项目描述

实验教学方法

1、采用的教学方法

风浪流水槽波浪生成机制与运动过程探究虚拟仿真实验采用“层次渐进，虚实结合、教学相长”的教学方法。

其中“层次渐进”指的是本实验有实验操作、DIY自主搭建实验和创新性实验设计三个层次。实验操作可以看作是风浪流水槽波浪生成机制与运动过程探究虚拟仿真实验的初阶，DIY自主搭建实验是中阶，创新性实验设计是高阶。

实验操作环节应当熟练实验步骤，掌握实验原理，探究波浪生成机制和运动过程。DIY自主搭建实验环节是从老师预先搭建的平台中选择合适的地形、底质、坡角，以及仪器，进行地形实验、底质实验、坡角实验、消波实验、海气交换实验、破波实验、湍流实验、降雨实验、内波实验等，这些实验是相对成熟的实验。主要是为了给同学打开一扇窗，水槽实验可以怎么做，可以做什么。在此基础上，启发同学们对水槽实验的兴趣。通过虚拟仿真系统中的DIY实验设计模块，学习各种水槽实验的设计方法，完成对创新性实验设计的初步培训。高阶的创新性实验可以脱离老师搭建的平台。

同学们通过平台的低阶、中阶的学习和训练，掌握了实验的设计方法和实验技能，对风浪流水槽实验有了比较深刻掌握。如果在这个过程中启迪出了一些科学问题和实验方案，就可以结合风浪流水槽虚拟仿真平台和开源虚拟仿真软件自行搭建、设计和模拟实验。教师会针对学生的实验进行评价，选择有价值、较成熟的项目到实体水槽实验场地进行实验。对不成熟的实验方案进行特别的指导，最终的考核也会全面地对学生的实验操作及实验设计进行评价。除此之外，也会将同学们设计的较成熟的方案纳入到风浪流水槽虚拟仿真平台，进一步充实风浪流水槽波浪生成机制与运动过程探究虚拟仿真实验，实现“虚实结合、教学相长”。

“层次渐进，虚实结合、教学相长”的实验教学方法，开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，强烈激发学生的实验兴趣，极大地提高了学生的实验操作技能及设计创新性实验的能力。

2、教学方法的使用目的

本虚拟仿真实验旨在充分发挥现代信息技术的作用，将虚拟仿真与实践教学有机融合，解决实体风浪流水槽实验危险系数高、实验难度大耗时长、实验资源匮乏且成本高、实验设备性能有局限性等问题。通过实验操作、自主搭建实验和创新实验设计三个层次，构建多维互动、层次渐进的虚拟仿真实验教学体系，让学生深入探究波浪的生成机制与运动过程，掌握探究实验的设计方法和实验技能，起到了重要的教学辅助功能，不仅开拓了学生的视野，构建更完整的知识体系，也有利于在全国范围内应用共享，扩大受益面。

改变了教师传统的注入式教学方式，强调“以学生为中心”的实验教学理念，将学习资源开发，学习空间开放，以学生自己学习为主，教师指导为辅，教师尊重学生的想法，鼓励、引导学生主动学习，自主设计实验，教师与学生融为一体，共同完成实验项目，使学生更好地获取知识和技能，为培养具有探索创新精神、实践能力、自主学习能力的海洋科学人才贡献力量。

3、教学方法的实施过程

图2-7-1 风浪流水槽波浪生成机制与运动过程探究虚拟仿真实验结构图

在仿真平台上，虚拟仿真实验教学一共设置了预习、演示、学习、考核和报告5个系统；

各系统的功能如下：

预习系统：该系统类似于实验教材，有实验目的、原理、操作步骤、注意事项等；

演示系统：实验全过程规范操作的录像，便于学生快速地从整体上了解实验内容；

学习系统：文字、声音和高亮等提示帮助下，人机交互，一步一步指导学生学习完成整个实验；

考核系统：无任何提示进行操作考试，考核结束后系统自动给出分数。

报告系统：考核完成后，需撰写实验报告，包括实验目的、原理、实验数据处理和结果、实验结论以及对该实验设计的评价和建议，提交给老师评阅。

该教学方式充分利用了“虚拟仿真实验”的现代信息技术特点，可以实时培训，避免人力财力的大量消耗，学生可以自由地在任何地方随时体验，不受时空限制，在教师的引导下，学生通过网络智能化地学习。学习过程如下：

“学习”系统：该系统学生与虚拟仿真系统互动，每步操作有文字和高亮提示，重点部分还有语音提示，如果有学生在实验时进行不下去了，可以使用“帮助”，里面有常见问题的解决方法，也可以切换至“演示”系统观看正确操作的视频。

“考核”系统：学生做完实验练习，进入考核系统进行实验考核，所有操作都没有任何提示，如果有学生在考核时进行不下去了，可以请求提示，每提示一次，该提示步骤不得分且从总分扣除2分。考核完成后，系统自动给出考核总分以及操作正确的得分项和操作错误的扣分项。

“报告”系统：学生考核完成后，要撰写实验报告，包括实验目的、原理实验数据处理和结果、实验结论以及对该实验的评价和建议，并提交给老师。

4、教学方法的实施效果

（1）项目建设和应用

2018年，为满足《海浪原理与计算》课程建设与教学需求，项目组结合教学科研成果，在2018年度校级虚拟仿真实验教学项目的资助下，研发了风浪流水槽波浪生成机制与运动过程探究虚拟仿真实验。该虚拟仿真实验于2018年3月1日校内上线使用，随后在2016-2018级海洋科学专业的《海浪原理与计算》课程中进行了应用。根据使用效果，对预设参数、实验步骤及考核要求等进行了优化。

2020年，本虚拟仿真实验又获得教育部-北京润尼尔网络科技有限公司产学合作协同育人项目和2020年度校级虚拟仿真实验教学项目的资助，对DIY模块和流场实验进行进一步建设。

本虚拟仿真实验的建设过程中，始终秉持“虚实结合，绿色共享”的理念，坚持“以学生为中心”。学生普遍评价虚拟仿真系统给他们带来了前所未有的体验。例如，传统实习必须依赖传统的风浪流水槽进行实验，水槽实验的水电耗费巨大，难以让每位同学都进行实际操作和实验，更别说多次操作实验了。而本虚拟仿真实验基于PC端设计，使得实践教学具有开放性、交互性和易操作等优点，不受时空条件的限制，不限制同学们操作和实验的次数。

学生可以在实习的不同阶段进行自主学习，充分学习海浪的相关知识点，学习水槽实验的设计和操作技能。当设计和操作熟练之后，再在实体水槽中进行实验，实验效果更佳。“虚实结合”的新型实习模式鼓励学生自由探索、大胆实践，极其方便有效地延伸课外自主学习，让学生乐在其中。大大降低了指导教师的压力、提高了学习效率，并显著拓展了实习的深度和广度。

本虚拟仿真系统于2018-2020年在2016-2019级海洋科学专业168人次，海洋技术专业293人次，海洋渔业科学与技术专业250人次，海洋资源与环境专业167人次，共878人次。加上社会服务，共计2320人次。

（2）推广共享

① 2019年9月，项目负责人于潭在上海海洋大学海洋讲坛中，以“深入学习习近平的网络安全思想，提升学院虚拟仿真教学水平海洋类虚拟仿真项目建设申报经验浅谈”为题目，分享本虚拟仿真实验的建设申报经验（图 2-7-2）。

图 2-7-2 于潭在上海海洋大学海洋讲坛中分享建设申报经验

② 2020年2月，教育部高等学校水产类教学指导委员会发起了关于疫情防控期间充分利用在线教学资源、推动在线授课的倡议，包括华南农业大学在内的海洋类、水产类高校积极响应，本虚拟仿真项目进入了推荐名录（图 2-7-3）。

全国高校水产类在线开放课程资源推荐表（按课程名称排序）（第1批）
序号	课程名称	课程负责人	所在单位	开课平台	课程网址
3	淡水经济鱼类人工繁殖虚拟仿真实验	曹小娟	华中农业大学	华中农业大学虚拟教学实验平台	http://211.69.130.59:8080/virindex/index.html
4	动物生理学	李大鹏	华中农业大学	爱课程	http://www.icourse163.org/course/HZAU-1001546002
5	动物生理学	马恒东	四川农业大学	爱课程	https://www.icourse163.org/course/SAU-1449585161
6	动物生理学实验	汤蓉	华中农业大学	爱课程	http://www.icourse163.org/course/HZAU-1205723815
7	动物生物学	张耀光等	西南大学	爱课堂	http://www.hxx100.com/show.php?id=4999
8	动物学	姬伟	华中农业大学	爱课程	http://www.icourse163.org/course/HZAU-1002478006
9	对虾人工育苗虚拟仿真实验	刘红	上海海洋大学	实验空间国家虚拟仿真实验教学项目共享平台	http://www.ilab-x.com/details/v5?id=5047&isView=true
10	饵料生物培养学	蒋霞敏	宁波大学	超星平台	https://mooc1-1.chaoxing.com/course/94142240.html
11	分子细胞生物学	王亚军	宁波大学	超星平台	http://mooc1.chaoxing.com/course/200727830.html
12	风浪流水槽波浪生成机制与运动过程探究虚拟仿真实验	于潭	上海海洋大学	上海海洋大学虚拟教学实验平台	https://vlab.shou.edu.cn/virexp/waveflume