近海海洋生态调查虚拟仿真实验的设计与实践

2022-08-12孙际佳陈骁张晓勇于宗赫何玉慧

现代信息科技 2022年8期

孙际佳，陈骁，张晓勇，于宗赫，何玉慧

（华南农业大学海洋学院，广东广州 510642）

0 引言

近海是海洋开发、海洋经济和国防建设的核心区域。海洋科学研究涉及物理、化学、生物和地质等诸多领域，是一门综合性很强的科学。海洋生态调查是海洋科学专业学生必须掌握的基本实践技能，但是受经费和条件所困，大部分高校既没有自己的海洋科考调查船，也无力租用科考调查船。另一方面，普通的科考船舱位有限，无法承载几十上百名学生上船实习。同时，出海调查实施周期长，具有较高的危险性。因此对于大部分高校来说，海洋科学专业本科生的海洋生态调查实习活动难以开展，教学有理论而无实践，往往陷于纸上谈兵的困境。

近年来，随着3D图像技术和虚拟现实技术的发展，虚拟仿真技术已广泛应用于许多专业的实验教学，如生物类、医学类、机电类等专业，并且取得了丰硕成果。因此，我们可以利用虚拟仿真技术来模拟海洋调查的场景，复现真实的海洋调查流程，使各大高校在保证安全的情况下，以较少的经费成本实现对海洋科学专业本科生出海调查的培训，解决海洋专业学生，尤其是本科生海洋采样调查实习机会少、实习资源匮乏、实习难以深入进行、与用人单位实际要求脱钩的普遍性难题。

本文采用模块化方案进行虚拟仿真实验设计，利用Unity3D等作为开发工具开发了近海海洋生态调查虚拟仿真实验，使学生可以在虚拟仿真环境下对海洋生态调查相关知识点进行学习，丰富了教学手段，显著提高了实践教学效果和人才培养质量。

1 虚拟仿真实验设计及开发

1.1 实验设计思路

本实验设计力求做到理论与实践深度融合，让学生能将专业相关课程学习的理论知识应用到虚拟仿真实验中。实验以海洋调查规范（GB/T 12763.6—2007）为科学依据，采用虚拟技术构建高度仿真的出海调查场景。对科考船、海底场景、调查设备、调查人员、调查样本、实验室场景等进行3D建模，真实再现海洋调查的应用场景。重点突出了出海安全、调查方案设计、仪器设备操作、海洋生物识别和数据统计分析等知识点，同时通过动画展示了调查人员操作调查仪器、样品采集、分类鉴定以及最后进行数据整理的整个过程，让学生能够生动形象地掌握出海调查的关键技术。

1.2 系统总体架构

近海海洋生态调查虚拟仿真实验项目整体应用系统架构分为五个基础层级，如图1所示，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。同时，系统体系结构应分层组织，系统功能模块化，系统集成松耦合，方便业务应用的修改、重用和部署，满足系统未来弹性扩展的要求。系统五个基础层级的主要功能如图1所示。

图1 虚拟仿真实验系统架构图

1.2.1 数据层

近海海洋调查虚拟仿真实验项目涉及到多种类型虚拟实验组件及数据，本系统利用MYSQL数据库，对结构化数据和非结构化数据进行调度和存储，实现对相应数据的存放和管理。

1.2.2 业务层

业务层通过应用服务器，提供对系统应用层强大的支持，包括：数据访问、内容管理、用户管理、系统设置、题库管理、图片库管理、系统日志、实验资源管理等功能。并通过WEBSERVICE接口服务支持外部资源对内容管理基础数据以及内容管理对外部数据资源的应用数据集成。

1.2.3 应用层

应用层为虚拟实验教学环境提供重要支撑组件，按功能的不同可以分为：海底场景、图片库、海底巡游、样品分析实验、实验报告管理、理论考试、视频管理、智能指引。并通过Ajax交互，对业务层发出信息请求，实现与业务层的数据对接。

1.2.4 仿真层

仿真层主要针对该项目场景的搭建、布景、渲染、烘培，对模型的建模、贴图处理、动作展示，通过仿真分析加载器为上层提供实验结果数据的格式化输出。

1.2.5 展示层

基于底层的服务，最终实现近海海洋生态调查虚拟仿真实验项目教学与开放共享。该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可根据教学需要，利用应用层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向学生开展实验教学应用。

1.3 实验内容、操作与考核

本虚拟仿真实验共包括5个功能模板，如图2所示，分别为出海安全、游泳动物调查实验、大型底栖生物调查实验、浮游生物调查实验、微生物调查实验模块。

图2 虚拟仿真实验系统功能模块图

系统的具体操作流程如图3所示，实验操作时，学生登录虚拟仿真实验平台，认真阅读注意事项，根据课程设置进入相应的预习模块进行预习并完成课前评测，进入实验模块后可根据教学内容选择任一功能模块进行操作。系统操作时学生的交互性步骤主要有：出海安全模块中安全装备的正确穿戴；游泳动物调查模块中的拖网采样，渔获物分选，数据测量，调查表填写；大型底栖生物调查模块中的采泥器采样，样品分选，实验室称重，调查表填写；浮游生物调查模块中的浮游生物网采样，样品分选，鉴定及计数，调查表填写；微生物调查模块中采水器采样，样品收集，实验室中海水微生物的分离、培养和菌落计数，调查表填写。

图3 近海海洋生态调查虚拟仿真实验系统操作流程

本实验从“认知—实践—应用”3个层次进行考核，通过实验原理和调查流程的展示（含实验预习模式和老师讲解），考查学生对基本概念和实验原理、方法的认知情况；通过虚拟仿真实验的操作模式，考查学生对调查的基本流程和仪器设备操作的实践能力；通过考核模式（虚拟仿真实验考核成绩、实验报告完成情况进行综合评价），考查学生对实验中关键知识点的掌握情况以及对所学知识的应用情况。

1.4 实验特色

近海海洋生态调查虚拟仿真实验系统具有以下3个特点：

（1）调查流程完整：实验涵盖了出海调查的完整流程，包括技术要求和调查要素、采样、样品分析及资料整理。通过选择代表性的海洋生物及典型的采样仪器进行虚拟仿真实验，有助于学生全面了解出海调查的全过程，有利于知识的融会贯通。

（2）学习形式多样：实验包含调查采样现场操作视频、海洋生物图片库、虚拟实验操作动画等，学生可以灵活选择不同的学习方式进行预习、操作以及巩固和扩展相关知识点。

（3）科教融合一体：科教融合是本科实验改革的新趋势，本实验将教师的科考和科研成果有机整合到出海调查的实验内容中，拓展了学生的科学视野，提升了学习兴趣。

2 虚拟仿真实验教学的实施过程

在虚拟仿真实验教学过程中采用了“传统+情境+探究”的教学方法。实验前期采用传统的教学方法，由任课老师讲解近海海洋生态调查实验的目的、原理及操作流程等，布置虚拟仿真实验学习任务和具体要求，并介绍虚拟仿真系统操作方法，使学生形成清晰的实验思路，顺利开展虚拟仿真实验。虚拟实验操作过程中采用情境式的教学方法，通过实验系统中高仿真的出海调查场景、采样工具、实验室场景、实验室用具等，使学生可以身临其境地开展海洋生物调查。实验报告内容则要求学生查阅相关海洋生物调查的资料文献和调查案例，以调查某一海域的某种海洋生物为例，设计调查方案，确定调查时间、地点和方法，进行样品处理和设计分析等，通过自主探究式学习方式，引导学生巩固实验内容，理清思路，形成近海海洋生态调查知识链，并学会融会贯通，进而培养学生的创新能力和分析处理问题的能力。

3 虚拟仿真实验教学的实施成效

该虚拟仿真实验系统建成后，已在我校2018级海洋科学专业《海洋科学专业综合实习I》中进行应用。疫情期间，我们采用线上理论教学与虚拟实践相结合的实习教学方式，“线上”邀请出海调查经验丰富的专家和教授讲授海洋生物资源调查有关知识，虚拟实践则要求学生利用虚拟仿真实验系统进行出海调查模拟操作，巩固加深学生对所学理论知识的理解，熟悉出海调查的设计思路、采样工具、仪器操作、调查流程和结果分析等海洋生态调查的全过程。学生普遍反映该虚拟仿真实验系统画面生动，充分激发了学习兴趣，且实验内容设计合理，拓宽了知识体系，教学效果得到明显提升。