多波束扫海测量虚拟仿真实验教学探索与实践

沈蔚 朱瑞芳 栾奎峰 胡松 朱卫东 王洁

摘要：虚拟仿真实验是顺应时代发展而出现在教学中的一种半沉浸式体验教学模式。因其具有传统教学不可及的优点，在一定程度上成为提高教学质量的又一利剑。国家重视，各高校积极响应，上海海洋大学亦已建成虚拟仿真综合管理平台，依托该平台，从《海道测量学》教学需求出发，进行了多波束扫海测量虚拟仿真实验的研发和创建，开展了相应的教学活动，使传统教学在虚拟仿真实验中得到有效的延伸，取得了良好的教学效果。

关键词：虚拟仿真实验;实验教学模式;多波束扫海;海洋测绘

引言

虚拟仿真技术在教育中作用日益凸显，尤其对于始料未及的新冠疫情席卷全球，新技术将隔离的学生和教师带到云端，教学活动得以开展，对教育内涵和教育手段的思考成为当代教育界的新思潮。后疫情时代，虚拟仿真实验与现场实验相结合，情景与实景互相营造出独特的学习氛围，有效地提升学生在实验教学环节中独立性、思辨性、操作性、合作性等能力;是高校为社会培养高层次人才的强有力工具[1-7]。

在海洋技术专业的教学过程中，开展虚拟仿真教学实验教学建设，正是顺应新时代高校教育的需求，不断探索并成熟应用的必然。其中，《海道测量学》作为海洋技术、海洋信息等测绘与空间信息类专业的主干课程，涉及到诸如海道测量的基本知识、多波束测深系统的工作原理、浅地层剖面仪的工作原理、侧扫声呐的工作原理等内容，以及水下声学测量设备的使用方法和应用场景。传统的课堂教学很难将学生带入对抽象理论和实际操作的直观认识层面，经过数年来虚拟仿真实验项目的实施，在教学中进行了有益的探索，形成了全新的教学模式。

1.虚拟仿真实验教学目的

多波束声呐系统是一款价格昂贵（浅水多波束系统市场价约300万人民币、深水多波束系统约1000万人民币）的测量设备。在海道测量学的实践教学中，海上实测费用高，且受到台风、船时、安全等影响，作业难度大、风险大;学生频繁操作易损坏设备;声呐测深原理理论复杂又抽象，传统的理论和实验教学很难达到理想的教学目标。

因此，通过建立虚拟仿真的实验环境和实验对象，建设基于互联网的在线共享多波束扫海测量虚拟仿真实验教学资源，开展多波束扫海测量虚拟仿真实验，学生利用人机交互的虚拟仿真技术，解决了高成本、高风险和难理解的难题，在虚拟环境中，通过认识典型多波束测深系统构成、多波束换能器原理、交互式显示波束形成原理、多波束声速误差影响、仿真模拟多波束设备的组装和部署，完成对数据的采集软件的仿真和数据采集模拟，注重培养学生在虚拟环境中熟悉多波束的结构、掌握多波束的操作流程以及注意事项，培养新时代下掌握新型测绘技术的高级应用型人才。

2.虚拟仿真实验教学模式

实际教学中，采用虚实结合方式，在培养学生动手实践能力的基础上，充分发掘虚拟仿真平台的技术优势，使学习更加深入且生动，同时有利于充分调动学生自主学习的兴趣和积极性，将自主学习、互助学习、研究性学习有机结合。

根据理论联系实际，以学生为中心的教学理念，采用“虚实结合三步走”的教学模式。第一步是实验原理教学，第二步是虚拟仿真实验教学，完成实验内容的交互操作实验步骤，第三步是真实操作实验教学。

多波束扫海测量虚拟仿真实验依托上海海洋大学虚拟仿真综合管理平台（图2-1）建立。实验过程中，相关原理和仪器操作练习，以虚为主，解决海上实践成本高、条件限制多难题;有关软件操作以实为主，线上视频学习，线下软件实践操作。

此外，以上海海洋大学“淞航”号远洋调查船、“海鹰”号测绘实习船等科研教学船为依托，开展现场观摩和实操，进一步学习多波束测深系统的组装、安置和测量，通过虚实结合的方式，使学生掌握多波束测量的技能和知识。

学生可随时进入系统学习，感受真实性，加深印象。实验前后有专业教师在线答疑或人机交互的学习指导和测验考核，教师可以在虚拟现场教学，在线与学生交流互动，实现学生自主学习、互助学习、探究性学习的有机结合。

3.虚拟仿真实验教学实践

3.1实验原理教学

根据设计的教学模式，首先在系统中构建多波束测深系统各组成部分的三维模型（图3-1），展示了各组成部分的名称和功能，并可360°观察各组成部分以及换能器内部结构;通过虚拟动画的手段，表现出普通波动原理、波束的指向性、波束中旁波瓣和主波瓣、波束的控制等概念，更容易掌握多波束测深系统的基本原理;通过交互式控制，更好的理解多波束的发射与接收、声速误差对水下测量的影响。例如“普通波动原理”、“相干波”等，讲解了多波束的形成、Mills交叉原理，Snail法则等，使学生掌握多波束的相关理论知识。

3.2虚拟仿真实验教学

实验采用“线上线下”相结合的方式。线上学习可以在任何网络环境（如疫情期间家中）进行，线下学生可以集中或分组在实验室操作完成。这就充分体现了网络环境下虚拟仿真实验教学的优势，同时也能够培养学生自主式、探究式学习的能力。

学生首先进入网络平台预习、观看、模拟操作相关实验内容，例如在“多波束设备的组装”模块（图3-2）中，根据系统中提供的设备，学生可以通过鼠标拉动设备对设备进行安装，如果安装有问题，就无法进行下一步调试，从而使学生能很快的掌握设备的安装。

另外学生在“多波束硬件部署”这一环节，可以对换能器、定位设备、航向与姿态传感器和甲板单元等四个部分进行在船体的虚拟仿真部署（图3-3）。

多波束测深实验是软硬件一体化的实验，在以上硬件组装和船体部署后，进入到“多波束软件配置”（图2-5）及“多波束数据采集仿真”（图2-6）环节。

“多波束软件配置”分为“采集電脑网络IP的设置”、“采集软件项目设置”、“测线设置”和“数据采集”注重培养学生在虚拟环境中掌握多波束数据采集端所有的操作，掌握多波束软件的设置和采集电脑的设置。

“多波束数据采集仿真”通过虚拟环境中模拟真实测量的环境，并通过交互式控制多波束测量时的开角、测量范围、探测角度等信息，实时显示数据采集结果，为学生提供可视化的实时信息反馈，让学生掌握各参数的设置意义。

在学生预习的基础上，教师在虚拟实验课堂上对整个实验涉及到的理论知识和注意事项进行再次的梳理和讲解，演示操作步骤，并布置实验内容，具体规定实验要完成的目标。之后，学生在课下通过虚拟仿真软件完成教师布置的实验任务，并在线提交实验报告，师生可通过平台上的在线答疑功能进行互动交流，教师在线评分并及时反馈给学生，只有学生完全掌握了多波束扫海测量的全部工作要点，才能进入下一步的真实环境操作实验教学。

3.3真实环境操作实验教学

在虚拟仿真的教学基础上，在有条件的情况下，组织学生到实习船上（我校的“淞航号”或“海鹰号”）进行多波束扫海测量的实际操作，由于学生在虚拟仿真软件中已经对设备的操作进行了多次练习，学生根据真实的测量环境对相关的参数快速的设置，并实际采集真实数据，高效的完成多波束扫海测量的实验任务。

3.4实验考核与评价

实验考核成绩由平时成绩、实验报告、习题成绩三部分组成，其中平时成绩占20%，习题成绩占20%，实验报告成绩占60%。平时成绩包括网络操作时长和实验态度两块内容，出勤分数依据学生在仿真课堂的有效交互时长，实验态度的评分则依据学生在实验课堂上的表现、在线提问的次数、完成实验的独立性等。最后给出3个主要评价指标：（1）学习时长;（2）练习题的准确率;（3）在线与教师的互动情况。每个指标分“优良中差不”，对应着5分制，根据整个班级的在线学习情况，给出每个指标的评分，进行汇总，得到最后的评分。

实验报告是由学生在线提交，教师批改后将成绩反馈并与学生交流讨论，实验报告考核学生是否掌握了实验目的、原理和步骤，以及实验结果的正确性和完整性。

4.结束语

通过虚拟仿真项目的开发与应用，解决了以往由于测量设备昂贵或者测量船舶使用受限等难题，突破了多波束测量技术只停留在课堂讲解层次上的难题，每一位学生能够多次虚拟操作仪器设备，深入了解抽象的理论知识，接触到最前沿的科学技术。

基于网络化的虚拟仿真实验环境，使得实验教学具有网络化、开放性和交互性的特点，有利于学生对多波束扫海测量这一新技术的学习和实践能力的培养，充分利用了人机互动，极大程度激发了学生的学习兴趣，促進学生主动探索、自主实践，增进学生参与各类科研项目和创新实践活动的热情。

参考文献：

[1]蔡钒，陈爱城，王明兹，等.虚拟仿真实验教学中心网络化实验教学体系的构建[J].实验室科学，2018（1）：121-123，127.

[2]蔡丽萍，熊金波，金彪，等.多学科交叉融合虚拟仿真实验中心网络平台建设探索[J].实验室研究与探索，2018，37（1）：230-233，255.

[3]冯立艳，关铁成，何世伟，等.机械基础虚拟实验系统的研究与开发[J].实验室研究与探索，2018，37（1）：89-92.

[4]周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育，2015（9）：5-11.

[5]刘育，孙连鹏，陈玉娟.环境工程虚拟仿真实验项目建设[J].高等学刊，2018，87（17）：63-65.

[6]王培丞.虚拟仿真实验教学中心建设的拓展与创新[J].教育教学论坛，2018，25：265-266.

[7]张智焕，张惠娣.机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践[J].实验技术与管理，2018，31（4）：102-103，111.

作者简介：沈蔚（1977—），汉族，男，江苏阜宁人，教授，博士，研究方向为海洋测绘与遥感。

通讯作者：栾奎峰（1981-），汉族，吉林梅河口人，副教授，博士，研究方向为新型激光测绘高精度处理。

基金项目：本文受上海海洋大学《海道测量学》一流培育课程、“新工科背景下海洋技术一流专业建设探索”项目的支持。

（1.上海海洋大学海洋科学学院 上海 201306;2.海洋科学与技术上海市实验教学示范中心 上海 201306）