海洋中尺度涡虚拟仿真实验设计

张春玲，胡 松

上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306

当今社会日新月异的发展对海洋科学人才培养提出了迫切需求，“海洋观测”课程是海洋科学人才培养的重要课程。海洋的中尺度涡水平运动可以在全球范围进行热盐输送，垂向运动可以富集营养盐、叶绿素，因此其对海洋中的能量和养分起到“搬运工”的作用[1]，在海洋中扮演着重要角色，是近几十年海洋科学的重大发现之一，也是“海洋观测”课程的重要教学内容之一。

然而，中尺度涡知识点的讲授和理解一直是教学中的难点。中尺度涡是一种抽象复杂的海洋现象， 虽然其在全球海洋中普遍存在，但它的产生时间和地点都具有不确定性，而一般定点观测需要一天以上的时间才能完全了解涡旋状态，随流观测则需要更长的时间周期。另外，海洋中的观测仪器固定方法复杂、操作繁琐，完成一次海上观测需要的人力物力资源都很庞大[2]，学生往往无法在几次实习过程中完全接触到整套观测流程操作，基本依赖于课堂理论教学。因此，目前对于海洋中尺度涡现象的教学通常采用封闭灌输式理论讲授，外加有限条件下的尝试实习，这样只能使学生对中尺度涡有初步的感性认识，不利于学生深刻理解涡旋的物理特征和运动变化。利用现代信息技术，结合宝贵的科研实测数据，可以实现中尺度涡的虚拟仿真实验教学[3]，能够将海洋涡旋的特征、结构及运动以仿真场景的形式再现出来，可为学生提供模拟实验的机会，从而激发学生学习的积极性和主动性，最终达到优化教学效果的目的。

一、设计策略

1. 实验设计目标

中尺度涡虚拟仿真实验的主要设计目标是满足实验教学的需要，弥补理论教学的不足。在现代教学理论的指导下，以构建主义学习理论和情境认知理论为基础，结合海洋学科和海洋现象的特点，利用虚拟现实技术构建三维逼真的虚拟实验环境，使学生可以以自然的方式与虚拟对象进行自由的交互，更好地促进学生在模型构建的基础上，进行探索学习、协同学习，使其能够获得真实的体验。

2. 实验设计原则

在利用桌面虚拟现实技术设计中尺度涡虚拟仿真实验时需要遵循一定的设计原则：（1）科学性原则。科学性是各个学科教学及实验设计中都必须要遵循的重要原则，也是设计中尺度涡虚拟仿真实验的最根本的原则。虚拟实验教学、传统的实验教学、理论教学三者的教学目标和学科特征是一致的，不同的是教学环境与教学手段。虚拟仿真实验的内容、过程与方法要遵循科学规律，不能违背科学事实。只有这样，学生通过虚拟实验才能获得与真实实验相同的感受，才能把握学科规律，从根本上培养学生的科学素养。（2）交互性原则。交互性原则是评价虚拟仿真实验的重要指标之一。虚拟实验教学需具有良好的交互功能，以使学生能够有一定的沉浸感，并充分发挥其主观能动性，只有学生正参与到实验中进行操作，才能完成知识的意义建构并训练其操作技能。（3）开放性原则。学生是认识的主体，是知识意义的主动建构者。虚拟仿真实验要实现任何人都能突破时空的限制学习教学内容，在实验过程中构建自主学习环境，并创设学习交流空间，为学生提供可交互的、反馈及时的教学资源，进而实现协作学习。

二、主要模块与功能

1. 实验平台

中尺度涡虚拟仿真实验平台主要依托上海海洋大学大洋渔业资源持续开发教育部重点实验室、海洋科学与技术实验教学示范中心、国际海洋研究中心、上海市深渊科学工程技术研究中心、国家远洋渔业工程技术研究中心、中国远洋渔业数据中心等实体平台，遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，结合自身的优势、特色和实际，借助现代化计算机、多媒体、视频、图片、网站和物联网技术，综合运用海洋数值模型、地理信息系统、遥感及全球定位系统与数字地图等先进技术[4-5]，以海洋气象要素、海洋环境变量、海洋流场参数、空间地理信息等为基础数据，开展中尺度涡识别探测、水平演变、垂向运动等综合评估实验。

2.主要功能模块

虚拟仿真实验的主界面为海洋环流背景下，大大小小涡旋运动的动态效果，可拖动、局部放大显示涡旋情况，并附以中尺度涡的简介。共分为涡旋的观测方法、水平运动、垂向运动三个模块，可点击相应的选择按钮，进入相应模块操作。

涡旋观测方法模块可选择不同观测方式进入相应界面，移动鼠标即可局部放大展示漂流浮标、卫星扫描等观测手段，并通过问题交互方式，演示浮标观测的过程、卫星扫描的方式[6-8]。涡旋水平运动模块以涡旋运动过程进入演示，可局部放大显示某个区域涡旋的运动过程[9]，选择相应操作按钮，通过人机交互方式，自主展示涡旋运动时对应的流场或海面高度情况。并可任意选择典型区域涡旋的运动过程，聚焦到某个特定涡旋，展示涡旋的半径、周期、运动轨迹等。涡旋垂向运动模块以涡旋的垂向结构图[10]进入涡旋内部，选择相应按钮，即分层显示涡旋的水平结构，进而选择相应操作按钮，演示涡旋内部海水的升降运动，显示涡旋表面的温度、海面高度等海洋要素的分布，展示涡旋引起的叶绿素的影响、周围鱼类的活动情况[11]。

三、设计特色及教学效果

中尺度涡虚拟仿真实验采用了高度逼真的三维空间、模型设计和简洁的导航设计，此为该实验的主要特色之一。利用桌面虚拟现实技术的优势可以为中尺度涡实验教学提供重要途径，解决现阶段海洋涡旋教学所面临的各种问题，学生在学习中尺度涡基本理论知识的基础上，通过观察三维空间、立体的认知模型来获取虚拟海洋涡旋的信息，直观地学习和了解其结构、属性、水平运动及垂向演变过程，同时也有利于培养学生的空间思维能力。另外，我们对学习资源也进行了合理组织，设计了简单明了的导航栏目，并设置数个固定按钮，学生可以通过导航直接跳转到指定的固定模块，初学者也明了学习过程，按照导航指引，有步骤地进行学习，使学习资源能够最大程度上被学生有效利用，从而减少了外在的认识负荷。

中尺度涡虚拟仿真实验设计的特色之二是很好地遵循了交互性原则。虚拟仿真实验的交互设计是教学过程中的重要部分，对虚拟环境的操作控制是交互的直接表现[12]。在中尺度涡虚拟仿真实验中，我们通过视点导航交互功能的设置，设计了学生易于操作和控制的教学步骤，学生可以自由操控虚拟海洋涡旋，将其转换视角、平移、翻转，也可以在其周围漫游，等等。而且，允许学生根据个人需要、学习效果自定步调来获取信息，而不像三维动画中有预定的信息传递步调，能够更大程度上发挥学生的主体能动性，实现实验教学的最优化。另外，中尺度涡虚拟仿真实验的交互性除了学习界面的交互，还包括学习过程中知识的交互，即已有知识的巩固深化及利用已有的知识和经验分析、解决问题，形成新知识的个人内部反映过程，如实验操作、问题解决、分析、综合及评价等学习活动。知识的交互使学生能够有效获取、掌握知识，提高思维能力和动手操作的能力，在与系统交互的过程中，拓展知识理解的广度和深度，锻炼逻辑思维能力和分析解决问题的能力。

四、 结语

随着信息化的发展，虚拟仿真教学已经成为实验教学的重要手段。中尺度涡虚拟仿真实验平台主要面向海洋科学、大气科学、渔业资源学、海洋生态学、遥感科学与技术、测绘工程等专业，可承担“海洋观测”“物理海洋学”“大气科学概论”“海洋环流”“海浪原理与计算”“卫星海洋学”“海洋生物学”“海洋生态学”“渔业遥感”“渔业资源评估与管理”“地理信息系统”等课程的虚拟仿真实验教学任务，使学生掌握应用海洋中尺度涡旋模拟仿真方法、应用海洋常用仪器的操作规程，理解海洋中尺度涡的结构特征与运动过程[13]。中尺度涡虚拟仿真实验，综合运用专业模型、数据与方法，设计了可视化实验实习界面，学生可方便地利用软件系统完成模拟实习过程的每一步[14]，可方便地转化、添加海洋中尺度涡模拟有关的科研新成果。学生通过网络进行自主学习、师生讨论、自我测试 ，熟悉了海洋中尺度涡旋的概念、分类、产生原因、统计特征、运动原理、 运动过程等，对海洋的“搬运工”进行了直观深入的探秘，能较好地实现虚拟仿真实验教学目标，提高学习效果。