海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验

海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验

海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验教学指导书

一、实验简介

      出现于21世纪初的海底观测网是海洋探索方式的重大变革。同济大学充分发挥“海洋科学”一流学科的教学与科研综合优势,依托海底科学观测网国家重大科技基础设施这一“国之重器”的建设经验,将国际先进的海洋观测技术和高水平的科研成果转化为教学资源,科教融合,自主开发了《海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验》。

       实验课程坚持以学生为中心、立德树人为根本的教学理念,利用虚拟仿真技术构建了从岸基到海底的具有开放性、扩展性的组网观测场景,高度再现了组网观测过程,使学生能够“身临其境”地开展观测网基本组成认知、观测平台设计集成、组网观测技术应用三个环节的实验,掌握观测网基本组成和工作原理的知识,构筑根据观测需求开展观测平台设计的基础,锻炼应用理论知识解决组网观测实际问题的能力;同时,结合知识角中热点资讯和科技前沿等拓展阅读,潜移默化地激发学生的专业自豪感和投身“海洋强国”建设的使命感。本实验已被认定为上海高等学校一流本科课程,面向高校和社会免费开放。

       所属课程:《海洋技术导论》、《海上专业综合实习》等专业课程

       实验类别:综合设计型课程实验;

       实验授课课时:6学时

       面向专业:海洋类相关专业



图1 海底科学观测网示意图

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二、教学目标

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2.1 教学总体目标

        《海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验》课程坚持以学生为中心、以立德树人为根本的教学理念,通过虚拟仿真所营造的情景体验式的教学环境,使学生循序渐进地开展“基本原理知识学习、分析设计基础构筑、创新思维能力提升”的学习实践过程,完成“基础认知、分析设计、应用探索”三个层次的训练,实现以下具体教学目标:

        ① 在观测网基本组成认知环节:帮助学生认知岸基站、主干网系统、终端观测系统、监控与数据中心等关键组网单元的结构和功能,使学生掌握观测网基本组成和工作原理的知识。

        ② 在观测平台设计集成环节:帮助学生掌握风、浪、流等环境载荷对于坐底、潜标和浮标观测平台作用力的计算方法,引导学生探究海洋环境载荷对观测平台结构设计影响的解决方案,使学生建立从“结构组件”到“系统设计”的整体思维,构筑根据不同观测需求开展设计的基础。

        ③ 在组网观测技术应用环节:通过设计缺氧和藻华观测任务,引导学生开展终端观测系统配置、组网拓扑设计、海光缆选型和施工以及数据管理和应用的工作,锻炼学生应用理论知识解决实际工程问题的能力,提升创新思维能力。

        ④ 通过知识角中热点资讯和科技前沿等拓展阅读资料,结合海底科学观测网国家重大科技基础设施课程思政教育基地的实体支撑,将思政教育潜移默化地融入到实验教学过程,激发学生的专业自豪感以及投身“海洋强国”建设的情怀和使命感。



图2 学习实践过程图示


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2.2 课程所支撑的毕业要求指标点

       对照工程教育认证的十二条毕业要求,结合《海洋技术导论》课程所支撑的四条毕业要求指标点,《海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验》重点支撑下表所列的毕业要求指标点。


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三、教学内容

        同济大学依据《海洋技术导论》课程大纲和关键知识点,建立了循序渐进、《海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验》教学体系:按照“基础认知、分析设计、应用探索”的教学脉络,科学设置了“观测网基本组成认知”、“观测平台设计集成”、“组网观测技术应用”三个层层递进、逐步提升的实验环节及相关子环节(图3),教师可参照实验系统内容的知识提示及相关知识点开展教学。同时,教师还可借助知识角中热点资讯和科技前沿等拓展阅读资料,潜移默化地激发学生的专业自豪感和投身“海洋强国”建设的使命感。

       本实验具备较强的应用性和普适性。所设置的三大实验环节及其对应的步骤既层层递进又各自独立。因此,在高校人才培养、相关行业培训等实际应用中,教师可根据专业要求、课程需求、教学目的以及教学对象的能力层次等实际情况,自主选择实验环节组合开展实验,灵活配置实验的难易程度,实现分层次教学。如:

       ① 以了解或掌握观测网基本组成及工作原理为目标的认知教学,可选择第一环节开展实验;

       ② 以培养工程实践能力为目标的行业培训或工程训练教学,可选择第一、三环节开展实验;

       ③ 以建立“认知-设计-实践”整体思维为目标的能力提升教学,可完整利用第一、二、三环节开展实验。
       各实验环节教学内容具体如下所示。



图3 教学设计脉络图


 

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环节一:观测网基本组成认知

        本环节包含岸基站、主干网系统、终端观测系统、监控与数据中心认知共4个子环节,帮助学生通过对观测网关键组网单元及其主要设备的认知,掌握观测网基本组成和工作原理,涉及4个知识点、4个交互步骤,共需1个学时。

        ① 知识点:
            岸基站功能
            主干网系统组成和功能
            终端观测系统组成和功能
            监控与数据中心工作原理和流程

        ② 教学重难点:
            终端观测系统及其主要设备的结构、特性和功能,监控与数据中心工作流程。

        ③ 教学过程:
            学生根据步骤引导,逐个点击并观察“岸基站”、“主干网系统”、“终端观测系统”以及“监控与数据中心”的主要结构和相关设备,并结合针对功能的详细说明开展认知学习。本环节主要根据学生的点击操作计算分数,学生必须按照步骤引导和任务要求逐个点击,方能获取全部分数,如有遗漏将扣除相应分数。

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环节二:观测平台设计集成

        本环节包括坐底观测平台、潜标观测平台以及浮标观测平台设计集成共3个子环节,需要开展风、浪、流等载荷对坐底、潜标、浮标观测平台设计影响的计算和评估教学,旨在培养学生根据实际观测需求开展终端观测平台设计的能力,涉及8个知识点、13个交互步骤,共需3个学时。

        ① 知识点:
            坐底观测平台海流载荷分析
            坐底观测平台稳定性设计
            坐底观测平台沉积物承载力/吸附力分析
            潜标观测平台主浮体/传感器包静力学及姿态分析
            潜标观测平台海床基配重计算
            潜标观测平台优化设计
            浮标观测平台海流/波浪/风载荷响应计算
            浮标观测平台锚泊系统设计

        ② 教学重难点:
            坐底观测平台稳定性设计、潜标观测平台优化设计、浮标观测平台海流/波浪/风载荷响应计算。

        ③ 教学过程:
            本环节为学生提供了海洋观测平台设计的框架和相关随机参数,教师可引导学生利用知识点课件库学习相关的分析方法,并通过实验操作完成观测平台分析设计的训练,建立从“结构组件”到“系统设计”的整体思维,打下设计的基础。本环节中,系统提供三次重复实验机会且计算误差允许在5%范围内,操作错误后允许重做,但获取的分值随着实验次数的增加而递减。
            在坐底观测平台设计集成子环节中,系统给出常规配置的坐底观测平台模型及其主要特性参数。学生根据系统提供的设计框架和随机获得的相关海洋要素参数,开展海流和沉积物等环境要素对坐底观测平台影响的计算评估,掌握在不同环境要素下实现坐底观测平台的设计;系统会根据学生的个性化设计给出平台布放动画及评估意见,引导学生不断完善和优化设计,为今后根据科学观测需求开展坐底观测平台的设计打下基础。
            在潜标观测平台设计优化子环节中,学生首先通过装配简化的潜标模型加深对潜标结构的认识;然后随机获取不同的海洋环境关键要素——海流流速值,利用系统简化配置的经验潜标系统模型开展平台结构静力学设计计算及优化设计,探究该环境要素对系统设计结果有直接影响。若计算错误或设计不合理,系统会提示学生重新操作。
            在浮标观测平台集成探究子环节中,学生通过自主设计浮标形状及尺寸,对比分析和评估不同浮标结构条件下风、浪、流等环境载荷的响应,若结构设计不合理或计算结果有误,系统将提示学生重新设计或计算。完成浮标观测平台设计和载荷响应评估后,学生将初步掌握海洋环境载荷设计规范和设计要素,为今后开展浮标的全面设计打下基础。

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环节三:组网观测技术应用

        本环节包括观测系统配置、组网设计与施工、数据管理与应用共3个子环节,锻炼学生应用所学知识、根据工程实际需求,开展海底观测网组网观测设计的能力,涉及4个知识点、4个交互步骤,共需2个学时。

        ① 知识点:
            针对缺氧/藻华观测目标开展观测系统配置
            组网拓扑结构设计模拟实验
            海光缆选型、埋深设计以及施工方式
            数据接收、预处理、存储和可视化方法

        ② 教学重难点:
            针对缺氧/藻华观测目标开展观测系统配置

        ③ 教学过程:
            本环节中,学生首先需要了解东海海域情况及缺氧、藻华科学观测要求,然后对观测平台、传感器进行选配;若装配错误,系统会给出提示引导学生重新开展观测系统配置。然后,学生查看海缆铺设推荐路由概况,并完成组网拓扑结构设计模拟操作,进而选择海光缆埋设深度及施工作业方式;若设计与施工不合理,系统会提示学生重新操作。最后,学生通过缺氧、藻华观测的案例开展海洋数据的接收、预处理、存储以及可视化训练,可视化操作中学生可自主设计可视化界面。本环节为学生提供了三次操作机会,操作错误后允许重做,但获取的分值随着实验次数的增加而递减。

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四、教学和实验方法

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4.1 教学方法

       在教学过程中,教师需巧妙地运用本实验设计的“任务驱动式”、“交互体验式”、“容错探究式”的教学方式,帮助学生循序渐进地开展各环节的自主操作和探究。以下分别阐述上述实验教学方法的使用目的、实施过程与实施效果。



图4 教学方法


        任务驱动式教学方法:本实验根据教学目标,在各实验环节设置了明确的任务要求。在教学过程中,教师需首先引导学生认真阅读并理解任务目标的具体要求;然后,通过任务驱动学生开展自主式的学习和探究,鼓励学生通过知识角开展拓展阅读,激发学生的实验兴趣,使学生体验完成实验任务的满足感。

        交互体验式教学方法:本实验利用虚拟仿真技术,真实还原了由海面到海底全方位、立体化的实验场景,科学再现了海底观测网的组网构建过程。教师应充分利用实验资源,引导学生认真体验实验场景,并通过微信群、论坛等积极开展在线互动和交流讨论,使学生“身临其境”地开展“沉浸式”交互操作。

        容错探究式教学方法:根据学生的实际操作,系统自动给出评判及评估意见,并允许学生进行修正和优化。因此,当学生设计结果有误或者不理想时,教师应结合该教学方法,指导学生认真反思实验结果、分析错误原因,并汲取经验进一步探索,使学生充分感受到发现问题、解决问题的乐趣,激发学生的求知欲,并在探究过程中提高学生的创新思维能力。

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4.2 实验方法

        在教学过程中,为加强学生对于知识的理解和掌握,教师应关注虚拟仿真实验系统提供的科学观察法、对比法、控制变量法、案例分析法、图像法等实验方法,引导学生综合应用。举例说明如下。

        科学观察法:在观测网基本组成认知环节,对岸基站、主干网系统、终端观测系统以及监控与数据中心等海底科学观测网基本组成进行了高度仿真。学生可使用鼠标及其滑轮对各类观测平台、传感器等模型进行360°旋转和缩放以利于科学观察,并结合理论知识的详细介绍,形成对观测组网各组成部分及其相关设备结构、功能及其工作原理的认知。

        对比法:在观测平台设计集成环节,学生可通过浮标观测平台的桅筒参数设置进行两种浮标结构的自主设计,若设计方案无法满足平台设计要求,学生则需回到界面继续修改优化。完成平台结构设计后,学生通过风作用力分析和力矩估算,比较不同结构参数下浮标对风载荷的响应情况,进一步探讨方案一和二的优劣,提升分析设计能力。

        控制变量法:在观测平台设计集成环节,学生可随机获取海流速度、波高、水深等参数,利用控制变量法进行多次计算和平台优化设计。通过该实验方法,学生可探究风、浪、流等载荷对坐底观测平台的稳定性、潜标观测平台的结构姿态、以及浮标观测平台浮性和稳性设计的影响及其解决方案,进而建立起从“结构组件”到“系统设计”的整体思维,为今后在不同环境下根据实际观测需求开展平台设计打下基础。

        案例分析法:在组网观测技术应用环节,学生需要对A3观测节点开展案例分析。通过思考如何根据A3节点的科学观测目标开展终端观测系统配置,从而理解观测平台和观测仪器配置的基本原理、合理性和科学性,构建组网观测技术应用的整体思维,为针对藻华、缺氧观测需求开展终端观测系统配置的工程实践打下基础。

        图像法:在组网观测技术应用环节,学生可利用图像法体验数据的应用管理和可视化过程。学生将坐底、潜标以及浮标观测平台上的各类传感器拖动到可视化界面,系统会自动将观测数据生成可视化图像,从而可以直观地了解温度、盐度、溶解氧浓度等关键海洋参数的变化过程和规律。该实验方法进一步加深了学生对观测网可实现从海底到海面的全天候、长期、连续、实时的高分辨率和高精度观测的理解。

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五、教学过程

       本实验设计了“基础认知、分析设计、应用探索”3个层次的实验环节,在实验教学过程中,巧妙地将“任务驱动式”、“交互体验式”、“容错探究式”的教学方法综合应用于三大实验环节,引导学生在海底观测网组网观测虚拟仿真场景中,利用科学观察法、控制变量法、对比法、图像法等实验方法由浅入深、循序渐进地开展学习和实践过程(图5)。



图5 教学过程示意


       教学过程中,教师需提醒学生了解并充分利用本实验的课程服务体系、认真阅读各环节的任务要求和科学目标,引导学生“身临其境”地体验实验场景,并在任务驱动下自主开展交互操作以及互动讨论。本实验不仅在实验过程中为学生提供步骤对应的知识点,同时还在课程平台网站的“知识点课件库”中提供了丰富的拓展阅读资料,教师和学生可随时点击进入课程平台进行拓展学习。
       教师应为学生提供在线服务,鼓励学生根据系统提示不断修正实验结果和优化设计,实现容错式探究,循序渐进地开展“基本原理知识掌握、分析设计思维构筑、创新思维能力提升”的自主学习和实践过程。各环节具体的教学过程见如下所述。

       在“观测网基本组成认知”的教学环节中,通过设置“岸基站”、“主干网系统”、“终端观测系统”以及“监控与数据中心”四个子环节,将理论知识与观测组网构建过程紧密结合。学生根据任务要求和步骤引导,通过交互式操作和多角度科学观察,结合知识提示和知识角的详细介绍,实现对观测组网各组成部分的结构、功能及其相关设备的认知。该环节帮助学生掌握海底科学观测网的基本组成和组网观测的工作原理知识,构建科学全面的观测网认知体系,为学生开展观测平台设计、实现组网搭建以及观测数据的管理与应用奠定坚实的理论基础。
        在“观测平台设计集成”的教学环节中,通过提供观测平台的设计框架和相关参数,引导学生根据任务要求开展海洋观测平台的分析设计,并采用容错探究式教学方法,允许学生多次尝试以获取最优结果,培养学生构建理论设计、仿真验证、反复优化的工程设计思维,为其今后根据科学观测需求全面开展各类海洋观测平台的设计打下基础。
       “坐底观测平台”子环节:学生通过计算评估海流和沉积物等环境要素的影响,开展坐底观测平台的稳定性设计,从而掌握根据不同的环境要素实现坐底观测平台设计与优化的方法。
       “潜标观测平台”子环节:通过装配简化的潜标模型,进一步加深学生对潜标结构的认识。同时结合主浮体、传感器包静力学分析及姿态计算以及海床基配重计算,引导学生进行潜标观测平台的优化设计,获得最为科学有效、经济实用的设计方案。
       “浮标观测平台”子环节:引导学生自主选择浮标结构参数,对比分析和评估不同结构尺寸条件下风、浪、流等环境载荷的响应,初步掌握海洋环境载荷设计规范和设计要素,为今后开展浮标的全面设计构筑基础。

       在“组网观测技术应用”的教学环节中,以东海水深小于150m的内陆架海域为例,开展组网观测技术应用实践。该实验海域受到强烈的人类活动影响,缺氧、藻华等季节性生态环境事件发生频率较高。学生需根据实验设定的监测缺氧、藻华的科学观测目标,综合应用前期所学过的知识,开展终端观测系统配置、组网拓扑设计、海光缆选型和埋设设计以及施工方式选择等实践。实验过程中可根据系统评判不断优化设计,并通过案例学习掌握观测数据的管理和可视化展示,锻炼提升应用所学知识解决工程实际问题的创新能力。

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六、成绩评定参考

       本实验构建了多层次、多元化的综合评价体系,以求科学客观地反映学生的基础认知程度和创新实践能力。针对考核点设计了成绩评价模型(图6)。学生完成实验后,系统将自动依据该模型对各环节操作及结果进行单独打分,每环节按100分计算。在此基础上,系统按照30%、35%和35%的权重计算学生的实验总成绩(图7),合并生成最终的实验报告(表1)。



6 实验原理及成绩评价模型




图7 实验评分权重图示


        各高校和行业培训单位在进行实验分层次教学的时候,可以根据所选的实验环节从系统自动获取成绩,同时还可结合学生课堂表现、互动情况等对学生的学习情况进行综合评定。


表1 《海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验》实验报告



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七、教学注意事项

        本实验为综合设计型课程实验,具有较强的高阶性、创新性和挑战度。为确保教学质量,提出以下教学注意事项。

       1、不同高校和行业的教师可根据专业要求、课程需求、教学目的以及教学对象的能力层次等实际情况,自主选择实验环节组合开展实验,灵活配置实验的难易程度,实现分层次教学。如,① 以了解或掌握观测网基本组成及工作原理为目标的认知教学,可选择第一环节开展实验;② 以培养工程实践能力为目标的行业培训或工程训练教学,可选择第一、三环节开展实验;③ 以建立“认知-设计-实践”整体思维为目标的能力提升教学,可完整利用第一、二、三环节开展实验。

       2、实验前,教师需提前阅读教学指导书、电子教材、课程教案,观看简介视频、教学引导视频、教学视频,熟悉知识点课件库;并指导学生阅读实验指导书,观看教学引导视频和操作视频,帮助学生明确实验目的及各环节的知识点和重难点。

       3、教师选择符合“实验教学相关网络”条件要求的软硬件实验环境,以便集体安排学生开展实验,或确保学生在符合网络条件要求的环境中完成实验,以保证实验操作的流畅性。

       4、教学过程中,教师应引导学生充分利用实验指导书、知识提示及知识点课件库、在线服务等课程服务体系,自主开展组网观测设计创新和工程实践,并鼓励学生根据系统提示不断修正实验结果和优化设计,同时通过微信群、论坛、服务热线等方式为学生提供在线指导。

       5、实验结束后,请提醒学生点击“完成并提交”以生成实验报告,并在关闭实验界面前,点击界面右下角的“实验报告”链接进入课程平台查看报告并回顾实验过程。同时,教师可根据专业及课程的实际教学需求,结合系统自动给出的实验报告,为学生提供有针对性的课后指导。

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八、实验教学参考书

        《海洋技术基础》,陈鹰,海洋出版社,2018.(高等院校海洋专业规划教材)
        《海底观测:科学与技术的结合》,同济大学海洋地质国家重点实验室,同济大学出版社,2011.
        《海底科学观测的国际进展》,同济大学海洋地质国家重点实验室,同济大学出版社,2017.

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