海洋地质虚拟仿真实验教学平台设计及其应用

时美楠，房 强，李 琰

(中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083)

立足于国家海洋强国战略目标，紧密结合经济社会发展对海洋科学高层次人才培养的需求，海洋地质与环境实验技术作为海洋科学专业本科生的必修课，旨在使学生了解海洋环境与地质的研究方法，初步掌握海洋地质与环境的实验设计思路与方法，并对实验研究的综合性、复杂性和局限性有直接认识和亲身体验。海洋地质专业实验技术的课程是培养基础性、应用性人才重要的、不可或缺的一环，担负着培养学生动手能力、创新能力的重任。开展海洋地质虚拟仿真实验教学平台的建设，是在信息化时代背景下对传统实验教学的改进和发展，也是高等教育信息化建设的重要内容[1-5]。

1 海洋地质专业实验教学现状

海洋地质实验是专业性较强的实验技术，其涉及的测试仪器往往属于大型贵重精密仪器，这类仪器设备的特点是价格昂贵、体积较大、需要占用专用房间、维护复杂且运行成本高。高校基本没有能力为本科生的教学单独配置此类仪器，因此涉及这类仪器的分析实验课一般都由相关分析测试中心(平台)提供仪器[6]，这就造成了海洋地质专业实验教学在实施的过程中存在以下方面的问题。①仪器数量有限：大型仪器台(套)数不足以满足多人同时操作，实验教学效率低，学生参与感不强。②仪器管理模式的缺陷：分析测试中心(平台)一般属于与院系平行的校内二级单位，具有独立的运行机制与管理体系，承担本科生教学任务就会基于其自身运行基础规则。因此，受仪器管理模式的影响，本科生的实验课程安排会受到诸多因素的影响，在某些院系就不可避免地出现了“理论课没上，实验课先上”的异常现象。③教学空间和时间的局限性：大型仪器专用房间空间有限，不足以容纳整个班级的同学同时观摩实验，因此在有限的教学空间和时间内，需要对本科生分组进行授课，有些实验项目无法保证每位同学都有机会动手参与。另外，部分实验项目需要进行样品前期处理才能进行上机测试，如前处理过程通常需要多天、使用多种化学物质进行处理方能达到上机标准，这部分内容无法在课堂上开展，但这也是实验过程中非常基础和重要的内容，缺失该环节不利于学生对实验项目的系统掌握[7]。

海洋地质虚拟仿真实验教学平台是在常规计算机上基于虚拟实验仪器、物料等要素模拟实验任务的，学生可以通过鼠标、键盘等操作实验要素进行模拟实验。教学平台的使用不受传统海洋地质专业实验教学中时间、空间和专业设备的制约，是延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。

2 海洋地质虚拟仿真实验教学平台建设思路

海洋地质虚拟仿真实验教学平台的建设以立德树人为根本任务，充分考虑现代大学生的成长特点和行为喜好，以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，以海洋地质专业类急需的实验教学信息化内容为指向，以完整的实验教学项目为基础[8-10]。平台建设思路具体体现在以下几方面。

1) 以学生为中心的实验教学理念。平台建设从学生实际需求出发，注重学生实践能力的培养。海洋地质实验技术作为海洋科学专业本科生的必修课，旨在使学生了解海洋环境与地质的研究方法，初步掌握海洋地质与环境的与实验设计思路与方法，并对实验研究的综合性、复杂性和局限性有直接认识和亲身体验。海洋地质专业实验技术的课程是培养基础性、应用性人才重要的、不可或缺的一环，担负着培养学生动手能力、创新能力的重任。学生安装操作平台后，利用虚拟仿真交互形式可以不限场地、不限时间地进行实验模拟操作，充分调动学生学习的积极性和主动性。当学生将实验技能与科研创新项目相融合时，能最大限度地激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力。

2) 准确适宜的教学内容。一方面，立足国家海洋强国战略目标，紧密结合经济社会发展对海洋科学高层次人才培养的需求，以问题、需求为导向，定制研发虚拟仿真内容；另一方面，为重点解决传统海洋地质实验教学中存在的问题——大型实验设备数量有限，教学时间不合理，教学空间狭小，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗实验项目不易开展等，研发内容紧凑、时长合理、难度适宜的虚拟仿真实验。

3) 灵活配置是该平台坚持的技术理念。在平台使用的过程当中，可以根据课程需求与实际需要增减实验项目与实验步骤，最大程度地提升学生对平台应用的满意度。

3 实验室教学平台建设内容

海洋地质虚拟仿真实验教学平台包含一个虚拟操作实验室系统和多个虚拟实验系统，它采用视频动画、声音和图形交互等表现形式来构建虚拟仿真实验教学内容，设计实验任务。学生可以在常规计算机上通过鼠标、键盘等操作，以丰富的可操作性交互仿真模拟整个实验操作。下面选取虚拟操作实验室系统以及动态图像粒度粒形分析仪、MFK1-FA型卡帕桥磁化率仪两个实验系统对该平台的建设内容进行介绍。

3.1 虚拟操作实验室系统

虚拟操作实验室系统为海洋地质虚拟仿真实验教学平台的执行引擎，包含业务模型框架和桌面展示框架两部分。平台采用插件冷插拔机制，可动态横向扩展模拟实验、执行步骤及配套资源。 借助此扩展机制，可增容各类专业实验。其硬件需求为常规办公台式计算机。 系统软件为NETFramework4.0。主要功能包括：①展示实验列表；②加载实验图文介绍；③启动、切换实验步骤；④软件、多媒体结合展示实验流程；⑤配置实验和步骤资源。该系统的技术特点是灵活配置，可以根据课程需求与实际需要增减实验项目与实验步骤。

3.2 动态图像粒度粒形分析仪CAMSIZERX2实验系统

海洋沉积物的粒度分析是海洋地质实验的基本项目。粒度分析的成果是阐明沉积物类型、解析物质来源与沉积动力条件的必要资料[11-15]。测量沉积物粒度的方法有很多，常用的有筛析法、沉降法和激光法等[16-20]。 近年来，德国莱驰科技(Retsch Technology)研发了动态图像粒度粒形分析仪(CamsizerX2)，并开始在海岸沉积以及海洋地质领域得到应用[20]。该仪器采用专利数字成像系统，通过同时使用两个具有不同放大倍数的镜头，可以分析较宽泛的粒径范围，获取丰富准确的粒度和粒形数据。

动态图像粒度粒形分析仪CamsizerX2实验系统作为专业实验系统，除了模拟实验流程之外，还设置了仪器及操作介绍、测试任务文件设置介绍与数据处理过程介绍。模拟实验流程包括：①模拟仪器开关；②模拟测量参数设置；③模拟进水控制；④模拟去气泡与分散处理；⑤模拟测量流程；⑥模拟设备

图1 海洋地质虚拟仿真实验教学平台虚拟操作实验室系统Fig.1 Operation laboratory system of virtual simulation experimental teaching platform for marine geology

图2 模拟动态图像粒度粒形分析仪CamsizerX2排水与清洗Fig.2 Performing drainage and cleaning of dynamic image particle size analyzer CamsizerX2

排水与清洗。其技术特点包括：①模拟真实设备操作；②软件与多媒体结合展示。本实验系统录制了真实实验环境下仪器超声、排水等操作视频，并注重仪器运行声音的记录，学生通过交互过程可以模拟真实设备操作和实验流程，为后期仪器实操奠定良好基础。

3.3 MFK1-FA型卡帕桥磁化率仪实验系统

磁化率是物质磁化性能的量度。海洋沉积物的磁化率数值变化对样品中磁性矿物的类型、含量和磁性矿物的磁畴状态非常敏感，包含着丰富的环境气候信息，常作为海洋地质研究中的古气候替代指标[21]。在实验室中进行样品磁化率的测量主要应用MFK1-FA型卡帕桥磁化率仪。

MFK1-FA型卡帕桥磁化率仪实验系统的主要功能包括：①介绍仪器单元及操作；②模拟预热及初始化；③模拟参数设置；④模拟校准过程；⑤模拟样品测量过程；⑥模拟实验数据的读取、生成、追加；⑦模拟升降架控制。其技术特点包括：①模拟真实设备操作；②软件与多媒体结合展示；③模拟数据与真实数据可互用。为了更加真实地模拟数据产生过程，本实验体系收集了不同岩石类型的真实测试数据集合，在模拟的过程中，依据操作者选择的相应样品，以真实测试数据集为蓝本，随机生成测试数据。

图3 MFK1-FA型卡帕桥磁化率仪实验系统模拟数据与真实数据互用Fig.3 Calling test data of MFK1-FA kappa bridge susceptibility meter

4 实验室教学平台应用

2020年新冠肺炎疫情爆发，国家和地方启动应急响应系统，采用多种措施展开防控措施，教育部以“停课不停学”的理念推动网络课程保证了教学活动的稳步进行。实验技术课程的学习是一门需要互动的课程，仅仅依靠视觉和听觉进行网络教学是无法满足教学需求的。海洋地质虚拟仿真实验教学平台的使用，为解决特殊形式下的专业实验课程学习提供了新的途径。通过平台的使用，同学们基本熟练地掌握了测试仪器的操作过程与实验流程，并在返校后的实操过程中得到了进一步的锻炼。

5 结 语

海洋地质虚拟仿真实验教学平台将实验测试通过视频动画、声音和图形交互等表现形式展现，不受传统海洋地质专业实验教学中时间、空间和专业设备的制约，建立了适应时代需求的专业实验课教学的新模式，为解决特殊形式下的专业实验课程学习提供了新的途径，推动了实验教学的改革与创新。