基于虚实结合的水声技术实验课程体系建设与实践

田 野 张淑娟 殷敬伟

1.哈尔滨工程大学水声工程国家级实验教学示范中心 黑龙江哈尔滨 150001

2.哈尔滨工程大学水声工程学院 黑龙江哈尔滨 150001

传统的水声学原理、声纳技术、水下声信道等水声技术实验课程，多数在实验水池完成，实验室提供固定的场地以及专用仪器设备，学生能够真实地操作各种仪器、记录数据、分析问题、排除故障、理论与实践相结合，从而加深对理论知识的理解。但是声纳设备是利用声波进行水下通信、探测的船舶电子设备之一，为船舶安全航行和信息获取提供保障，是船舶电子工程的重要组成部分。仅靠水池实验，无法动态展示声纳工作过程和性能，更无法深入理解声纳与环境间的博弈关系。随着电子技术的进步，虚拟仿真技术应运而生，通过对虚拟海洋环境中的虚拟声纳设备的探测性能进行仿真实验，为水声工程专业的师生提供了水中目标、复杂环境、声纳系统相结合的实验教学平台，全景、动态地反映目标、海洋与声纳的相互作用关系。

尽管虚拟仿真技术从一定程度上满足了学生在真实海洋环境下进行实验的需要，也在学生能力培养中发挥了重要作用，但其缺乏真实性和交互性[1]。虚拟仿真实验和传统真实实验各有优势，在实验教学中，充分利用虚拟实验和真实实验的各自优势，虚实结合，优势互补；一方面有效提高专业实验课程建设的系统性和完备性；另一方面培养学生掌握水声技术研究所必需的基本技能和基本理论，进而形成声纳研究的科学思维模式和良好科研习惯，从而培养学生的实验观察能力和运用实验手段学习水声技术相关基本理论以及解决水声实际问题的能力。对提高学生从事科研、创新和实际工作的能力具有重要意义。

1 搭建虚实结合的实验教学平台

笔记本电脑已成为现代学生必备的学习工具，学生通过利用Multisim，MatLab，Altium Designer，ANSYS等软件，直接进行电路仿真、信号处理等工作，仿真通过的实验项目，可申请到实验室进行电路的搭建、测试等具体工作，这样既能节约实验时间，又能从理论上分析实验误差。实验中心的所有实验平台，全部实行网络化预约管理，专人负责仪器设备的准备及验收，确保每个实验台长期处于最佳工作状态，随时可以为学生开放使用[2]。

实验室硬件平台建设包括测试仪器设备的建设及软件仿真实验室的建设，硬件电路实验室主要用于电类实验课程的教学活动，声学类实验课程主要采用虚拟仿真平台进行教学。图1为实验中心自行开发的虚拟仿真实验教学管理平台，主要用于实验室环境无法完成的一些实验项目，如声线传播、螺旋桨噪声、传播损失测试等实验项目。

图1 开放式虚拟仿真实验教学管理平台

利用上述实验平台，学生可以完成复杂海洋环境中声纳探测性能的各种分析结果。通过实验结论，与理论计算结果进行对比，学生能够更加直观地理解一些声学理论。基于中心开发的虚拟仿真实验教学平台，学生可以在任何时间、任何地点完成相关的实验课程，解决做什么、怎么做以及为什么等问题，再以此经验指导实物制作与测试。虚拟仿真实验平台的合理使用，成为学生学习、巩固、掌握知识的有效手段，使学生完成了从被动学习到主动学习的转化，促进了教学形式的优化，提升了实验教学的质量。

2 建立虚实结合的水声技术实验课程体系

着眼于水声工程专业一流学科人才培养，服务于水声工程学科特色教学需求，依托水声工程国家级实验教学示范中心现有的软、硬件实验教学平台，遵循课程建设与人才培养目标相结合、教学与科研相结合、理论教学与实验教学相结合的原则，构建以培养学生实践能力、创新能力为主线，建立基础验证性、综合设计性、创新研究性的虚实结合的实验实践创新教学体系[3-5]。电学类实验课程继续以实物实验为主，与EDA仿真实验交替进行。声学类实验以虚拟仿真实验为主，水池实验为辅，充分发挥虚拟仿真实验的优势。虚实结合的实验实践创新教学体系如图2所示。

图2 虚实结合的实验实践创新教学体系框图

2.1 基础验证性实验项目

以水声工程专业教学大纲规定的必须掌握的理论知识为基础，选择和设计相关的实验项目和方案，结合实体实验室和虚拟仿真实验教学平台，模拟仿真真实海洋环境，训练学生的基本实验技能，加强学生对理论基础知识的理解和认知。受水声工程专业特殊性的限制，常见的声学现象难以全部在实体实验室完成实现，如声线弯曲实验测试，如果没有虚拟仿真平台的介入，学生对声线弯曲特性的认知只能停留在理论公式的层面。虚拟仿真实验教学平台的出现可以弥补这一缺陷，通过相关软件的设计开发，模拟海洋真实环境，利用计算机技术完成整个海洋环境的直观显示，加深学生对理论公式的理解与应用。

2.2 综合设计性实验项目

综合设计性实验项目是将各种相关的基础知识和技术联合起来，设计更具深度和广度的实验课题。在声纳系统的工作中，涉及换能器指标与后续电路系统的匹配、显控存储系统与滤波放大电路的配合等一系列综合知识和技术，为培养具备宏观系统概念的水声技术人才、对学生开展大型综合设计性实验是很有必要的。换能器技术、模拟电路实验室、数字电路实验室、仿真实验室联合开设大型综合设计性实验，内容涵盖声纳换能器设计、接收机设计与制作、信号处理及存储等相关的理论及实践知识。传统的实体实验室只能提供简单的测试设备，不具备系统仿真预测的能力，只能进行单一种类的实验项目。目前借助虚实结合的实验教学平台，可以开设综合多学科的大型综合设计性的实验项目。

2.3 创新研究性实验项目

创新研究性实验项目是指在教师的指导下，学生自拟实验题目，提出实验思路和实验方案，并进行自主实验，在研究方法、实验手段或应用领域等方面具备一定的创新性。实验中心本着以学生为中心的实验教学指导思想和工作态度，开放实体实验室和虚拟实验教学平台资源，锻炼和提高学生对实际问题的分析、解决以及创新设计能力。课程设计、电子科创设计等研讨型实验课程，全部实验项目均设计为创新研究性题目。借助虚拟仿真平台进行设计及参数确定，学生可以自行安排实验内容和进度，分配充足的时间对实验现象和数据进行仔细的观测和分析。因此，实验室的软、硬件条件得以更充分地利用，促使学生在工程设计中的设计思路更宽阔、更发散、更具有创新性。而在处理复杂的系统问题上则更严谨、更具有逻辑性，保障了创新研究性实验的教学效果。

3 结语

根据水声工程专业开设的系列专业课程的实验，经过多年的实践和理论探索，在实验中心的教师、学生之间形成的开放互动式的教学模式，虚拟实验平台和实体实验教学资源有机融合，形成了虚实结合的实验课程体系，培养了一批专业基础知识扎实、创新精神和实践能力强的高素质人才，提升了我院学生在就业、读研以及未来职业发展等方面的潜力。