虛擬仿真實驗教學

◆ 虛擬(ni)仿真實驗(yan)教學特點與原則

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1. 堅持(chi)“能實(shi)不虛(xu),虛(xu)實(shi)結合(he)”宗旨

海洋科(ke)(ke)學的(de)虛擬仿真不同(tong)于其他學科(ke)(ke),具(ju)有非常(chang)強的(de)現勢性(xing),必須體(ti)現(xian)虛(xu)擬世界(jie)于真實(shi)(shi)(shi)世界(jie)的(de)(de)(de)(de)映(ying)射(she)關系。海(hai)洋(yang)科學虛(xu)擬仿真必須建(jian)立在大(da)(da)量的(de)(de)(de)(de)野(ye)外實(shi)(shi)(shi)習、野(ye)外觀(guan)測于真實(shi)(shi)(shi)性(xing)檢驗(yan)(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上,充分(fen)體(ti)現(xian)“能實(shi)(shi)(shi)不虛(xu),虛(xu)實(shi)(shi)(shi)結合”的(de)(de)(de)(de)建(jian)設原則。經過多(duo)年的(de)(de)(de)(de)發展,中心(xin)已經建(jian)成了(le)學生(sheng)創新性(xing)開(kai)放(fang)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)室,以及海(hai)水(shui)養殖、海(hai)洋(yang)保護生(sheng)物(wu)學、河(he)口水(shui)利、安(an)徽巢湖地(di)(di)(di)質(zhi)實(shi)(shi)(shi)習等(deng)野(ye)外教(jiao)學基(ji)地(di)(di)(di)等(deng),積累了(le)大(da)(da)量的(de)(de)(de)(de)實(shi)(shi)(shi)習數(shu)據(ju),基(ji)于南海(hai)海(hai)洋(yang)生(sheng)物(wu)技術國(guo)家工(gong)程研究中心(xin)、河(he)口水(shui)利技術國(guo)家地(di)(di)(di)方聯合工(gong)程實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)室、廣(guang)東(dong)(dong)省海(hai)洋(yang)資(zi)(zi)源(yuan)與近(jin)岸工(gong)程重(zhong)點(dian)(dian)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)室、水(shui)產品安(an)全(quan)教(jiao)育部重(zhong)點(dian)(dian)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)室、海(hai)洋(yang)微生(sheng)物(wu)功能分(fen)子廣(guang)東(dong)(dong)高校(xiao)重(zhong)點(dian)(dian)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)室、海(hai)洋(yang)石油(you)勘探(tan)開(kai)發廣(guang)東(dong)(dong)高校(xiao)重(zhong)點(dian)(dian)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)室、海(hai)洋(yang)生(sheng)物(wu)資(zi)(zi)源(yuan)與環境珠海(hai)市(shi)重(zhong)點(dian)(dian)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)室等(deng)資(zi)(zi)源(yuan),利用雙(shuang)頻動態RTK、聲(sheng)學多(duo)普勒(le)(le)剖(pou)面(mian)流(liu)速儀(yi)(yi)、溫鹽剖(pou)面(mian)儀(yi)(yi)、聲(sheng)學多(duo)普勒(le)(le)波浪儀(yi)(yi)、聲(sheng)學多(duo)普勒(le)(le)點(dian)(dian)式流(liu)速儀(yi)(yi)、全(quan)站儀(yi)(yi)、水(shui)準(zhun)儀(yi)(yi)等(deng)先(xian)進儀(yi)(yi)器設備獲取了(le)大(da)(da)量野(ye)外實(shi)(shi)(shi)地(di)(di)(di)觀(guan)測與真實(shi)(shi)(shi)性(xing)檢驗(yan)(yan)(yan)數(shu)據(ju),為海(hai)洋(yang)科學虛(xu)擬仿真提(ti)供了(le)堅(jian)實(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)數(shu)據(ju)基(ji)礎。

2. 融合虛擬仿真(zhen)技術(shu)(shu)與數值模擬技術(shu)(shu)

數(shu)值(zhi)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni),作為海(hai)(hai)洋(yang)科學研究的(de)(de)重(zhong)要手(shou)段,利用電(dian)子計(ji)算(suan)機,結合有(you)限元或有(you)限容積的(de)(de)概念,可以(yi)(yi)通(tong)過數(shu)值(zhi)計(ji)算(suan)和(he)圖像顯(xian)示的(de)(de)方法,對海(hai)(hai)洋(yang)的(de)(de)物(wu)理(li)特征實現(xian)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)和(he)再(zai)現(xian)。隨著虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)現(xian)實、互(hu)聯(lian)網、大數(shu)據、云計(ji)算(suan)等新興技術的(de)(de)迅猛(meng)發(fa)展,中(zhong)心(xin)將數(shu)值(zhi)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)技術融合到(dao)虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿真(zhen)中(zhong),建設了海(hai)(hai)洋(yang)科學虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿真(zhen)平(ping)臺(tai)(tai),以(yi)(yi)鮮(xian)明的(de)(de)多維(wei)可視(shi)化、動(dong)(dong)態互(hu)交(jiao)、實時計(ji)算(suan)等技術特色,對抽象、不可再(zai)現(xian)或者(zhe)難以(yi)(yi)表達的(de)(de)海(hai)(hai)洋(yang)現(xian)象及過程,展開(kai)數(shu)字仿真(zhen)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)、動(dong)(dong)態監測。虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿真(zhen)技術融合數(shu)值(zhi)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)技術,為海(hai)(hai)洋(yang)科學人才(cai)培養(yang)提供了新型(xing)的(de)(de)虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)教(jiao)學平(ping)臺(tai)(tai)。通(tong)過構建高度(du)仿真(zhen)的(de)(de)海(hai)(hai)洋(yang)虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)實驗(yan)環境和(he)實驗(yan)對象,中(zhong)心(xin)開(kai)發(fa)了珠江河(he)口虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿真(zhen)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)、近海(hai)(hai)赤潮虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿真(zhen)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)、GeoSeisInsight三維(wei)可視化(hua)體解釋、能(neng)量(liang)方(fang)程(cheng)實驗等虛擬仿真(zhen)實驗教學(xue)(xue)項目,引導學(xue)(xue)生在數字環(huan)境(jing)下深入學(xue)(xue)習(xi)與(yu)探索海(hai)洋環(huan)境(jing)的時(shi)空分(fen)布、動態演化(hua)規律(lv)、掌(zhang)握海(hai)洋科(ke)(ke)學(xue)(xue)數據采集、轉換(huan)、集成(cheng)、建模、分(fen)析的過(guo)程(cheng),增進學(xue)(xue)生的創新(xin)思維(wei)、實踐動手與(yu)科(ke)(ke)學(xue)(xue)研究(jiu)能(neng)力,培養具有海(hai)洋科(ke)(ke)學(xue)(xue)觀的綜合性(xing)創新(xin)人才(cai)。

3. 強調(diao)“校企聯合,協同創新”原則

當今(jin)海洋科(ke)學(xue)技術發展的大科(ke)學(xue)特(te)征越來越明顯(xian),從單一學(xue)科(ke)向多學(xue)科(ke)交叉融合的趨勢發展也十分顯(xian)著。海洋科(ke)學學院(yuan)積極推動校企(qi)合作,與中(zhong)國(guo)石(shi)油(you)勘探研究院(yuan)、中(zhong)國(guo)石(shi)油(you)集(ji)團東方地球物理(li)勘探有(you)限(xian)責(ze)任公司等聯(lian)合,實現了地震處理(li)解釋(shi)一體化軟件GeoEast以及新(xin)一代測井軟(ruan)件(jian)CIFLog在(zai)海(hai)洋(yang)地質教學中的應(ying)(ying)用,建立了應(ying)(ying)用地球物理虛擬仿真實(shi)驗(yan)室;在(zai)自主構建的南海(hai)海(hai)洋(yang)數(shu)值模型基礎(chu)上(shang),借(jie)助IT公司在虛擬仿(fang)真(zhen)開發(fa)技術(shu)優勢,研發(fa)出具(ju)有(you)擴展性(xing)(xing)、兼容性(xing)(xing)、前瞻性(xing)(xing)的管理和共(gong)享平(ping)臺。“協同創新”是海洋(yang)科學學院創立(li)的宗旨和長期堅持的辦學傳統,其要義就是要促進產(chan)、學、研、用(yong)等多主體間的(de)深度整合(he)、緊(jin)密融合(he),集中(zhong)優勢(shi)力(li)量聯合(he)攻關,通過全(quan)面(mian)開放(fang)、深度合(he)作,實(shi)現價值創(chuang)造,并提升創(chuang)新型人(ren)才培養能力(li)。中(zhong)山大學牽頭(tou)組(zu)建的(de)南(nan)海(hai)資源開發(fa)與(yu)保護(hu)2011協同創(chuang)新中心,2014年被(bei)認定(ding)為國家級(ji)協(xie)同(tong)(tong)創新中(zhong)心(xin)(xin)培育項目(mu)和(he)廣東省協(xie)同(tong)(tong)創新中(zhong)心(xin)(xin),2015年被批準(zhun)為(wei)珠海市協同創(chuang)新中心(xin),2016年中期績效檢查評估為“良好”。

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◆ 虛擬仿真實驗(yan)教(jiao)學效果(guo)(典型實驗(yan)項目)

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1. 珠江河口虛擬(ni)仿(fang)真模擬(ni)

針(zhen)對海洋科學(xue)(xue)專業學(xue)(xue)生,配合(he)(he)《數(shu)值(zhi)分(fen)析與計算(suan)方法(fa)》、《計算(suan)流體力學(xue)(xue)》、《海洋環境(jing)監測與評(ping)價》及野外認(ren)識性(xing)實(shi)習開發的(de)虛擬(ni)實(shi)驗(yan)項目(mu),實(shi)驗(yan)項目(mu)模擬(ni)真(zhen)(zhen)(zhen)實(shi)實(shi)驗(yan)中(zhong)用(yong)到的(de)器(qi)材和設備(bei),提供與真(zhen)(zhen)(zhen)實(shi)實(shi)驗(yan)相似(si)的(de)實(shi)驗(yan)環境(jing)。并要求地(di)形與真(zhen)(zhen)(zhen)實(shi)地(di)形數(shu)據庫一致(zhi),地(di)形需符合(he)(he)珠江入海口流域不少(shao)于100km的(de)地形(xing)地貌特征(zheng)。

(1)實(shi)驗目的(de): 通過“飛行、大橋、河網”各種視角的珠(zhu)江口虛(xu)擬(ni)仿真模擬(ni),展(zhan)(zhan)示珠(zhu)江入(ru)海口地(di)形(xing),流場及鹽度(du)規律,并可模擬(ni)現(xian)實測量流速、鹽度(du)、水位等信息的過程,并實現(xian)圖形(xing)化展(zhan)(zhan)示。

(2)實驗過程與效果:

1)通過漫(man)游視角,概(gai)覽珠江河口的流場,鹽(yan)度的規律

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 珠江(jiang)口自動漫游 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?珠江(jiang)口鹽度(du)動態地圖

2)規劃漫游路(lu)線進行瀏覽

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 規劃漫游路(lu)線(xian) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?設置漫游速度

3)通(tong)過飛行視角、港珠澳大橋(qiao)、河網全景視角認識珠江口水域

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 飛行視(shi)角(jiao) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? 大橋視(shi)角(jiao) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 河網(wang)視(shi)角(jiao)

4)放置測(ce)量點(dian),觀察(cha)流速、鹽度和水位信(xin)息等動態(tai)信(xin)息,曲線展示(shi)

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 放(fang)置測量點 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?測量水位

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2. 近(jin)海赤潮(chao)虛擬仿真模擬

(1)實驗(yan)目的: 通過三維影像模擬(ni),學(xue)生可(ke)以從不(bu)同視角觀察(cha)近海赤(chi)(chi)潮的(de)分布(bu)規律。學(xue)習和(he)了解赤(chi)(chi)潮在(zai)近海的(de)分布(bu)特(te)點

(2)實驗過程與效果: 水(shui)上近海(hai)赤(chi)(chi)潮(chao)分(fen)布,水下視角觀察赤(chi)(chi)潮(chao)移動

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 水上觀察赤潮分布 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 水下(xia)視角(jiao)觀察赤(chi)潮移(yi)動

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3. 港珠澳大橋模擬

(1)實驗目的: 通過三(san)維影像模擬(ni),使學生了(le)解港珠澳大橋模型(xing)及流場(chang)在大橋附(fu)近的分布規律。

(2)實驗過(guo)程與效果:

1)港珠澳(ao)大橋自動瀏覽

2)三(san)維顯示(shi)港珠澳大(da)橋模(mo)型

3)觀察港珠澳(ao)大橋附近流(liu)場分布規律

4)局部放大(da),顯示(shi)橋墩附近的局(ju)部漩渦區

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 港珠澳大(da)橋(qiao)自動瀏覽 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 三維(wei)顯示港珠(zhu)澳大橋模型(xing)

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 港珠澳大橋附近(jin)流場分布規律 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?橋墩附近的局(ju)部漩渦區(qu)

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4. 工區(qu)解釋的主要層位的構造等T0圖(tu)、速度圖(tu)、構造圖(tu)的制作

應(ying)用地球(qiu)物理的教(jiao)學基(ji)本(ben)采用虛(xu)擬仿真教(jiao)學為主,主要通過GeoEast地(di)(di)震(zhen)解釋(shi)系(xi)統實(shi)現對應(ying)用地(di)(di)球物理(li)(li)知識點的學(xue)習、理(li)(li)解與應(ying)用。

(1)實驗目的: 理(li)解地(di)震解釋的(de)工區概念,并學習制(zhi)作工區中某(mou)個(ge)地(di)層(ceng)(通常指(zhi)標志層(ceng))的(de)構(gou)造(zao)圖、速度圖等,分析地(di)層(ceng)的(de)構(gou)造(zao)特征。

(2)實驗過程與效果:

1)Basemap上將選(xuan)取其中一個強(qiang)軸,解釋其層位;

2)打開Geomapping,選取GridsàGrindding,將(jiang)在basemap上解釋好(hao)的(de)層位(wei)網格化(hua),輸出文件為(wei)zsl03.grid;再(zai)選取Contours-->Contouring,將zsl03.grid等值線(xian)化,輸(shu)出文件為(wei)zsl03.grid.con,即為解(jie)釋(shi)層位的(de)等T0圖;

3)導入解釋層位的速度(du)文件zsl03.velo.sca,選取(qu)GridsàGridding,將速度文(wen)件(jian)網格化(hua),輸(shu)出文(wen)件(jian)為zsl03.velo.sca.grid;再選取ContoursàContouring,將zsl03.velo.sca.grid等直線(xian)化,輸出文件為(wei)zsl03.velo.sca.grid.con,即為解(jie)釋(shi)層位(wei)的速度圖;

4)選(xuan)取GridsàCalculating,導入上述被網格(ge)化(hua)的(de)文件(jian)zsl03.grid時間圖)和zsl03.velo.sca.grid(速度圖(tu)),利用公(gong)式s=v*t,算出解釋(shi)層位(wei)的埋(mai)深,輸出文件為zsl03.velo.sca.grid.cal;再將其等值線(xian)化,輸出文件為zsl.velo.sca.grid.cal.con,即(ji)為解(jie)釋層位深度構造圖;

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? ? ? ? ? 單層位構造解釋(shi)等T0圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 層位速(su)度(du)等值線(xian)圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 層位解釋(shi)等深(shen)度構(gou)造圖(tu)

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5. 能量方程實驗

流體力學實驗以經典的儀器操作測量實驗方式為主,但在實驗過程9中往往會出現實驗儀器、場地或者(zhe)課時不(bu)足的情況,影響學(xue)(xue)生學(xue)(xue)習(xi)效(xiao)果。并且(qie)通過紙(zhi)質的課本進(jin)(jin)行實(shi)驗(yan)(yan)預習(xi)或在(zai)課堂(tang)上聽老(lao)師講解儀器(qi)結構(gou),對(dui)于儀器(qi)結構(gou)相對(dui)復雜的實(shi)驗(yan)(yan)而言效(xiao)果有限,導致學(xue)(xue)生在(zai)真(zhen)正進(jin)(jin)行實(shi)驗(yan)(yan)時驗(yan)(yan)效(xiao)率較低。針對(dui)上述問題,爱游戏app流(liu)體(ti)力學(xue)(xue)實(shi)驗(yan)(yan)教學(xue)(xue)采用儀器(qi)操作為主,網(wang)絡教學(xue)(xue)為輔的方(fang)式,引進(jin)(jin)浙江大(da)學(xue)(xue)水利實(shi)驗(yan)(yan)室研制的工程流(liu)體(ti)力學(xue)(xue)實(shi)驗(yan)(yan)CAI平臺,使學(xue)(xue)生可以(yi)在(zai)課前登錄平臺進(jin)(jin)行實(shi)驗(yan)(yan)操作及實(shi)驗(yan)(yan)原理的預習(xi),實(shi)驗(yan)(yan)之后也可登錄進(jin)(jin)行復習(xi)。

(1)實驗目的: 熟(shu)悉流體力學實(shi)驗(yan)中(zhong)經典(dian)的能量方(fang)程實(shi)驗(yan)的實(shi)驗(yan)儀器、使用方(fang)法、實(shi)驗(yan)原理及實(shi)驗(yan)過程。

(2)實驗過程與(yu)效果:

1)登錄工程(cheng)流體力學(xue)實(shi)(shi)驗(yan)CAI平臺(tai),選擇進(jin)入“能量(liang)方程(cheng)”實(shi)(shi)驗(yan)模塊。

2)點擊實驗(yan)原理,觀(guan)看實驗(yan)原理及操作流(liu)程視頻。

3)學(xue)習(xi)完成后進(jin)入操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)指南模塊,學(xue)習(xi)該實驗操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)步驟,并在下方虛(xu)擬儀器界面進(jin)行虛(xu)擬實驗操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)。分別進(jin)行流量(liang)(liang)調節(jie)、流量(liang)(liang)測量(liang)(liang)、測壓管(guan)水頭自動(dong)讀(du)取與記錄等操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)。

4)最后進行成果分析和習題討論(lun)。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?實驗(yan)原(yuan)理(li)操作流程(cheng) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?流量調(diao)節與測量

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