波浪運動特性虛擬仿真實驗的探索與實踐

沈 超， 付小莉， 李衛超

（同濟大學a.水利工程系；b.地下建筑與工程系，上海200092）

0 引 言

1 建設目標

波浪是海洋中最常見的現象，是岸灘演變、海港和海岸工程重要的動力因素和作用力［1］。了解波浪運動的特性是研究近岸泥沙運動和岸灘演變的基礎，對港口選址規劃、港口建筑物設計乃至橋梁［2］和海上風電設計［3］等均有著重要意義。因此，學習波浪運動相關知識是港航專業學生的主要任務之一，也是土木工程相關專業同學需了解的重要內容。我校港航專業特將波浪運動特性實驗設立在其專業核心課程中，以期達到夯實專業基礎，啟發專業探索性思維的作用。但經過在教學中的實踐和研究發現，目前該實驗教學過程仍存在諸多問題：①理論教學和實驗教學銜接不夠緊密，實驗過程可能涉及多方面專業知識，學生無法及時有效回顧；②實驗所用的波流水槽設備為大型儀器，實驗中學生共用一套設備，受場地和時間的限制，學生無法全過程操作和觀察；③專業知識與工程實踐和應用間無法有機結合，學生難以真正達到學有所用。實際上，以上問題也廣泛存在于類似的工科實驗教學中［4-5］。

基于以上分析可知，當前的波浪運動特性實驗教學亟待改革和轉型。教育部在《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳［2017］4號）中明確指出，要深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平，開展虛擬仿真實驗教學項目建設工作［6］。通過對波浪運動特性實驗進行虛擬仿真建設，不僅可做到將理論教學、基礎實驗和工程應用有機融合，更可實現因受線下實驗規模、周期和成本等限制無法開展的實驗項目，此外靈活豐富的線上教學方法在“雙一流”建設的人才培養方面也更具優勢［7］。

大學生的創造性發展是在掌握扎實、充分的基礎知識基礎上，通過實踐得以真正實現的［8］。而實驗教學是本科教學中重要的實踐環節，既有將基礎知識融會和運用的責任，更有承載著教學環節向工程應用精準過渡的使命。在此認知的基礎上，港航專業實驗教學團隊，在日常教學中通過不斷地積累和研究［9-10］，借助先進的信息技術對波浪運動特性實驗進行全新的教學設計，建設了波浪運動特性虛擬仿真實驗系統。該系統主要包含① 水槽實驗部分將傳統波浪運動特性實驗內容進行了全面優化，并擴充了認知學習和港口實驗兩大部分。通過深入挖掘實驗內涵和相關的理論背景知識，在系統中將實驗所涉及的知識點集中整合，使理論知識與波浪運動特性實驗內容環環相扣；②在與線下對應的波浪運動特性水槽實驗中，一比一還原實驗室場景和儀器，并對線下做不到、觀察不到的實驗現象進行補充，進一步夯實理論基礎并建立港航專業實驗思路；③在港口實驗部分，真實模擬國內某港口的陸域和水域等場景，對港區波浪進行定性定量的分析和討論，使專業知識和水槽實驗兩部分內容在具體工程中得以有機融合并應用。3大部分內容形成認知-探究-實踐層層遞進的教學模式，打破了傳統實驗教學的時間和空間壁壘，對其進行了重新教學定位，使之適應新時代教學和人才培養的需求。

2 系統設計

2.1 主要內容設計

本虛擬仿真實驗共建設有實驗簡介、認知學習、水槽實驗、港口實驗和實驗報告5大模塊，系統構架見圖1。

圖1 波浪運動特性虛擬仿真實驗系統構架圖

（1）進入實驗系統后首先是系統簡介視頻，讓學生對實驗意義、實驗內容和系統構建有整體的認識，啟發學生探索實驗的好奇心。登錄后首先進入實驗簡介模塊（見圖2），本模塊中學生可快速熟悉實驗背景，了解實驗目的、實驗原理、實驗步驟及線下實驗室環境，為進行波浪運動特性虛擬仿真實驗做好準備。

圖2 實驗簡介模塊部分內容

（2）認知學習模塊（見圖3）圍繞實驗內容，將所涉及的知識點進行篩選和有機整合，下設5個子模塊，涵蓋了波浪分類、水質點運動規律、波浪要素、波浪疊加、波浪反射5大內容，由淺至深引導學生學習相關專業知識，并通過視頻、文字和互動問答操作等生動、直觀的教學方式，幫助學生對學習內容高效理解和掌握。

圖3 認知學習模塊部分內容

（3）水槽實驗包含5個子模塊，作為“認知-探究-實踐”3個遞進模塊的過渡模塊，以儀器設備和實驗流程學習為切入點，讓學生熟悉實驗環境（見圖4）及操作后，依次開展規則波實驗、不規則波實驗、駐波實驗、消波實驗，充分理解波浪運動各項特性。具體內容設計為：①進入本模塊，學生首先可進行儀器設備的學習，了解實驗中設備系統整體布置情況（見圖5），并可對波流水槽、造波機和推波板、波高儀、流速儀、壓力傳感器等實驗儀器進行360°旋轉觀察和儀器知識的學習；②隨后按照語音提示和系統引導進行實驗流程的學習，分別有布置采集儀器、打開并設置波高采集儀、啟動造波機、打開造波軟件進行采樣設置、設置造波參數、調整波高儀入水深度并采集零點、發送文件開始造波、波長測量、查看數據和各角度造波仿真觀測等10余個互動操作，完成后即可進入正式實驗；③規則波實驗和不規則波實驗均在以上儀器設置的基礎上分別輸入波浪要素（波高、水深、周期）進行規則波和不規則波造波實驗（見圖6、7）；④ 此外，在駐波實驗中基于前期認知學習，在此設置選擇題考查學生對駐波形成條件的掌握，選擇正確后放置直立擋板按造波步驟進行操作，觀察駐波的形成過程和其運動形式有什么不同；⑤消波實驗中，通過無效能裝置、吸收海岸消波、海綿層消波、主動消波4種情況對比，同步呈現4種情況波浪變化過程，讓學生更直觀地觀察并掌握波浪反射和波能吸收的過程，這種同步對比實驗在線下是無法實現的。

圖4 水槽實驗室部分場景

圖5 水槽實驗儀器系統概況

圖6 水槽實驗參數設置

圖7 水槽實驗造波及數據采集

（4）港口實驗設有港口介紹、港口漫游、港口實驗、思考題4大子模塊，本模塊主要目標，通過之前認知學習和水槽實驗的學習，學生已經完成了從認知到探究的過程，在此基礎之上結合港口實驗進行工程實踐應用。學生不僅能對港航工程有整體的了解，還可通過港口實驗中定性定量的實驗對比分析來進行港口的平面布置設計，充分鍛煉了學生自主探索、思考的能力。設計內容為：①以視頻形式向學生全面介紹港口的組成和實驗目的及內容（見圖8），讓學生對港口實驗有整體的了解和學習；②在介紹視頻后學生已經對港區構成有了大致了解，接下來進入港口漫游模塊，學生自主操作，在港區內以第一視角進行探索，對水域-錨地、水域-防波堤、碼頭、陸域等港口主要組成部分近距離的觀察和學習；③ 正式進入港口實驗，實驗包括口門方向對比和口門寬度對比兩部分，分別探討其對港區水域產生的影響。實驗包含對口門寬度和方向參數的設定、波浪要素的選取、儀器測點布置、數據采集和結果分析（見圖9～11）等近20步的必要互動操作，學生可在試驗后通過點擊港口縮略圖中測點編號，調取各測點的波高數據，并啟發學生自主思考，通過12

圖8 港口部分組成圖

圖9 港口實驗測點布置

圖10 港口實驗造波及數據采集圖

圖11 港口實驗數據分析

個測點波高變化數據圖，綜合分析其產生原因，掌握港口平面布置方案設計方法和優化思路；④ 最后，通過思考題的形式，引導學生對實驗中所學和所見進行回顧，對隱含知識點和實驗現象進一步發掘和思考，鍛煉學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

（5）實驗報告在實驗結束后自動生成，報告包括水槽實驗和港口實驗學生自選工況、數據圖和問答題等內容，且在實驗過程中系統按預設評分邏輯對關鍵步驟進行評分，實驗結束時總分即刻生成在報告中。

2.2 核心要素仿真

（1）對真實實驗和工程環境及操作的仿真。水槽實驗和港口實驗均參照真實的實驗室和港口工程建筑結構，按原型比例進行的建模。水槽實驗對標學校水利港口綜合實驗室，全面還原了實驗室內部環境、水槽設備構造及儀器性能和操作流程；港口模塊選取國內某已建港口工程項目，對港區的水域、陸域和碼頭岸線等進行線上真實再現。學生可對水槽實驗室和港口實驗區域所建全部場景進行360°巡航，實驗流程與線下過程一致，真實呈現實驗環境和實驗操作有助于增強學生實驗過程的沉浸感和互動感。

（2）采用高精度流體建模技術和先進的渲染技術。波浪運動特性虛擬仿真實驗建設核心難點就是怎樣在保證實驗仿真數據精準的條件下，對流體的運動狀態進行自然模擬和呈現，這也是虛擬仿真實驗建設的核心技術要求。在對國內外流體建模軟件多方調研的基礎上［11-12］，最后選用時下最流行的光滑粒子流體動力學方法SPH［13］進行建模，該技術采用拉爾朗日法，使每個流體質點上均承載著各自物理量，且以質點為單位進行后期渲染，因此仿真精度更高，渲染效果細膩、真實，是當前較符合流體類虛擬仿真實驗需求的技術。

（3）基于真實實驗數據的數值仿真。在采用高精度流體建模軟件的基礎上，將數模結果與真實實驗數據進行校準，以進一步保證仿真實驗結果的準確性。水槽實驗數據來自線下波流水槽相同工況的實測采集，港口實驗數據源于已開展的科研實驗數據，經校核，模擬數據與實測數據擬合良好，變化規律一致，證明虛擬實驗數據準確可靠。

3 項目特色

3.1 以學生為中心的教學理念

以教育部國家虛擬仿真實驗教學項目的要求［4，14］為指導，波浪運動特性虛擬仿真實驗的設計始終將“以學生為中心”作為建設的核心理念，遵循從簡單到復雜、微觀到宏觀和理論到實踐的認識規律，突破原有的教學設計，構建了“學習-探究-實踐”3層次遞進式的實驗教學模塊。系統中建設有5個自制教學視頻、多個動畫和關鍵操作的引導提示，在3大模塊中均有所應用，幫助學生更好地學習理論知識和進行實驗操作。此外，對實驗場景的高度還原、多角度的觀察和漫游和對水體渲染效果的精益求精都旨在增強學生實驗中的代入感和互動感。將“以學生為中心”的教學理念落實到虛擬仿真實驗建設的全過程，不僅可以調動學生參與實驗的積極性，更可能啟發學生主動思考，激發探索創新的精神。

3.2 以問題和需求為導向的教學內容

港口相關實體實驗以往都是依托科研項目采用物理模型方式在港池等大型設備中開展的［15］，目前我校并未建設港池這一大型設備。其次，這類實驗占地面積大、成本高且周期長，教學中不具備開展此類實驗的條件。此外，模型實驗中學生無法對港口布局規劃和建筑物等進行全面的了解和學習，現場實驗又具有一定的危險性。而虛擬仿真實驗無疑是解決這一問題最有效的手段，在港區虛擬現實環境中開展現場實驗，多角度、多層次調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發學生探索創新的熱情，是提高實驗教學水平的必然舉措。

此外，近年來我國已形成5大沿海港口群，以洋山港為首的主要港口正在向著世界一流港口邁進，港口的建設已成為體現綜合國力重要組成部分，因此對港航專業后備人才的培養也提出了更高的要求［16］。本系統從知識理解、實驗運用到工程實踐層層遞進，構建起了從課堂學習到工程應用之間的橋梁，將工程規劃和設計融入實驗教學中，調動學生作為建設參與者的創新精神和實踐能力，觸發其對職業責任的理解和思考，以立德樹人為本，以“雙一流”建設思想為指導，著力創新型、應用型、復合型優秀人才的培養。

3.3 多模式融合的教學方法

為滿足信息化時代背景下學生需求，提升線上實驗教學效果，波浪運動特性虛擬仿真實驗融合自主式學習、互動式教學、問題探究式教學等多種教學方法。自主式學習教學方法主要是為訓練學生對海岸動力學、港口水工建筑物和港口規劃與布置等課程大綱中知識點的掌握，該教學方法貫穿于整個實驗過程，相對于專業知識本身，該方法的應用更注重引導學生對知識來源的探索；互動式教學方法體現在學生可通過改變不同設計參數（如波浪要素、口門方向、口門寬度等）按自己的思路進行實驗設計，且在實驗中通過提示和問答的方式啟發學生對實驗現象的思考和分析，充分調動學生的積極性和創造性；問題探究式教學方法旨在用設問的方式引導學生對實驗現象進行更深層的探究，如在港口實驗問答中，學生需基于實驗結果分析，綜合考慮港內波況、港區船舶通行條件和經濟等因素，來進行相關設計，可有效鍛煉學生獨立分析和解決問題的能力。

4 應用和評價

波浪運動特性虛擬仿真實驗系統現已正式投入教學應用，應用過程中共有7位港航專業教師和4位企業研發人員提供在線教學服務和技術支持，確保線上實驗教學有效開展。自投入使用以來，本系統教學成效良好，實驗的精確度和實驗環境的虛擬現實效果受到了師生的一致好評，特別在新冠疫情期間，因學生無法返校導致眾多教學實驗無法開展，而本系統在此期間起到了重要的作用，為2017、2018屆港航專業和2018屆智能建造3個班級共83人開展了線上實驗教學，為實驗教學做了及時的補充和拓展，波浪運動特性虛擬仿真實驗也被正式寫入教學大綱中，將持續提供線上教學服務。本系統不僅服務于同校相關專業，也面向社會開放，且已與湖北多所高校溝通協商，近期將重點支援湖北相關專業院校的線上實驗教學，未來將逐步向全國港航、海洋及相關專業高校推廣。

5 結 語

波浪運動特性虛擬仿真實驗基于實測數據和真實工程案例，采用高精度的流體建模技術和先進的渲染技術，圍繞3個主要內容建設了5大模塊，對原有實驗內容進行了擴充和升級，構建了“認知-探究-實踐”逐層遞進的實驗教學體系，為學生提供了內容豐富、場景逼真和技術先進的虛擬仿真實驗互動教學平臺，彌補了線上教學資源的不足，對線下做不到的實驗進行了線上拓展，融合了多種教學方法，面向大國建設和“雙一流”建設需求，著力創新型、復合型人才的培養。系統目前應用成效良好，在當前疫情狀況下，有效增強了實驗教學抵御風險的韌性，未來港航實驗教學團隊將繼續探索，不斷完善本系統，建設更多虛擬仿真實驗項目為專業發展和人才培養提供更好的平臺。