虚拟仿真实验在海洋仪器使用与维护课堂教学中

“创新是从根本上打开增长之锁的钥匙。以互联网为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发，人工智能、虚拟现实等技术日新月异，虚拟经济与实体经济的结合，将给人们的生产方式和生活方式带来革命性变化。”[1]虚拟现实技术是现代教学手段的技术平台。在《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中，虚拟仿真实验教学被列为高等教育信息化建设的重要内容之一，其本质特征是深度融合计算机技术拓展传统实验教学方式的新型教学模式。《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》指出，于2017—2020年在普通本科高等学校遴选国家级虚拟仿真实验教学项目。

一、海洋仪器使用与维护课程采用传统教学存在的问题

（一）海洋仪器内容广泛

海洋仪器是用来观察、测量海洋要素的基本工具[2]，其测量种类繁多，如水文、气象、物理、化学、生物、地质等要素的时空分布规律。测量要素涵盖了水色、透明度、盐度、海冰、溶解氧、磷酸盐、硅酸盐、海流、波浪、潮汐、内波、水温、水深、硝酸盐等，以及该海区的水文气象要素，各种天气现象，内容多且繁杂。受学时和实验室设备资源的限制，学生无法对每一个测量仪器都进行实际操作，这导致学生对海洋仪器的使用缺乏足够的专业训练，只能勉强达到预期的教学目标。

（二）传统课堂教学的缺点

传统的课堂教学以教师为中心，学生完全处于被动学习的状态。对于海洋仪器使用与维护这种实践性强的课程采用这种方式进行教学，会导致课堂教学沉闷，学生人在课堂心在外，抑制了学生学习的积极性。

（三）学时数较少影响学习效果

海洋仪器使用与维护是一门实践性很强的课程，通过该课程的学习可以培养学生出海调查的基本技能和进行海洋科学研究的素质，培养学生数据分析及整理的能力，培养学生对海洋科学的探索、分析和独立工作的能力，让学生掌握从事海洋科学研究的实验方法和规律，提高学生从事海洋科学创新性研究的能力。但是由于学时较少，目前实验教学仅限于几个固定的实验，实验项目偏少，教学效果受到一定的影响。

在目前的实践课程教学模式中，学生在整个实验过程中处于一种被动的地位。学生对实验目的和步骤不理解，动手操作大多是在教师讲解之后“依葫芦画瓢”进行模仿实验，对操作的实质没有理解。这虽然在形式上完成了实验，但是学生很快会忘记，其原因是学生缺乏对实验内容、实验仪器设备的感性认识。

（四）实验、实习环节受客观条件限制

海洋仪器一般价格昂贵，设备数量较少，实践内容范围窄，难以满足实验教学的需要。教师在实验课前，需要完成实验设计、设备和仪器的调试等工作；学生在实验课上，只是完成海洋仪器使用操作步骤的一部分，并未真正参与仪器使用的全部过程。教师授课的精心准备导致学生对这些内容的认识存在盲区，学生对实验的目的、操作内容、要求、仪器使用的完整过程和实验结果的差别缺乏分析和思考，这导致学生在以后的实际工作中遇到问题时不知如何处理。

海洋仪器使用与维护课程实习由于仪器设备的数量有限，只能让部分学生操作。由于实习是在近岸的海域，现场环境安全风险大，学生实习的内容往往是蜻蜓点水、雾里看花，对于如何控制海洋仪器的运行、如何解决运行问题等，学生仍然得不到训练。

二、虚拟仿真实验教学的内涵及特征

（一）虚拟仿真实验教学的内涵

人工智能和虚拟现实技术逐渐广泛应用于各行各业[3]。虚拟现实技术是利用计算机图像处理技术、多传感交互技术和生成数据技术，生成逼真的虚拟环境,用户利用数据手套、跟踪器、触觉和力反馈装置等专用的交互输入设备进入虚拟空间,与虚拟环境的目标进行实时交互,感知和操作虚拟世界中的人和物,这能为用户带来视、听、触等多方面的感官刺激，从而让用户产生身临其境的感受[4]。如在海洋工程实践操作课中，广东海洋大学（以下简称“我校”）使用了船舶驾驶虚拟仿真系统，给学生带来驾船出海的真实体验。目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、汽车驾驶、军事训练、医学实习、建筑设计、体育训练和娱乐等领域中[5]。

（二）虚拟仿真实验教学的特征

信息技术综合性。在虚拟仿真实验教学中，教师可以综合运用多媒体技术、混合现实、虚拟现实、遥现技术和人工智能等多种信息技术，使知识的传授手段更加丰富，授课内容更能激发学生的学习兴趣。

文章来源：《海洋科学》 网址: http://www.hykxzz.cn/qikandaodu/2020/1221/425.html