本科階段專業課程學習情況、進一步提升多學科知識技能的融合水平以及創造性解決跨學科與多技術集成問題具有促進作用。相關實踐活動的參與將為學生未來適應工作崗位或進一步學習深造奠定堅實基礎。