一、研究背景

党的十九大报告明确指出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”，说明建设海洋强国已成为国家战略部署中不可或缺的一环。同样“一带一路”倡议的实施也是海洋战略布局的重要一环。我国要在21世纪实现民族复兴，成为世界强国，走向海洋、建设海洋强国已成为重要的战略选择。海洋强国战略的有效实施需要海洋科学技术的发展作为有力支撑。加快建设海洋强国的进程中，海洋相关的高等教育面临着严峻的挑战。努力培养适应海洋产业发展需要的创新型人才、技术型人才和应用型人才，不断提高海洋知识和技术创新水平，已成为建设海洋强国进程中高等教育所面临的一项重大战略任务。为响应国家战略部署与时代需求，国内诸多高校陆续增设海洋工程与技术专业，以培养海洋技术人才[1]。

由于海洋工程结构庞大且所处海洋环境极为复杂，海洋工程实践具有高风险、高技术、高投入等特点，在大学阶段学习的学生难以实地地接触海洋工程结构物且直观地观测海洋环境，因此，在海洋工程专业学生的培养阶段，大部分海洋工程知识通过课堂讲述的方法将知识传授给本专业学生，教学方式单一且效率较低。随着科技的不断发展，多媒体手段不断应用到课堂教学中，通过观看视频或者动画的演示，能够清楚地看出海洋环境风场、波浪场以及流场的变化，除此之外，海洋工程设计、建造、海上安装、施工等过程也能较为直观地展示出来[2]。

但是，海洋工程与技术专业为工科专业，需要更多的实践提高技术及创新能力。在海洋工程实地实践受限的情况下，如何提高研究生的实践创新能力成为教学改革的重要研究内容。针对教学实践的这一短板，本论文提出采用虚拟实验的方法提高研究生的实践及创新能力。从而，使我校未来的海洋技术人才更好地适应市场和社会的需要，将其培养成一批批合格的海洋强国战略实施者。

二、虚拟实验分析

海洋工程专业作为一门应用学科，有着与其他理论学科的不同之处，作为一门以观察和实践为基础的学科，其揭示了海洋工程领域内的自然科学规律。在进行观察与实践时，受工程环境、复杂设施等的条件限制，很难实现现场观测及数据收集和处理，对本专业的教学质量有一定的影响。随着计算机和数值理论计算方法的不断进步和发展，使得“理论分析”、“数值模拟”和“虚拟实验”三者相互促进，成为现代工程学科的三大支点[3，4]。

虚拟实验主要借助构建的物理模型，利用有限元模拟软件或程序运行软件的计算，通过输出声音、图像、动画等功能模拟海洋工程物理现象，诠释物理规律，演示运动过程；突破真实实践条件，排除任何外界环境条件的干扰，通过数值模拟精确地得到试验的结果，以方便地开展实践教学并提高教学成果。

一套完整的虚拟实验程序，分为前处理、计算分析和后处理三个阶段。前处理为基础数据搜集和模型成型。例如，若计算一片海域的水动力条件，需收集海域的水深条件、边界条件，验证潮位值、流速流向值等，根据收集的数据对该海域进行网格划分、水深值差值以及边界处理。前处理需要达到能保证下一步计算分析稳定运行的目的，并且在最大程度减小计算量的同时，保证计算精度。可见，前处理对于虚拟实验的精确程度有着重要的影响。

利用前处理建立好的数值模型，进行计算分析。计算分析的核心为方程的求解过程，例如，在水动力方程三种守恒方程。通过求解网格不同点的方程，得到模型不同地方的数值，比如，流速、流向、水位等。在不同的格点及格心处存储单元的属性。将存储的数据进行可视化处理及数据统计分析称为后处理，通过较为直观的方式，展现流场、物体的变化过程。

图1 虚拟实验基本流程图

三、虚拟实验在教学工作中的应用

通过虚拟实验的方法，可以进行不同参数、不同条件下的实验，以及进行动态演示，加深对现象的感知及物理理论的理解。

1.学生对实际的海洋工程缺乏一定的了解，在学习中容易产生一定的困惑。随着我国对海洋工程的重视程度不断加深，本专业的学生对工程的大致样貌有一定的了解。但是，由于多数学生并未见到过实际的海洋工程的设计及施工过程；学生所学的内容基本通过课本知识理解，没有一个形象的认识，对教学内容理解不足，且在海洋环境工程中的很多公式是靠实验和经验得来；此外，学生的学习兴趣和主动性不高，上述多个问题的存在导致了本专业教学的困难。通过虚拟实验，可加深学生对本专业各个知识点的理解，能够充分地结合课本内容和工程实践，提高学生学习的主动性和兴趣[5]。