海底地形地貌探測虛擬仿真實驗設計與構建

程 飛，陳 剛，肖 軍

（中國地質大學（武漢）海洋學院 湖北 武漢 430074）

1 建設虛擬仿真實驗的必要性

建設海洋強國，是中國特色社會主義事業的重要組成部分。習近平總書記在黨的十八大報告中提出：“提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。”探索認知海洋是開發利用和保護海洋的先決條件。人類對海洋的探索永無止境，只有全面、準確、深刻地了解海洋，掌握海洋的運動規律，才能為建設海洋強國提供有力的科學依據。認識和了解海洋，一方面是要強化海洋科學研究，另一方面是要強化海洋專門人才的培養。為此，中國地質大學（武漢）積極響應國家關于建設“海洋強國”和“21 世紀海上絲綢之路”的戰略部署，于2016 年8 月正式組建海洋學院，培養具備地質學基本理論和基本技能，掌握海洋地質探測技術與研究方法，能在海洋地質學研究、海洋資源勘探開發及海洋工程等領域從事相關工作的科研技術人才[1]。

眾所周知，海洋科學是一門理工結合的學科，其實踐性強，必須多觀測、多上船、多實踐[2]。依據教育部辦學指標規定，海洋科學類專業需具備提供學生開展海上或野外實習的條件。同時，根據新一輪教學計劃要求，在原來實踐課程的基礎上，增加專業實踐環節，包括增加“海洋測量學”“海洋調查與技術方法”“海洋地球物理勘探”等核心課程的實驗實踐。這些課程實踐性強，對實踐教學要求高，學生只有通過親身參與實驗才能真正了解海洋地質探測的魅力。

然而，海洋科學類專業實踐存在實踐成本高、實踐周期長等特點。首先，學生實習一般需要在海上進行，需要調查船作為實踐載體，同時學生實驗的時候需要往返學校和碼頭，同時船只的船時費較高，少則十余萬，多則幾十萬，造成該實體實驗成本較高；其次，調查船為綜合性調查船，船上集成各類調查設備，船體空間有限，大量學生實踐必須分批次、長時間地進行，導致實體實踐周期長；再次，調查船在海上進行探測實驗時，可能會遇到不良海況，操作各類調查設備時風險增加，開展各類探測實驗具有很大危險性[3-4]。

因此，依托虛擬仿真技術開展海底地形地貌探測虛擬仿真實驗教學，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性、提升學生的實踐能力，是提高相關課程教學水平的必然舉措[5-7]。

2 海底地形地貌探測虛擬仿真實驗設計

海底地形地貌探測虛擬仿真實驗系統以真實海洋地震探測過程為原型，采用虛實結合、3D 實景再現的實驗實踐教學方法，以人機交互的模式認識調查船的結構、船艙組成、各實驗室功能，以及海底地形和地貌探測的基本原理、探測設備、探測流程等。教師除采用文字的實驗指導書進行課堂講授外，還配有相應的電子教案與操作演示視頻，能讓學生在實驗過程中體驗生產實踐，培養學生的實踐能力和解決實際問題的能力。

虛擬系統中真實還原科考船的外觀及內部結構，設備的外觀、功能及操作，可在虛擬的海洋環境中對所有設備進行安裝、操作并采集數據。在實驗內容中，依次展示海洋調查船的結構與功能、海洋地形探測、海洋地貌探測等內容，串聯了“海洋測量學”“海洋調查與技術方法”“海洋地球物理勘探”等課程中相關章節的知識，讓學生對海洋地質探測過程中海洋調查船操作、海底地形探測、海底地貌探測等操作中靈活應用各種知識技能，并針對關鍵知識點和難點設置人機交互環節對學生的知識掌握程度進行考查。

2.1 實驗教學目標

虛擬仿真實驗教學目標分為知識目標和能力目標。知識目標包括：①掌握海洋調查船內部的結構、組成單元、功能分區；②掌握海洋調查船甲板單元的功能分區，并掌握各個功能的基本操作；③掌握多波束測深設備的組成、組裝和參數設置；④掌握使用多波束設備進行海底地形測量；⑤掌握側掃聲吶設備的組成、組裝和參數設置；⑥掌握使用側掃聲吶設備進行海底地貌類型測量。能力目標為通過操作任務，培養學生對海洋探測與沉積過程中海底地形和海底地貌探測過程的認識和操作技能的掌握；通過操作過程以及分析，提高學生處理實際問題的能力；學習之后，學生應具備操作海洋地質探測設備的能力，并能夠進行探測方案設計、結果分析以及實驗報告的撰寫，進而具備開展海洋科學研究和創新實踐的能力。

2.2 實驗教學內容

實驗教學設置為2 個學時，包括海洋調查船虛擬仿真實驗、海底地形探測虛擬仿真實驗、海底地貌探測虛擬仿真實驗3 個內容。實驗內容主要面向掌握海洋科學專業基本知識的海洋科學類專業大二及以上本科生。

實驗時，學生在虛擬仿真平臺中可以查看和漫游整個調查船，查看各個功能區，并進行基本的操作；對于多波束調查設備和側掃聲吶調查設備，分別進行模擬組裝和模擬探測，從而使學生能夠高效地完成實驗。

2.3 實驗教學過程

根據設計，整個實驗教學過程分為五個步驟，分別為：①利用教學引導視頻，使學生熟悉軟件的功能模塊和使用方法。②學生利用虛擬仿真軟件開始實驗，包括：a.學習每部分實驗內容相關的補充知識；b.學習和認識調查船的內部組成、外部甲板單元組合和功能、調查船的虛擬駕駛；c.學習和組裝多波束設備，并進行海底地形測量；d.學習和組裝側掃聲吶設備，并進行海底底質測量。③教師查看后臺數據，實時了解學生的實驗情況。④教師查看后臺實驗評分，分析失分原因并總結。⑤學生和教師一起進行新的交流。

學生在自己進行實驗時，每個交互性步驟均會給出相應的解釋說明，學生可通過交互性步驟的反復操作嘗試各種選擇，體會不同操作對實驗結果可能造成的影響，充分理解相關實驗步驟的原理和技術要領。

2.4 實驗教學考核

虛擬仿真系統設有考核模式，此模式下，系統自動根據學生的選擇結果進行考核評分以檢測其對知識的掌握程度。根據整體得分和每個模塊的得分，可以分析學生對整體實驗和相應模塊知識的掌握程度，以便有針對性地進行查漏補缺。實驗結束后要求學生撰寫實驗報告，并提出實驗建議。

虛擬仿真實驗采用多層次和多方式對學生實驗效果進行評價，通過15 個考核點的細化評價，全面考查學生對知識點的把控能力，同時推動理論教學與實驗設計互促優化。

3 海底地形地貌探測虛擬仿真實驗的構建

虛擬仿真實驗以海洋地質探測過程中的海底地形探測和海底地貌探測為基礎，構建相關實驗項目。利用3DMax 構建三維模型，使用Maya 制作三維動畫，結合ZBrush對三維模型進行細節雕刻，使用Unity3D作為開發引擎來構建虛擬的海洋環境與海洋探測過程。

3.1 海洋調查船虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗以調查船的結構組成和基本操作為切入點，以海洋實際調查中的應用實例為基礎設計實驗項目。通過在模擬實驗場景中進行海洋調查船的內部結構觀察和認識，調查船甲板單位設備組成和功能認識，設備的虛擬操作，既幫助學生認識調查船和相關調查設備，也使學生掌握基本的船只操作，如圖1 所示。

圖1 海洋調查船虛擬仿真

3.2 海底地形探測虛擬仿真實驗

多波束測深儀的運行原理是通過發射多束聲波來對目標物體進行測量。海底地形探測虛擬仿真實驗包括原理講解，以便學生理解多波束測深原理、特點，包括波束形成、波束性能指標，以及多波束系統設備組成并找尋、設備連接、設備調試、軟件設置和調試以及出海航行并進行海底地形數據模擬采集，如圖2 所示。

圖2 海底地形探測虛擬仿真

3.3 海底地貌探測虛擬仿真實驗

海底地貌探測虛擬仿真主要是針對側掃聲吶進行仿真，側掃聲吶是利用回聲測深原理探測海底地貌的設備，仿真實驗同樣包括側掃聲吶測深原理（包括波束形成、波束性能指標）、側掃聲吶系統設備組成并找尋、系統設備連接、設備調試、設備軟件設置和調試以及出海航行并進行海底地形數據模擬采集，如圖3 所示。

圖3 海底地貌探測虛擬仿真

4 結語

針對海洋地質探測采用調查船進行實驗時存在成本高、周期長、危險性大等問題，項目在實驗教學過程中，采用自主式學習、互動式教學方法，體現了以學生為中心的實驗教學理念，促使學生理論聯系實際，提高學生的科研系統思維能力。通過自主式學習和互動式教學方法，讓學生親身參與海洋地質調查實驗，改變傳統教學中“重理論講授、輕實踐”的不足。采用問題探究式教學方法允許學生對不同的設置進行多次反復實驗，進而獲得最適合的采集參數，達到最優的探測結果。最終采用課堂教學—虛擬仿真實驗—校內水域探測實踐—海洋實踐的多層次遞進的教學方法，使學生能夠真實地感受到海底地形地貌的變化、海底沉積物的沉積過程和堆積形態，提高學生對上述課程的理解和認識。

本實驗主要是針對海洋探測與沉積過程的第一步，即認識海洋地質調查船和獲取基礎的海底地形和地貌數據，為后期的教學做鋪墊。