虛擬實驗海洋工程專業大學生培養模式
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摘要：隨著海洋強國戰略部署的不斷深入，各個高校不斷增設海洋相關專業，海洋工程是海洋相關專業的重要基礎課程，具有很強的理論性與實踐性。本文結合目前海洋相關專業的教學實踐特點，就目前海洋工程實踐中存在的問題進行探討，提出了利用海洋工程模擬仿真技術加強學生對海洋工程專業的認識和理解。從調動學生興趣入手，使教學內容直觀、形象、生動而同時具有科學性，增強學生對專業知識的理解，完善課程內容，加強實踐教學。利用數值模擬仿真技術進行可視化教學，對海洋工程中的測試、安裝、運行現象采用計算機模擬，并在課程中加入相關動畫。一方面，使該專業學生加強對海洋工程的理解，另一方面，提高學生的實踐能力，提高學生應用模擬分析方法解決實際問題的能力，培養學生在進行海洋工程設計時嚴謹的思路并為未來海洋工程建設的相關工作打下扎實的基礎。
一、研究背景
海洋強國戰略的有效實施需要海洋科學技術的發展作為有力支撐。加快建設海洋強國的進程中，海洋相關的高等教育面臨著嚴峻的挑戰。努力培養適應海洋產業發展需要的創新型人才、技術型人才和應用型人才，不斷提高海洋知識和技術創新水平，已成為建設海洋強國進程中高等教育所面臨的一項重大戰略任務。為響應國家戰略部署與時代需求，國內諸多高校陸續增設海洋工程與技術專業，以培養海洋技術人才[1]。由于海洋工程結構龐大且所處海洋環境極為復雜，海洋工程實踐具有高風險、高技術、高投入等特點，在大學階段學習的學生難以實地地接觸海洋工程結構物且直觀地觀測海洋環境，因此，在海洋工程專業學生的培養階段，大部分海洋工程知識通過課堂講述的方法將知識傳授給本專業學生，教學方式單一且效率較低。隨著科技的不斷發展，多媒體手段不斷應用到課堂教學中，通過觀看視頻或者動畫的演示，能夠清楚地看出海洋環境風場、波浪場以及流場的變化，除此之外，海洋工程設計、建造、海上安裝、施工等過程也能較為直觀地展示出來[2]。但是，海洋工程與技術專業為工科專業，需要更多的實踐提高技術及創新能力。在海洋工程實地實踐受限的情況下，如何提高研究生的實踐創新能力成為教學改革的重要研究內容。針對教學實踐的這一短板，本論文提出采用虛擬實驗的方法提高研究生的實踐及創新能力。從而，使我校未來的海洋技術人才更好地適應市場和社會的需要，將其培養成一批批合格的海洋強國戰略實施者。
二、虛擬實驗分析
海洋工程專業作為一門應用學科，有著與其他理論學科的不同之處，作為一門以觀察和實踐為基礎的學科，其揭示了海洋工程領域內的自然科學規律。在進行觀察與實踐時，受工程環境、復雜設施等的條件限制，很難實現現場觀測及數據收集和處理，對本專業的教學質量有一定的影響。隨著計算機和數值理論計算方法的不斷進步和發展，使得“理論分析”、“數值模擬”和“虛擬實驗”三者相互促進，成為現代工程學科的三大支點[3，4]。虛擬實驗主要借助構建的物理模型，利用有限元模擬軟件或程序運行軟件的計算，通過輸出聲音、圖像、動畫等功能模擬海洋工程物理現象，詮釋物理規律，演示運動過程；突破真實實踐條件，排除任何外界環境條件的干擾，通過數值模擬精確地得到試驗的結果，以方便地開展實踐教學并提高教學成果。一套完整的虛擬實驗程序，分為前處理、計算分析和后處理三個階段。前處理為基礎數據搜集和模型成型。例如，若計算一片海域的水動力條件，需收集海域的水深條件、邊界條件，驗證潮位值、流速流向值等，根據收集的數據對該海域進行網格劃分、水深值差值以及邊界處理。前處理需要達到能保證下一步計算分析穩定運行的目的，并且在最大程度減小計算量的同時，保證計算精度。可見，前處理對于虛擬實驗的精確程度有著重要的影響。利用前處理建立好的數值模型，進行計算分析。計算分析的核心為方程的求解過程，例如，在水動力方程三種守恒方程。通過求解網格不同點的方程，得到模型不同地方的數值，比如，流速、流向、水位等。在不同的格點及格心處存儲單元的屬性。將存儲的數據進行可視化處理及數據統計分析稱為后處理，通過較為直觀的方式，展現流場、物體的變化過程。
三、虛擬實驗在教學工作中的應用
通過虛擬實驗的方法，可以進行不同參數、不同條件下的實驗，以及進行動態演示，加深對現象的感知及物理理論的理解。1.學生對實際的海洋工程缺乏一定的了解，在學習中容易產生一定的困惑。隨著我國對海洋工程的重視程度不斷加深，本專業的學生對工程的大致樣貌有一定的了解。但是，由于多數學生并未見到過實際的海洋工程的設計及施工過程；學生所學的內容基本通過課本知識理解，沒有一個形象的認識，對教學內容理解不足，且在海洋環境工程中的很多公式是靠實驗和經驗得來；此外，學生的學習興趣和主動性不高，上述多個問題的存在導致了本專業教學的困難。通過虛擬實驗，可加深學生對本專業各個知識點的理解，能夠充分地結合課本內容和工程實踐，提高學生學習的主動性和興趣[5]。2.由于學生接觸到的課本知識是經過一段時間沉淀下來的知識，相對不斷創新的技術存在著一定的滯后性，教學的內容陳舊。除此之外，教材內容中多為理論闡述部分，注重基礎培養，與工程實踐結合的不充分。學生在學習過程中需要不斷了解本學科的最新的研究成果和技術，不斷更新知識。為了推動本學科的發展以及學生自身水平的不斷提高，在對學生的培養過程中需要加強工程實踐部分，在實踐條件受限的情況下，虛擬實驗對提高教學效果起到了一定的促進作用。3.在對學生的培養過程中，采用的教學方式較為單一，學生容易產生厭倦心理。在中國的教學模式中，傳統的教學方式一般指教師根據課本的內容進行分析總結和規劃，將教材內容有條理地通過課堂講授的形式講授給學生。授課方式多為傳統的板書形式或者幻燈片等多媒體形式，整個教學過程較為單一，學生的積極性和參與性都不高。通過虛擬實驗，在課程講解的過程中，加入對應教學內容的實驗可提高學生的學習興趣，加強學生對教學內容的理解。
四、虛擬實驗對提高教育質量的作用和意義
虛擬實驗對提高教學質量的作用有四個方面：首先，虛擬實驗能夠使學生快速準確地理解復雜的海洋環境，并應用已經學到的海洋知識解釋海洋環境的變化，提高對海洋環境的認識。一方面采用了動畫的形式呈現，另一方面能夠通過調整不同的實驗參數分析結果，二者相輔相成，可以提高學生學習的積極性。其次，可以為學生提供科研平臺，即在培養過程中，指導和組織研究生開展海洋環境模擬相關技術研究及開發工作。由于虛擬實驗是通過不同的模擬程序實現的，因此在虛擬實驗平臺的開發過程中，讓學生參與到不同程序的開發過程中，既能讓學生學到的理論知識得以應用，又能提高學生對本專業學習的興趣。第三，依據虛擬實驗，研究生可充分發揮創新能力，通過實時模擬驗證結果，可有效消除在真實海況中無法實踐的缺點。現在對學生創新意識培養的重視程度不斷增強，通過虛擬實驗，可以讓學生進行任何思維發散的創新，得出相應結論，提高學生的創新能力[6]。在虛擬實驗模式研究與實踐過程中，構建一套具有海洋學特色的海洋專業多層次實踐教學體系，探索利用海洋工程虛擬模擬實驗提高研究生的實踐及創新機制。通過聯合培養模式，增強學生的社會適應性，學位論文選題兼顧企業需求、理論深度、創新程度和可行性，提高科學研究和科技成果轉化水平，培養學生的科研與實踐能力，促進學生綜合素質的發展。通過虛擬實驗可解決三個方面的問題：校內教育方式單一，缺乏有效的創新教育模式，競爭意識不強；校內科研條件欠缺，創新人才的培養意識不強，原創性成果少，人才產出數量少；校外實訓項目不連續，安全生產問題突出等。
五、總結
虛擬實驗可以在教學過程中大顯身手，通過前期模型處理，中期程序分析及后期圖像、聲音與動畫展示，都可提高學生學習的積極性。教材內容和虛擬實驗相結合，能顯示復雜的海洋工程中的物理現象，進而使基礎理論知識得以應用，抽象問題得以形象化。通過現代教學技術與傳統教學方法相結合，不斷改進教學方法，提高教學質量。同時，學生參與虛擬實驗，有利于學生提高創新思維及發散思維，更好地洞察海洋工程中的物理含義，理解課本中的知識，激發學生學習興趣。此外，還能提高學生使用計算機的能力。虛擬實驗的開展，能夠充分調動學生學習的積極性與主動性，進而可以為海洋工程建設的發展培養出具有一定科研能力的技術型人才。
參考文獻：
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作者：趙恩金 牟林 程飛 蔣浩宇 李健 單位：中國地質大學（武漢） 海洋學院 中國地質大學深圳研究院
