海洋水文气象调查与观测虚拟仿真建设及思考

魏永亮 胡松 于潭 王家为

[摘 要] 现场调查和观测对于海洋科学研究来说很关键，也是海洋科学教学中不可缺少的环节，但出海费用高、观测仪器精贵等原因，限制了出海实习的实施，虚拟仿真教学则很好地弥补了此缺陷。文章以海洋调查与海洋观测实习课程为例，介绍其虚拟仿真项目建设及其思考。

[关键词] 海洋科学;海洋调查;海上实习;虚拟仿真

[基金项目] “2019年校级教师工作室：物理海洋学虚拟仿真教学工作室”（A1-2005-00-300420）及“上海海洋大学教学团队建设项目：物理海洋学虚拟仿真教学团队”资助（A1-2005-00-300281）

[作者简介] 魏永亮（1981—），男，山东潍坊人，博士，副教授，研究方向为海洋微波遥感。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）37-0087-02    [收稿日期] 2019-11-27

上海海洋大学作为国内六所“海洋大学”之一，积极响应教育部虚拟仿真课程建设，由海洋科学学院牵头，组织建设一批具有代表性的海洋科学虚拟仿真实验项目。其中物理海洋学方向包括“中尺度涡虚拟仿真实验”[1]“潮汐潮流动力过程仿真实验”[2]“大洋环流虚拟仿真实验”“海洋水文气象调查与观测实习虚拟仿真”等项目。这些项目的开发利用，将会对海洋科学专业教学和人才培养起到关键作用，通过虚实结合，提升学生学习体验，牢固掌握所学知识和技能，为以后的专业性工作打下坚实基础。

一、海洋水文气象调查与观测实习现状

“海洋水文气象调查与观测实习”设置在海洋科学本科生课程海洋观测之后，作为该课程的实践部分[3]。实习内容为常规海洋水文和气象要素的观测，包括仪器的使用和注意事项。最近几年，本实习搭乘海事局巡逻船只，在其作业路径上寻机找点实施观测，学生能够在仪器的操作步骤等方面得到一定的锻炼，但要受到限制。本校虽拥有一艘海洋渔业资源考察船，但费用太高，且学生需分批次进行实习，更增加了开支，因此不适用。一些海洋调查观测仪器本身价格昂贵，学生在使用过程中容易出现问题。此外，学生本身的安全是重中之重，出海调查增加了此种风险。

开发本实习的虚拟仿真教学软件，让学生在电脑上进行虚拟操作，一可以随时进行操作练习，二节省船只开支。等学生真正熟练操作仪器，并掌握调查注意事项后，再到海上进行实地调查观测，可以起到事半功倍的效果，同时也兼顾了虚实结合，多种教学手段提升教学效果。

二、虚拟仿真实验设计

（一）实验设计目标

海洋水文气象调查与观测实习包含常规海洋水文和气象要素的仪器观测及目测，包括海水温度、盐度、深度、采水样、实验室盐度计、透明度、水色、海流、海浪、海表面风、气压、空气干湿温度等项目。该实习的虚拟仿真实验设计目标为，通过交互式操作，让学生认识观测仪器、掌握仪器的使用步骤、读数方法、观测注意事项，并开放一定的自由度，激发学生的创新意识。

（二）实验模式与内容

实验主要分为两大模式：练习模式和考核模式，练习模式下，学生可根据界面提示，按步骤进行交互操作，过程中如果操作步骤或选择仪器错误，则都会有提示。在此模式下，学生可以反复练习，直至熟练掌握。考核模式下，则隐去所有提示信息，学生按照掌握的知识进行海洋水文气象要素的虚拟调查观测。在操作过程中，如有错误也会继续进行下去，但相应的错误会在后台记录，在考核结束后提交给教师查看，以便总结分析，同时扣除相应分数。考核结束后，显示分数，并显示操作错误或失误部分。

进入实验主界面后，在左侧是实验导航，设有出海目的及注意事项、出海备航、海洋水文调查与观测、海洋气象调查与观测等四项。出海目的及注意事项中，会向学生介绍出海调查的意义，让学生建立宏观的海洋调查概念;注意事项部分则提醒学生在上下船以及船上驻留、作业时的安全注意事项，保证学生人身安全以及仪器安全。出海备航中，会列出所有出海观测用到的仪器，包括表面温度计、直读式海流计、温盐深仪（CTD）、透明度盘、水色计、采水器、实验室盐度计、三杯风速风向表、干湿温度表、空盒气压表等，每个仪器都是根据真实大小按比例缩小的。点击每个仪器的图像，会弹出仪器的介绍和分解结构，让学生能够了解到该仪器的作用。每介绍完一种仪器，就会被收到工具包中备用。

在海洋水文调查与观测中，包括海水温度、盐度、深度观测，透明度和水色观测、海流观测以及海浪观测项目。其中，海水温度观测用到的仪器分别有CTD和表面温度计，海水盐度观测用到的仪器分别有CTD、采水器和实验室盐度计。本部分内容按照观测项目展开介绍。对于每一个观测项目，首先会有一个选择题，提问该观测项目用到什么仪器。然后要从工具包中选择正确的仪器设备，选择错误则会提示。接着介绍其需要的仪器操作步骤、读数、观测注意事项以及观测完成后，仪器设备的处理。

以海水温盐深观测为例，首先界面弹出一个选择题，内容为可以用什么仪器同时观测海水的温度、盐度和深度？正确选择CTD后，继续下一步，即从工具包中取出CTD以及观测结束后清洗的淡水瓶。按照提示用绳索拴好CTD，下端挂好重锤，然后正确选择CTD的观测模式，待其屏幕显示符合提示内容后，放入水中进行观测，同时根据电脑屏幕下方的提示信息和注意事项进行操作。CTD在设置好之后就开始测量，因此在其在海洋中下放和上升过程中，都会有测量数据。CTD收回后，可以浏览数据，查看刚才的测量是否有效，如没有问题，则在用淡水清洗后晾干，以备下次使用。实验环节完整地展示了上述內容，让学生很容易就可以掌握其要点，而又避免出现仪器掉落海中等危险。

三、实验特色

海洋水文气象调查与观测实习，包含了大部分常规要素的观测，既有仪器测量也有目测内容。在虚拟仿真教学软件中，能够对海洋要素的观测有一个宏观的把控。之后再到船上真正实习时，学生会自然想到应该注意的安全事项以及观测仪器的操作步骤和注意事项。

本虚拟仿真实验与所有的虚拟仿真实验相同，在电脑上操作，不受实际物理空间、时间和实验环境的限制。此外，本实习为调查与观测，要求学生动手操作，转换到电脑中同样具有很强的可操作性，且注重交互式操作。并且每一步骤前后连贯，图像和文字表述清楚，通过此种方式，让学生掌握基本知识和基本技能，同时拓展学生动手能力、分析解决问题能力等。

四、对本虚拟仿真实验项目的思考

海洋水文气象调查与观测实习涉及到的知识点和仪器操作比较多，是一个相对综合的海洋科学专业物理海洋方向的实习课程。本虚拟仿真实验的设计应在广度和深度上都有体现，目前来看，广度基本符合要求，但深度方面尚有所欠缺。学生通过系统化的学习，能够掌握海洋水文气象調查与观测技能，但实际操作过程中会出现各种各样的问题。因此需要给虚拟实验设计更高的自由度，要让学生在操作中遇到各种不同的问题，设置各种困难，才能激发学生学习兴趣，培养学生钻研问题解决问题的能力。

此外，将现实实习虚拟化过程中，会遇到实际细节太多、要求太高而导致虚拟无法满足的问题。教师脑海中有一个实验脚本，而虚拟工程师也有自己理解的脚本，两者经常会出现不一致。这是由于教师不懂技术而工程师不懂专业造成的，因此双方要有经常性的、及时有效的沟通。

虚拟仿真实验，其作用是对传统教学的一个补充。对于本实习而言，教师如果面对面将上述观测项目的仪器操作、目测步骤和注意事项讲一遍，需要花费一个多小时时间，短时间内重复的可能性不大，还不能保证所有的学生都能听懂、会操作。教师讲完后，让学生进行操作，却还是出现各种问题。虚拟仿真实验在这方面完全可以弥补上述问题。

五、结语

随着国家的大力推广，虚拟仿真软件和硬件水平的提高，虚拟仿真教学在传统教学中的作用会越来越明显。本着“能实不虚、虚实结合”的原则，将海洋水文气象调查与观测实习进行了虚拟化，避免现实因素的限制，解除时空枷锁，让学生经常训练成为可能。通过问答、提示、操作考核等多种形式，力求使学生掌握更多的知识和技能，同时培养学生的宏观视野，初步具备设计整个调查项目的能力。

参考文献

[1]张春玲，胡松.海洋中尺度涡虚拟仿真实验设计[J].中国地质教育，2019（2）：100-102.

[2]刘浩，胡松.潮汐潮流动力过程仿真实验教学研究[J].智库时代，2019（23）：161+169.

[3]魏永亮，胡松，于潭.《海洋调查方法》实习课程建设与思考[J].时代教育，2016（13）：41-42.