波浪运动特性虚拟仿真实验的探索与实践

沈 超， 付小莉， 李卫超

（同济大学a.水利工程系；b.地下建筑与工程系，上海200092）

0 引 言

1 建设目标

波浪是海洋中最常见的现象，是岸滩演变、海港和海岸工程重要的动力因素和作用力［1］。了解波浪运动的特性是研究近岸泥沙运动和岸滩演变的基础，对港口选址规划、港口建筑物设计乃至桥梁［2］和海上风电设计［3］等均有着重要意义。因此，学习波浪运动相关知识是港航专业学生的主要任务之一，也是土木工程相关专业同学需了解的重要内容。我校港航专业特将波浪运动特性实验设立在其专业核心课程中，以期达到夯实专业基础，启发专业探索性思维的作用。但经过在教学中的实践和研究发现，目前该实验教学过程仍存在诸多问题：①理论教学和实验教学衔接不够紧密，实验过程可能涉及多方面专业知识，学生无法及时有效回顾；②实验所用的波流水槽设备为大型仪器，实验中学生共用一套设备，受场地和时间的限制，学生无法全过程操作和观察；③专业知识与工程实践和应用间无法有机结合，学生难以真正达到学有所用。实际上，以上问题也广泛存在于类似的工科实验教学中［4-5］。

基于以上分析可知，当前的波浪运动特性实验教学亟待改革和转型。教育部在《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅［2017］4号）中明确指出，要深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，开展虚拟仿真实验教学项目建设工作［6］。通过对波浪运动特性实验进行虚拟仿真建设，不仅可做到将理论教学、基础实验和工程应用有机融合，更可实现因受线下实验规模、周期和成本等限制无法开展的实验项目，此外灵活丰富的线上教学方法在“双一流”建设的人才培养方面也更具优势［7］。

大学生的创造性发展是在掌握扎实、充分的基础知识基础上，通过实践得以真正实现的［8］。而实验教学是本科教学中重要的实践环节，既有将基础知识融会和运用的责任，更有承载着教学环节向工程应用精准过渡的使命。在此认知的基础上，港航专业实验教学团队，在日常教学中通过不断地积累和研究［9-10］，借助先进的信息技术对波浪运动特性实验进行全新的教学设计，建设了波浪运动特性虚拟仿真实验系统。该系统主要包含① 水槽实验部分将传统波浪运动特性实验内容进行了全面优化，并扩充了认知学习和港口实验两大部分。通过深入挖掘实验内涵和相关的理论背景知识，在系统中将实验所涉及的知识点集中整合，使理论知识与波浪运动特性实验内容环环相扣；②在与线下对应的波浪运动特性水槽实验中，一比一还原实验室场景和仪器，并对线下做不到、观察不到的实验现象进行补充，进一步夯实理论基础并建立港航专业实验思路；③在港口实验部分，真实模拟国内某港口的陆域和水域等场景，对港区波浪进行定性定量的分析和讨论，使专业知识和水槽实验两部分内容在具体工程中得以有机融合并应用。3大部分内容形成认知-探究-实践层层递进的教学模式，打破了传统实验教学的时间和空间壁垒，对其进行了重新教学定位，使之适应新时代教学和人才培养的需求。

2 系统设计

2.1 主要内容设计

本虚拟仿真实验共建设有实验简介、认知学习、水槽实验、港口实验和实验报告5大模块，系统构架见图1。

图1 波浪运动特性虚拟仿真实验系统构架图

（1）进入实验系统后首先是系统简介视频，让学生对实验意义、实验内容和系统构建有整体的认识，启发学生探索实验的好奇心。登录后首先进入实验简介模块（见图2），本模块中学生可快速熟悉实验背景，了解实验目的、实验原理、实验步骤及线下实验室环境，为进行波浪运动特性虚拟仿真实验做好准备。

图2 实验简介模块部分内容

（2）认知学习模块（见图3）围绕实验内容，将所涉及的知识点进行筛选和有机整合，下设5个子模块，涵盖了波浪分类、水质点运动规律、波浪要素、波浪叠加、波浪反射5大内容，由浅至深引导学生学习相关专业知识，并通过视频、文字和互动问答操作等生动、直观的教学方式，帮助学生对学习内容高效理解和掌握。

图3 认知学习模块部分内容

（3）水槽实验包含5个子模块，作为“认知-探究-实践”3个递进模块的过渡模块，以仪器设备和实验流程学习为切入点，让学生熟悉实验环境（见图4）及操作后，依次开展规则波实验、不规则波实验、驻波实验、消波实验，充分理解波浪运动各项特性。具体内容设计为：①进入本模块，学生首先可进行仪器设备的学习，了解实验中设备系统整体布置情况（见图5），并可对波流水槽、造波机和推波板、波高仪、流速仪、压力传感器等实验仪器进行360°旋转观察和仪器知识的学习；②随后按照语音提示和系统引导进行实验流程的学习，分别有布置采集仪器、打开并设置波高采集仪、启动造波机、打开造波软件进行采样设置、设置造波参数、调整波高仪入水深度并采集零点、发送文件开始造波、波长测量、查看数据和各角度造波仿真观测等10余个互动操作，完成后即可进入正式实验；③规则波实验和不规则波实验均在以上仪器设置的基础上分别输入波浪要素（波高、水深、周期）进行规则波和不规则波造波实验（见图6、7）；④ 此外，在驻波实验中基于前期认知学习，在此设置选择题考查学生对驻波形成条件的掌握，选择正确后放置直立挡板按造波步骤进行操作，观察驻波的形成过程和其运动形式有什么不同；⑤消波实验中，通过无效能装置、吸收海岸消波、海绵层消波、主动消波4种情况对比，同步呈现4种情况波浪变化过程，让学生更直观地观察并掌握波浪反射和波能吸收的过程，这种同步对比实验在线下是无法实现的。

图4 水槽实验室部分场景

图5 水槽实验仪器系统概况

图6 水槽实验参数设置

图7 水槽实验造波及数据采集

（4）港口实验设有港口介绍、港口漫游、港口实验、思考题4大子模块，本模块主要目标，通过之前认知学习和水槽实验的学习，学生已经完成了从认知到探究的过程，在此基础之上结合港口实验进行工程实践应用。学生不仅能对港航工程有整体的了解，还可通过港口实验中定性定量的实验对比分析来进行港口的平面布置设计，充分锻炼了学生自主探索、思考的能力。设计内容为：①以视频形式向学生全面介绍港口的组成和实验目的及内容（见图8），让学生对港口实验有整体的了解和学习；②在介绍视频后学生已经对港区构成有了大致了解，接下来进入港口漫游模块，学生自主操作，在港区内以第一视角进行探索，对水域-锚地、水域-防波堤、码头、陆域等港口主要组成部分近距离的观察和学习；③ 正式进入港口实验，实验包括口门方向对比和口门宽度对比两部分，分别探讨其对港区水域产生的影响。实验包含对口门宽度和方向参数的设定、波浪要素的选取、仪器测点布置、数据采集和结果分析（见图9～11）等近20步的必要互动操作，学生可在试验后通过点击港口缩略图中测点编号，调取各测点的波高数据，并启发学生自主思考，通过12

图8 港口部分组成图

图9 港口实验测点布置

图10 港口实验造波及数据采集图

图11 港口实验数据分析

个测点波高变化数据图，综合分析其产生原因，掌握港口平面布置方案设计方法和优化思路；④ 最后，通过思考题的形式，引导学生对实验中所学和所见进行回顾，对隐含知识点和实验现象进一步发掘和思考，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

（5）实验报告在实验结束后自动生成，报告包括水槽实验和港口实验学生自选工况、数据图和问答题等内容，且在实验过程中系统按预设评分逻辑对关键步骤进行评分，实验结束时总分即刻生成在报告中。

2.2 核心要素仿真

（1）对真实实验和工程环境及操作的仿真。水槽实验和港口实验均参照真实的实验室和港口工程建筑结构，按原型比例进行的建模。水槽实验对标学校水利港口综合实验室，全面还原了实验室内部环境、水槽设备构造及仪器性能和操作流程；港口模块选取国内某已建港口工程项目，对港区的水域、陆域和码头岸线等进行线上真实再现。学生可对水槽实验室和港口实验区域所建全部场景进行360°巡航，实验流程与线下过程一致，真实呈现实验环境和实验操作有助于增强学生实验过程的沉浸感和互动感。

（2）采用高精度流体建模技术和先进的渲染技术。波浪运动特性虚拟仿真实验建设核心难点就是怎样在保证实验仿真数据精准的条件下，对流体的运动状态进行自然模拟和呈现，这也是虚拟仿真实验建设的核心技术要求。在对国内外流体建模软件多方调研的基础上［11-12］，最后选用时下最流行的光滑粒子流体动力学方法SPH［13］进行建模，该技术采用拉尔朗日法，使每个流体质点上均承载着各自物理量，且以质点为单位进行后期渲染，因此仿真精度更高，渲染效果细腻、真实，是当前较符合流体类虚拟仿真实验需求的技术。

（3）基于真实实验数据的数值仿真。在采用高精度流体建模软件的基础上，将数模结果与真实实验数据进行校准，以进一步保证仿真实验结果的准确性。水槽实验数据来自线下波流水槽相同工况的实测采集，港口实验数据源于已开展的科研实验数据，经校核，模拟数据与实测数据拟合良好，变化规律一致，证明虚拟实验数据准确可靠。

3 项目特色

3.1 以学生为中心的教学理念

以教育部国家虚拟仿真实验教学项目的要求［4，14］为指导，波浪运动特性虚拟仿真实验的设计始终将“以学生为中心”作为建设的核心理念，遵循从简单到复杂、微观到宏观和理论到实践的认识规律，突破原有的教学设计，构建了“学习-探究-实践”3层次递进式的实验教学模块。系统中建设有5个自制教学视频、多个动画和关键操作的引导提示，在3大模块中均有所应用，帮助学生更好地学习理论知识和进行实验操作。此外，对实验场景的高度还原、多角度的观察和漫游和对水体渲染效果的精益求精都旨在增强学生实验中的代入感和互动感。将“以学生为中心”的教学理念落实到虚拟仿真实验建设的全过程，不仅可以调动学生参与实验的积极性，更可能启发学生主动思考，激发探索创新的精神。

3.2 以问题和需求为导向的教学内容

港口相关实体实验以往都是依托科研项目采用物理模型方式在港池等大型设备中开展的［15］，目前我校并未建设港池这一大型设备。其次，这类实验占地面积大、成本高且周期长，教学中不具备开展此类实验的条件。此外，模型实验中学生无法对港口布局规划和建筑物等进行全面的了解和学习，现场实验又具有一定的危险性。而虚拟仿真实验无疑是解决这一问题最有效的手段，在港区虚拟现实环境中开展现场实验，多角度、多层次调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生探索创新的热情，是提高实验教学水平的必然举措。

此外，近年来我国已形成5大沿海港口群，以洋山港为首的主要港口正在向着世界一流港口迈进，港口的建设已成为体现综合国力重要组成部分，因此对港航专业后备人才的培养也提出了更高的要求［16］。本系统从知识理解、实验运用到工程实践层层递进，构建起了从课堂学习到工程应用之间的桥梁，将工程规划和设计融入实验教学中，调动学生作为建设参与者的创新精神和实践能力，触发其对职业责任的理解和思考，以立德树人为本，以“双一流”建设思想为指导，着力创新型、应用型、复合型优秀人才的培养。

3.3 多模式融合的教学方法

为满足信息化时代背景下学生需求，提升线上实验教学效果，波浪运动特性虚拟仿真实验融合自主式学习、互动式教学、问题探究式教学等多种教学方法。自主式学习教学方法主要是为训练学生对海岸动力学、港口水工建筑物和港口规划与布置等课程大纲中知识点的掌握，该教学方法贯穿于整个实验过程，相对于专业知识本身，该方法的应用更注重引导学生对知识来源的探索；互动式教学方法体现在学生可通过改变不同设计参数（如波浪要素、口门方向、口门宽度等）按自己的思路进行实验设计，且在实验中通过提示和问答的方式启发学生对实验现象的思考和分析，充分调动学生的积极性和创造性；问题探究式教学方法旨在用设问的方式引导学生对实验现象进行更深层的探究，如在港口实验问答中，学生需基于实验结果分析，综合考虑港内波况、港区船舶通行条件和经济等因素，来进行相关设计，可有效锻炼学生独立分析和解决问题的能力。

4 应用和评价

波浪运动特性虚拟仿真实验系统现已正式投入教学应用，应用过程中共有7位港航专业教师和4位企业研发人员提供在线教学服务和技术支持，确保线上实验教学有效开展。自投入使用以来，本系统教学成效良好，实验的精确度和实验环境的虚拟现实效果受到了师生的一致好评，特别在新冠疫情期间，因学生无法返校导致众多教学实验无法开展，而本系统在此期间起到了重要的作用，为2017、2018届港航专业和2018届智能建造3个班级共83人开展了线上实验教学，为实验教学做了及时的补充和拓展，波浪运动特性虚拟仿真实验也被正式写入教学大纲中，将持续提供线上教学服务。本系统不仅服务于同校相关专业，也面向社会开放，且已与湖北多所高校沟通协商，近期将重点支援湖北相关专业院校的线上实验教学，未来将逐步向全国港航、海洋及相关专业高校推广。

5 结 语

波浪运动特性虚拟仿真实验基于实测数据和真实工程案例，采用高精度的流体建模技术和先进的渲染技术，围绕3个主要内容建设了5大模块，对原有实验内容进行了扩充和升级，构建了“认知-探究-实践”逐层递进的实验教学体系，为学生提供了内容丰富、场景逼真和技术先进的虚拟仿真实验互动教学平台，弥补了线上教学资源的不足，对线下做不到的实验进行了线上拓展，融合了多种教学方法，面向大国建设和“双一流”建设需求，着力创新型、复合型人才的培养。系统目前应用成效良好，在当前疫情状况下，有效增强了实验教学抵御风险的韧性，未来港航实验教学团队将继续探索，不断完善本系统，建设更多虚拟仿真实验项目为专业发展和人才培养提供更好的平台。