虚拟实验海洋工程专业大学生培养模式

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摘要：随着海洋强国战略部署的不断深入，各个高校不断增设海洋相关专业，海洋工程是海洋相关专业的重要基础课程，具有很强的理论性与实践性。本文结合目前海洋相关专业的教学实践特点，就目前海洋工程实践中存在的问题进行探讨，提出了利用海洋工程模拟仿真技术加强学生对海洋工程专业的认识和理解。从调动学生兴趣入手，使教学内容直观、形象、生动而同时具有科学性，增强学生对专业知识的理解，完善课程内容，加强实践教学。利用数值模拟仿真技术进行可视化教学，对海洋工程中的测试、安装、运行现象采用计算机模拟，并在课程中加入相关动画。一方面，使该专业学生加强对海洋工程的理解，另一方面，提高学生的实践能力，提高学生应用模拟分析方法解决实际问题的能力，培养学生在进行海洋工程设计时严谨的思路并为未来海洋工程建设的相关工作打下扎实的基础。

关键词：虚拟实验，数值仿真，海洋工程，能力培养，教学模式

一、研究背景

海洋强国战略的有效实施需要海洋科学技术的发展作为有力支撑。加快建设海洋强国的进程中，海洋相关的高等教育面临着严峻的挑战。努力培养适应海洋产业发展需要的创新型人才、技术型人才和应用型人才，不断提高海洋知识和技术创新水平，已成为建设海洋强国进程中高等教育所面临的一项重大战略任务。为响应国家战略部署与时代需求，国内诸多高校陆续增设海洋工程与技术专业，以培养海洋技术人才[1]。由于海洋工程结构庞大且所处海洋环境极为复杂，海洋工程实践具有高风险、高技术、高投入等特点，在大学阶段学习的学生难以实地地接触海洋工程结构物且直观地观测海洋环境，因此，在海洋工程专业学生的培养阶段，大部分海洋工程知识通过课堂讲述的方法将知识传授给本专业学生，教学方式单一且效率较低。随着科技的不断发展，多媒体手段不断应用到课堂教学中，通过观看视频或者动画的演示，能够清楚地看出海洋环境风场、波浪场以及流场的变化，除此之外，海洋工程设计、建造、海上安装、施工等过程也能较为直观地展示出来[2]。但是，海洋工程与技术专业为工科专业，需要更多的实践提高技术及创新能力。在海洋工程实地实践受限的情况下，如何提高研究生的实践创新能力成为教学改革的重要研究内容。针对教学实践的这一短板，本论文提出采用虚拟实验的方法提高研究生的实践及创新能力。从而，使我校未来的海洋技术人才更好地适应市场和社会的需要，将其培养成一批批合格的海洋强国战略实施者。

二、虚拟实验分析

海洋工程专业作为一门应用学科，有着与其他理论学科的不同之处，作为一门以观察和实践为基础的学科，其揭示了海洋工程领域内的自然科学规律。在进行观察与实践时，受工程环境、复杂设施等的条件限制，很难实现现场观测及数据收集和处理，对本专业的教学质量有一定的影响。随着计算机和数值理论计算方法的不断进步和发展，使得“理论分析”、“数值模拟”和“虚拟实验”三者相互促进，成为现代工程学科的三大支点[3，4]。虚拟实验主要借助构建的物理模型，利用有限元模拟软件或程序运行软件的计算，通过输出声音、图像、动画等功能模拟海洋工程物理现象，诠释物理规律，演示运动过程；突破真实实践条件，排除任何外界环境条件的干扰，通过数值模拟精确地得到试验的结果，以方便地开展实践教学并提高教学成果。一套完整的虚拟实验程序，分为前处理、计算分析和后处理三个阶段。前处理为基础数据搜集和模型成型。例如，若计算一片海域的水动力条件，需收集海域的水深条件、边界条件，验证潮位值、流速流向值等，根据收集的数据对该海域进行网格划分、水深值差值以及边界处理。前处理需要达到能保证下一步计算分析稳定运行的目的，并且在最大程度减小计算量的同时，保证计算精度。可见，前处理对于虚拟实验的精确程度有着重要的影响。利用前处理建立好的数值模型，进行计算分析。计算分析的核心为方程的求解过程，例如，在水动力方程三种守恒方程。通过求解网格不同点的方程，得到模型不同地方的数值，比如，流速、流向、水位等。在不同的格点及格心处存储单元的属性。将存储的数据进行可视化处理及数据统计分析称为后处理，通过较为直观的方式，展现流场、物体的变化过程。

三、虚拟实验在教学工作中的应用

通过虚拟实验的方法，可以进行不同参数、不同条件下的实验，以及进行动态演示，加深对现象的感知及物理理论的理解。1.学生对实际的海洋工程缺乏一定的了解，在学习中容易产生一定的困惑。随着我国对海洋工程的重视程度不断加深，本专业的学生对工程的大致样貌有一定的了解。但是，由于多数学生并未见到过实际的海洋工程的设计及施工过程；学生所学的内容基本通过课本知识理解，没有一个形象的认识，对教学内容理解不足，且在海洋环境工程中的很多公式是靠实验和经验得来；此外，学生的学习兴趣和主动性不高，上述多个问题的存在导致了本专业教学的困难。通过虚拟实验，可加深学生对本专业各个知识点的理解，能够充分地结合课本内容和工程实践，提高学生学习的主动性和兴趣[5]。2.由于学生接触到的课本知识是经过一段时间沉淀下来的知识，相对不断创新的技术存在着一定的滞后性，教学的内容陈旧。除此之外，教材内容中多为理论阐述部分，注重基础培养，与工程实践结合的不充分。学生在学习过程中需要不断了解本学科的最新的研究成果和技术，不断更新知识。为了推动本学科的发展以及学生自身水平的不断提高，在对学生的培养过程中需要加强工程实践部分，在实践条件受限的情况下，虚拟实验对提高教学效果起到了一定的促进作用。3.在对学生的培养过程中，采用的教学方式较为单一，学生容易产生厌倦心理。在中国的教学模式中，传统的教学方式一般指教师根据课本的内容进行分析总结和规划，将教材内容有条理地通过课堂讲授的形式讲授给学生。授课方式多为传统的板书形式或者幻灯片等多媒体形式，整个教学过程较为单一，学生的积极性和参与性都不高。通过虚拟实验，在课程讲解的过程中，加入对应教学内容的实验可提高学生的学习兴趣，加强学生对教学内容的理解。

四、虚拟实验对提高教育质量的作用和意义

虚拟实验对提高教学质量的作用有四个方面：首先，虚拟实验能够使学生快速准确地理解复杂的海洋环境，并应用已经学到的海洋知识解释海洋环境的变化，提高对海洋环境的认识。一方面采用了动画的形式呈现，另一方面能够通过调整不同的实验参数分析结果，二者相辅相成，可以提高学生学习的积极性。其次，可以为学生提供科研平台，即在培养过程中，指导和组织研究生开展海洋环境模拟相关技术研究及开发工作。由于虚拟实验是通过不同的模拟程序实现的，因此在虚拟实验平台的开发过程中，让学生参与到不同程序的开发过程中，既能让学生学到的理论知识得以应用，又能提高学生对本专业学习的兴趣。第三，依据虚拟实验，研究生可充分发挥创新能力，通过实时模拟验证结果，可有效消除在真实海况中无法实践的缺点。现在对学生创新意识培养的重视程度不断增强，通过虚拟实验，可以让学生进行任何思维发散的创新，得出相应结论，提高学生的创新能力[6]。在虚拟实验模式研究与实践过程中，构建一套具有海洋学特色的海洋专业多层次实践教学体系，探索利用海洋工程虚拟模拟实验提高研究生的实践及创新机制。通过联合培养模式，增强学生的社会适应性，学位论文选题兼顾企业需求、理论深度、创新程度和可行性，提高科学研究和科技成果转化水平，培养学生的科研与实践能力，促进学生综合素质的发展。通过虚拟实验可解决三个方面的问题：校内教育方式单一，缺乏有效的创新教育模式，竞争意识不强；校内科研条件欠缺，创新人才的培养意识不强，原创性成果少，人才产出数量少；校外实训项目不连续，安全生产问题突出等。

五、总结

虚拟实验可以在教学过程中大显身手，通过前期模型处理，中期程序分析及后期图像、声音与动画展示，都可提高学生学习的积极性。教材内容和虚拟实验相结合，能显示复杂的海洋工程中的物理现象，进而使基础理论知识得以应用，抽象问题得以形象化。通过现代教学技术与传统教学方法相结合，不断改进教学方法，提高教学质量。同时，学生参与虚拟实验，有利于学生提高创新思维及发散思维，更好地洞察海洋工程中的物理含义，理解课本中的知识，激发学生学习兴趣。此外，还能提高学生使用计算机的能力。虚拟实验的开展，能够充分调动学生学习的积极性与主动性，进而可以为海洋工程建设的发展培养出具有一定科研能力的技术型人才。

参考文献：

[1]贺林林.港口航道与海岸工程专业桩基工程课程教学改革探索[J].科学咨询:科技.管理,2016,(32):170.

[2]刘红英,刘红坤.有限元模拟技术在物理实验教学中应用实例分析[J].物理教学,2014,(8):33-34.

[3]刘荣.大数据时代背景下教育管理模式变革探析[J].教育教学论坛,2017,(11):17-18.

[4]吴旻,刘煜.以工程实践和科研创新能力为核心的生物制药卓越工程师人才培养模式探索[J].教育教学论坛,2017,(2):121-123.

[5]任之光,梅红.双创背景下高校教育教学改革探索研究[J].中国高教研究,2017,(1):86-90.

[6]李培根,许晓东,陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究,2012,(3):13.-153

作者：赵恩金 牟林 程飞 蒋浩宇 李健 单位：中国地质大学（武汉） 海洋学院 中国地质大学深圳研究院