（1） 专业与年级要求

       本实验属于同济大学海洋技术专业二年级学生的专业基础课《海洋技术导论》课程的授课内容。

鉴于本实验课程中“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”三个环节的实验内容具有相对独立性，全校其它专业的学生也可根据专业需求和个人能力选择不同的实验环节进行选修。

（2） 基本知识和能力要求

具备一定的海洋学知识和一定的计算机使用能力，具有自主学习能力和一定的自主探索能力，能够在基础认知、分析设计、应用探索三个层次的实验中总结分析特定实验结果背后的原因，将专业理论知识活学活用。

（3） 实验注意事项

       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，提出以下实验注意事项。

       ① 实验前，学生应认真阅读实验指导书，观看教学引导视频和操作视频，在教师指导下明确实验目的及各环节的知识点和重难点，奠定实验理论基础；

       ② 请选择符合“实验教学相关网络”条件要求的软硬件实验环境开展实验，以保证实验操作的流畅性。

       ③ 实验过程中，请仔细阅读各环节任务要求，并根据步骤引导开展实验。当实验结果不理想时，请根据系统提示认真修改；同时，还可通过微信群、论坛、服务热线等方式寻求在线指导。

       ④ 请充分利用知识角，通过知识点课件库开展拓展阅读，扩充自己的专业知识。

       ⑤ 完成实验后，请务必点击“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，并结合实验报告认真回顾实验过程，针对不足查找原因，并积极开展互动交流，以进一步巩固理论知识、提升创新思维能力。

1、海底观测网为人类在海底装上了“眼睛”，标志着全球海洋探索方式的变革。

       出现于21世纪初的海底观测网被认为是继地面与海面观测、遥感遥测后人类建立的第三种观测平台，标志着海洋探索方式的变革。它利用海底光电缆和无线声通信，将安装在海底固定、移动平台上的各种观测仪器与陆基信息设备互联，具备水下大功率远程充裕电能供给、海量双向数据传输能力，可实现全天候、长期、连续、实时的高分辨率和高精度的海洋观测。发达国家纷纷布局海底长期观测系统，将其作为新一代海洋科学的制高点之一。2009年加拿大建成了Neptune海底科学观测网；2016年6月6日，美国基金委宣布OOI海底观测网全面建成；欧洲和日本等国也已纷纷投入巨资建设海底观测网。

2、海洋强国建设急需具备自主创新实践能力的优秀海洋观测技术人才。

       建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术，海底长期组网观测技术是关乎国家海洋环境监测、灾害预警预报、能源资源开发、海洋权益维护等方面战略需求的核心技术。2017年我国启动海底科学观测网国家重大科技基础设施立项，由同济大学牵头统筹协调建设这一“国之重器”；同时，自然资源部等相关单位也纷纷计划启动海底观测业务网建设。这就对我国培养具备自主创新实践能力的海底观测网组网观测技术人才提出了迫切的需求。如何将科教融合、立德树人的教学理念融入教学全过程，通过开展“沉浸式”交互操作，不仅使学生掌握海底观测网组网观测知识并具备实践应用能力，而且潜移默化地激发学生投身海洋强国建设的情怀和使命感，是教学所面临的重要挑战。

3、海底观测网组网观测现场实验无法开展，传统教学方式难以理解，急需应用虚拟仿真方法进行实验教学。

       由于海底观测网建设在我国刚刚起步，除了在有限的科研论文和书籍中有关于海底组网观测技术的论述外，目前各种出版的教材中均无相关内容。海底观测网在设计、建设和运行管理过程中需要综合运用机械、电子、计算机、人工智能、大数据等多种海洋技术，根据科学观测需求建设的海底科学观测网还需要应用物理海洋、海洋化学、海洋生物等多种海洋科学知识，具有综合性强、复杂度高的跨学科特点，开展原理实验的难度大；且实施运行场景为广袤的海洋，内部组网观测过程不可见，真实实验成本高昂，因此，传统教学方式学生难以理解，应用虚拟仿真方法进行实验教学十分必要。

       为形象生动地传授海底科学观测网组网观测新知识，本项目团队遵循“学生为本-循序渐进-容错优化-科教融合”的设计原则，自主开发了海底科学观测网组网观测虚拟仿真实验。

（1）坚持以学生为本、自主学习探究的教学理念。

        坚持以学生为中心，以任务驱动为导向，科学合理地设置实验教学环节。实验基于三维虚拟仿真技术，真实还原了由海面到海底全方位、立体化、开放式、交互性的实验场景，并提供了内容详实的知识点和知识角，引导学生围绕任务开展自主式的学习和探究，身临其境地通过“沉浸式”交互式操作，高效有序地开展实验。

（2）设置科学合理、循序渐进的实验环节。

       实验依据《海洋技术导论》课程大纲和关键知识点建立了多层次、多模块的实验教学体系，使学生逐步完成“基础认知、分析设计、应用探索”三个层面的实验，循序渐进地开展“基本原理知识学习、设计分析能力训练、创新工程思维培养”的实践学习过程，充分掌握海底科学观测网的基本组成和工作原理以及典型组网观测技术和应用，初步构建海底观测网组网观测知识体系。

（3）实现容错探究、修正优化的实践操作。

       实验结果错误或不理想时，学生可根据提示和评估结果进行多次尝试，实现实验结果的修正和优化，从而使学生充分感受到探索、解决问题的乐趣，提升求知欲和探索能力，培养学生建立理论设计、仿真验证、反复优化的工程设计思维，以及设计计算、实践操作和工程应用的能力。

（4）坚持科教融合、立德树人的教育理念。

      建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术，海底长期组网观测技术是关乎国家海洋环境监测、灾害预警预报、能源资源开发、海洋权益维护等方面战略需求的核心技术。本实验充分利用团队所掌握的国际上最新的海底观测网组网观测相关知识，将高水平的科研成果转化为教学资源，在传授海底观测网组网观测新知识的同时，潜移默化地激发学生投身海洋强国建设的情怀和使命感。

       本实验坚持以学生为中心、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实验环节：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 通过知识角中海底观测国内外进展等方面的拓展阅读和对比，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，激发学生的专业认同感以及投身“海洋强国”建设的情怀和使命感。

       本实验采用任务驱动式教学方法，学生开展实验的过程，就是完成任务的过程，学生完成任务的质量是实验成绩评定的主要依据。

       本实验针对考核点设计了实验成绩评价模型，以该模型为基础，系统可分别针对学生在3个实验环节中的完成情况进行自动评分，最后再按照3个实验环节分别占30%、35%和35%的权重计算学生的最终实验成绩。

       每个实验环节的实验成绩评价标准（每环节按100分计算）如下：

一、“观测网基本组成认知”环节（占总成绩30%）

1、岸基站功能认知（5分）

        完成所有部件学习+5分，遗漏一项–1分；

2、主干网系统组成和功能认知（30分）

        完成所有部件学习+30分，遗漏一项–1分；

3、终端观测系统组成和功能认知（35分）

    ① 终端观测系统总体认知、仪器适配器简介与3D结构认知（4分）

        完成所有部件学习+4分，遗漏一项–1分；

    ② 坐底观测平台认知（7分）

        完成所有部件学习+7分，遗漏一项–0.5分；

    ③ 潜标观测平台认知（7分）

        完成所有部件学习+7分，遗漏一项–0.5分；

    ④ 浮标观测平台认知（9分）

        完成所有部件学习+9分，遗漏一项–0.5分；

    ⑤ 观测传感器认知（8分）

        完成所有部件学习+8分，遗漏一项–0.5分；

4、监控与数据中心工作原理和流程认知（30分）

         完成所有部件学习+30分，遗漏一项–1分。

二、“观测平台设计集成”环节（占总成绩35%）

1、坐底观测平台设计（30分）

         计算误差允许在5%范围内；

         全部正确+30分，错误一项–2分；

         针对每个单项，错误后允许重做，第一、二、三次正确分别计满分、85%分、70%分；其余计0分；

2、潜标观测平台设计（35分）

         计算误差允许在5%范围内；

         全部正确+35分，错误一项–2分；

         针对每个单项，错误后允许重做，第一、二、三次正确分别计满分、85%分、70%分；其余计0分；

3、浮标观测平台设计（35分）

         计算误差允许在5%范围内；

         全部正确+35分，错误一项–5分；

         针对每个单项，错误后允许重做，第一、二、三次正确分别计满分、85%分、70%分；其余计0分；

三、“组网观测技术应用”环节（占总成绩35%）

1、观测系统配置（30分）

         配置全部正确+30分，错误一项–3分；

         针对每个单项，错误后允许重做，第一、二、三次正确分别计满分、85%分、70%分；其余计0分；

2、组网设计与施工（30分）

         完成所有作业全部正确+30分，错误一项–3分；

         针对非认知观看的单项，错误后允许重做，第一、二、三次正确分别计满分、85%分、70%分；其余计0分；

3、数据管理及应用（40分）

         配置全部正确+40分，错误一项–4分；

         针对每个单项，错误后允许重做，第一、二、三次正确分别计满分、85%分、70%分；其余计0分。