虚拟仿真实验教学

发布人:高级管理员 发布日期:2018-06-01

◆ 虚拟仿真实验教学特点与原则

 

1. 坚持“能实不虚,虚实结合”宗旨

海洋科学的虚拟仿真不同于其他学科,具有非常强的现势性,必须体现虚拟世界于真实世界的映射关系。海洋科学虚拟仿真必须建立在大量的野外实习、野外观测于真实性检验的基础上,充分体现“能实不虚,虚实结合”的建设原则。经过多年的发展,中心已经建成了学生创新性开放实验室,以及海水养殖、海洋保护生物学、河口水利、安徽巢湖地质实习等野外教学基地等,积累了大量的实习数据,基于南海海洋生物技术国家工程研究中心、河口水利技术国家地方联合工程实验室、广东省海洋资源与近岸工程重点实验室、水产品安全教育部重点实验室、海洋微生物功能分子广东高校重点实验室、海洋石油勘探开发广东高校重点实验室、海洋生物资源与环境珠海市重点实验室等资源,利用双频动态RTK、声学多普勒剖面流速仪、温盐剖面仪、声学多普勒波浪仪、声学多普勒点式流速仪、全站仪、水准仪等先进仪器设备获取了大量野外实地观测与真实性检验数据,为海洋科学虚拟仿真提供了坚实的数据基础。

2. 融合虚拟仿真技术与数值模拟技术

数值模拟,作为海洋科学研究的重要手段,利用电子计算机,结合有限元或有限容积的概念,可以通过数值计算和图像显示的方法,对海洋的物理特征实现模拟和再现。随着虚拟现实、互联网、大数据、云计算等新兴技术的迅猛发展,中心将数值模拟技术融合到虚拟仿真中,建设了海洋科学虚拟仿真平台,以鲜明的多维可视化、动态互交、实时计算等技术特色,对抽象、不可再现或者难以表达的海洋现象及过程,展开数字仿真模拟、动态监测。虚拟仿真技术融合数值模拟技术,为海洋科学人才培养提供了新型的虚拟教学平台。通过构建高度仿真的海洋虚拟实验环境和实验对象,中心开发了珠江河口虚拟仿真模拟、近海赤潮虚拟仿真模拟、GeoSeisInsight三维可视化体解释、能量方程实验等虚拟仿真实验教学项目,引导学生在数字环境下深入学习与探索海洋环境的时空分布、动态演化规律、掌握海洋科学数据采集、转换、集成、建模、分析的过程,增进学生的创新思维、实践动手与科学研究能力,培养具有海洋科学观的综合性创新人才。

3. 强调“校企联合,协同创新”原则

当今海洋科学技术发展的大科学特征越来越明显,从单一学科向多学科交叉融合的趋势发展也十分显著。海洋科学学院积极推动校企合作,与中国石油勘探研究院、中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司等联合,实现了地震处理解释一体化软件GeoEast以及新一代测井软件CIFLog在海洋地质教学中的应用,建立了应用地球物理虚拟仿真实验室;在自主构建的南海海洋数值模型基础上,借助IT公司在虚拟仿真开发技术优势,研发出具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平台。“协同创新”是海洋科学学院创立的宗旨和长期坚持的办学传统,其要义就是要促进产、学、研、用等多主体间的深度整合、紧密融合,集中优势力量联合攻关,通过全面开放、深度合作,实现价值创造,并提升创新型人才培养能力。中山大学牵头组建的南海资源开发与保护2011协同创新中心,2014年被认定为国家级协同创新中心培育项目和广东省协同创新中心,2015年被批准为珠海市协同创新中心,2016年中期绩效检查评估为“良好”。

 

 

◆ 虚拟仿真实验教学效果(典型实验项目)

 

1. 珠江河口虚拟仿真模拟

针对海洋科学专业学生,配合《数值分析与计算方法》、《计算流体力学》、《海洋环境监测与评价》及野外认识性实习开发的虚拟实验项目,实验项目模拟真实实验中用到的器材和设备,提供与真实实验相似的实验环境。并要求地形与真实地形数据库一致,地形需符合珠江入海口流域不少于100km的地形地貌特征。

(1)实验目的:通过“飞行、大桥、河网”各种视角的珠江口虚拟仿真模拟,展示珠江入海口地形,流场及盐度规律,并可模拟现实测量流速、盐度、水位等信息的过程,并实现图形化展示。

(2)实验过程与效果:

1)通过漫游视角,概览珠江河口的流场,盐度的规律

 

 

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                                  珠江口自动漫游                                                                              珠江口盐度动态地图

2)规划漫游路线进行浏览

 

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                                  规划漫游路线                                                                设置漫游速度

3)通过飞行视角、港珠澳大桥、河网全景视角认识珠江口水域

 

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                          飞行视角                                                                     大桥视角                                                               河网视角

4)放置测量点,观察流速、盐度和水位信息等动态信息,曲线展示

 

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                                放置测量点                                                              测量水位

 

2. 近海赤潮虚拟仿真模拟

(1)实验目的:通过三维影像模拟,学生可以从不同视角观察近海赤潮的分布规律。学习和了解赤潮在近海的分布特点

(2)实验过程与效果:水上近海赤潮分布,水下视角观察赤潮移动

 

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                                  水上观察赤潮分布                                                                     水下视角观察赤潮移动

 

3. 港珠澳大桥模拟

(1)实验目的:通过三维影像模拟,使学生了解港珠澳大桥模型及流场在大桥附近的分布规律。

(2)实验过程与效果:

1)港珠澳大桥自动浏览

2)三维显示港珠澳大桥模型

3)观察港珠澳大桥附近流场分布规律

4)局部放大,显示桥墩附近的局部漩涡区

 

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                              港珠澳大桥自动浏览                                                                     三维显示港珠澳大桥模型

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                        港珠澳大桥附近流场分布规律                                                            桥墩附近的局部漩涡区

 

4. 工区解释的主要层位的构造等T0图、速度图、构造图的制作

应用地球物理的教学基本采用虚拟仿真教学为主,主要通过GeoEast地震解释系统实现对应用地球物理知识点的学习、理解与应用。

(1)实验目的:理解地震解释的工区概念,并学习制作工区中某个地层(通常指标志层)的构造图、速度图等,分析地层的构造特征。

(2)实验过程与效果:

1)Basemap上将选取其中一个强轴,解释其层位;

2)打开Geomapping,选取GridsàGrindding,将在basemap上解释好的层位网格化,输出文件为zsl03.grid;再选取Contours-->Contouring,将zsl03.grid等值线化,输出文件为zsl03.grid.con,即为解释层位的等T0图;

3)导入解释层位的速度文件zsl03.velo.sca,选取GridsàGridding,将速度文件网格化,输出文件为zsl03.velo.sca.grid;再选取ContoursàContouring,将zsl03.velo.sca.grid等直线化,输出文件为zsl03.velo.sca.grid.con,即为解释层位的速度图;

4)选取GridsàCalculating,导入上述被网格化的文件zsl03.grid时间图)和zsl03.velo.sca.grid(速度图),利用公式s=v*t,算出解释层位的埋深,输出文件为zsl03.velo.sca.grid.cal;再将其等值线化,输出文件为zsl.velo.sca.grid.cal.con,即为解释层位深度构造图;

 

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          单层位构造解释等T0图                         层位速度等值线图                         层位解释等深度构造图

 

5. 能量方程实验

流体力学实验以经典的仪器操作测量实验方式为主,但在实验过程9中往往会出现实验仪器、场地或者课时不足的情况,影响学生学习效果。并且通过纸质的课本进行实验预习或在课堂上听老师讲解仪器结构,对于仪器结构相对复杂的实验而言效果有限,导致学生在真正进行实验时验效率较低。针对上述问题,我院流体力学实验教学采用仪器操作为主,网络教学为辅的方式,引进浙江大学水利实验室研制的工程流体力学实验CAI平台,使学生可以在课前登录平台进行实验操作及实验原理的预习,实验之后也可登录进行复习。

(1)实验目的:熟悉流体力学实验中经典的能量方程实验的实验仪器、使用方法、实验原理及实验过程。

(2)实验过程与效果:

1)登录工程流体力学实验CAI平台,选择进入“能量方程”实验模块。

2)点击实验原理,观看实验原理及操作流程视频。

3)学习完成后进入操作指南模块,学习该实验操作步骤,并在下方虚拟仪器界面进行虚拟实验操作。分别进行流量调节、流量测量、测压管水头自动读取与记录等操作。

4)最后进行成果分析和习题讨论。

 

 

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                               实验原理操作流程                                                                                                      流量调节与测量