海洋信息方向虚实结合的声学实践教学设计

周鹤峰，周泽民，吴艳群，高东宝

［摘 要］ 海洋信息工程人才培养需要在系统教授海洋声学等专业理论知识的基础上，通过课程实践活动增强学生的动手能力和创新能力，使学生构建研究性思维。在梳理专业实践需求和理论教学内容的基础上，完成了包含海洋环境信息获取、目标信息获取、信息传输、信息处理和利用的课程实践内容设计。通过海洋信息虚拟仿真系统、分布式水下探测模拟实验平台以及VR体验式海洋声学环境调查典型教学案例等，说明了虚实结合海洋声学实践支撑环境的功能、组成和实施流程。研究表明，相关实践教学设计对于提升涉海专业课程教学质量与水平具有较好的促进作用。

［关键词］ 海洋声学；实践教学；虚实结合；人才培养

［基金项目］ 2021年7月湖南省研究生教育教学改革研究项目“院校转型背景下多学科交叉军事特色海洋声学研究生培养模式改革研究”（yjsy2021028）

［作者简介］ 赵 云（1982—），男，山西忻州人，工学博士，国防科技大学气象海洋学院副研究员，主要从事海洋声学和新型声呐技术研究；周鹤峰（1987—），男，安徽亳州人，工学博士，国防科技大学气象海洋学院讲师，主要从事水声探测和声信息处理相关技术研究；周泽民（1986—），男，湖南永州人，工学博士，国防科技大学气象海洋学院助理研究员，主要从事主、被动声呐信号处理和海洋声传播与声散射研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）45-0129-04 ［收稿日期］ 2022-12-12

引言

“海洋声学”是海洋科学学科重要的专业核心课程，也是海洋科学与声学的重要分支学科，主要研究携有某种信息的声波在水下的产生、传播、接收，以及运用声学手段对海洋和水下目标的探测。“海洋声学”课程以海洋声场的物理分析为侧重点，系统地讲述了近代以来海洋声学研究涉及的理论、方法和重要成果，内容广泛，理论性和实践性均较强。因此，学生不仅要全面系统地掌握水声探测涉及的声学概念、理论知识和现象的物理解释，理解典型的海洋声学现象与分析方法，同时还要具有综合运用海洋声学理论知识解决实际问题的能力［1］。

海洋信息工程是近年来新增的本科专业，旨在培养学生具备利用声、光、电、磁等信息载体，实现海洋观测、探测和监测，以及运用多种信息载体中多类信息的获取、传输和处理原理解决多学科融合和多技术集成工程问题的能力。无论是探索与研究海洋信息源机理和物理场规律、发展科学先进的认知途径，还是研究信息挖掘处理方法与决策系统，都需要海洋声学与其他类型信息的融合分析与处理，因此，学生需要在掌握海洋声学专业理论知识的基础上，通过参加系列课程实践，锻炼和提高动手能力和创新能力，构建研究性思维［2］。

为此，本文在梳理完善“海洋声学”主要教学内容、设计教学方法的基础上，结合实践岗位需求调研结果，研究制定了满足学生培养要求的实践内容与环节，并依据教学内容论证了以模拟实验平台和虚拟仿真系统为重点的实践教学支撑环境。

一、面向海洋工程实践的海洋声学理论教学内容与方法设计

（一）海洋工程实践要求

实践出真知。参与科技实践活动是培养学生创新能力的重要手段［3-4］。海洋信息工程实践的基本任务是使学生能够综合利用水声探测信息、非声探测信息以及其他信息，通过信号处理、信息融合及水下通信技术，实现对海洋环境与水下目标的观探测、定位与跟踪。同时，通过实践任务，对学生前序课程掌握的利用声、光、电磁等多种载体完成信息获取、传输、处理和利用相关专业知识及技能的综合运用能力进行检验。

从实践角度考虑，学生在理论方面需要较好地理解并掌握海洋声学基本概念理论、现象规律和水声电磁等海洋探测、信息处理及融合基本方法与相关专业技能，理解水下探测任务对环境和目标信息保障的要求，初步具备一定的水下探测信息保障、海战场信息融合等方面知识技能基础与应用能力。

（二）理论教学目的、内容与方法改进

依据上述需求分析，理论部分的课程知识目标为掌握海洋声学内涵、理想流体介质中声场的基本规律、声波的辐射与接收、海洋声场的基本概念与理论方法、浅海/深海典型声场分析等知识单元的基本概念、基本理论及基本方法。在课程思政和专业课程价值塑造方面，要培养学生爱国敬业、奋斗自强的精神风貌，以及淡泊名利、刻苦攻关的科学精神。

课堂理论讲授提倡问题导向学习，通过引入水声工程设计、声呐设备应用等相关典型案例，采用提出现实问题、启发分析思路、引导构建模型、讨论求解算法、反思问题求解成果等手段方法引导学生完成问题发现、分析、求解、质疑的闭环过程。在“问题—理论—工程实践”的迭代中，加深学生对专业基础知识的理解，构建较为完备的海洋声学专业知识结构体系。同时，鼓励学生与学生之间开展课堂交流，引导学生多了解学科前沿和相关应用软件，提倡密切联系实际。最后，要改革考核方式，提高过程考核比重，采用单元测试、讲座汇报等多元化考核方式，检验学生对知识结构的理解程度以及运用相关知识分析问题的能力。

二、课程实践内容设计

课程实践内容设计的基本依据包括：基本覆盖海洋信息专业基本内涵，与高校已规划的专业课程教学内容衔接良好，体现专业定位与研究特色，同时突出跨学科知识学习与综合性运用，围绕典型海上任务与案例搭建实践内容框架，兼顾相关岗位工作的需要。另外，实践环节包括海洋环境信息获取、目标信息获取、信息传输、信息处理和利用等。

其中，海洋环境信息获取主要完成海洋声学环境数据预处理、挖掘与分析，海洋声学环境调查案例（虚拟现实教学），海洋声学环境数据库构建。目标信息获取主要包括典型目标特性测试水池实验、航空浮标声呐硬件搭建与水池测试、水声信道声传播实验和磁探实验。信息传输主要包括在信道水池开展水下激光通信、水声通信与干扰实验。信息处理主要包括海洋测绘数据处理、遥感数字图像处理、主被动探测水声信号处理、智能定位与识别、数据融合实验等。信息利用包括制定水下环境或目标探测任务方案、水下协同任务规划、基于过程仿真与演示的环境数据驱动攻防对抗演练，以及海洋GIS系统构建、态势和过程绘制、复盘分析等。

三、课程实践支撑环境

新时代教学理念着重强调实践能力培养，海洋实践教学是学生进行实践锻炼和岗位履职能力培养的关键环节。传统课堂对实践层面的教学侧重于面上知识原理的讲授，学生被动接收，学习积极性与主动性相对有限。特别是海上实践条件和活动成本高昂，教学活动安全风险和作业实践不确定性较大。所以，开展基于基本原理和理论授课的体验式教学，通过创建接近实际的情境和机会，以虚实结合的方式呈现教学内容，使学生在亲历过程中构建知识和发展能力，是海洋设备运用和作业任务培训的最佳途径。以下通过海洋信息虚拟仿真系统和分布式水下探测模拟实验平台的说明介绍本文构建的实践支撑环境。

（一）海洋信息虚拟仿真系统

海洋信息虚拟仿真系统由海洋环境VR设备和数据驱动水下探测过程演示系统1套两部分组成（图1）。其中，水下探测过程演示系统实现关键海域气象海洋数据联动的VR体验式协同探测过程仿真，主要包括海洋声学环境数据库、VR环境建模引擎、海洋声学仿真引擎、协同探测任务过程仿真模块等。海洋环境VR设备主要按照不同平台和设备显示协同探测任务的各角度信息。

海洋信息虚拟仿真系统依据“海洋声学”课程实践设计任务指标和内容，以三维精细化海洋声学环境数据库和VR显示技术为基础，采用三维声场传播模型和主被动声呐模型建立协同探测任务演练的海洋环境VR设备平台。

海洋声学环境数据库主要以数据文件或数据库形式保存和管理与声呐性能预测、任务规划及主被动探测过程仿真相关的海洋声学环境数据，提供给环境建模引擎以支持环境数据联动VR显示，提供给海洋声学仿真引擎用于计算声呐性能和进行主被动探测水声信号仿真。

VR环境建模引擎主要对海上协同探测过程进行环境数据联动的VR三维视景仿真，如可考虑不同位置的场景天气视觉效果、海面风浪视觉效果、平台摇晃、设备漂流等。

海洋声学仿真引擎可对不同类型分布式主动和被动水声探测过程进行信号级仿真，可计算分布式水声探测布设方案的探测性能，在输入目标特性、设备参数和空间布设等信息后，能够通过数值仿真输出各声呐设备的接收声信号。

协同探测任务过程仿真模块可对协同探测任务中的设备、布设方案和任务流程（脚本）等进行管理，主要考虑常规声呐设备如航空反潜声呐浮标、水声侦测船主/被动声呐以及UUV等。

（二）分布式水下探测模拟实验平台

分布式水下探测模拟实验平台主要基于湖上试验环境对水下收发分置探测过程进行模拟实验，主要由接收浮标（接收基地）、水声发射基地、模拟目标、岸上测控中心等组成。其中，水声发射基地可支持试验中各类水声信号的产生和辐射。模拟目标主要在水下提供一定目标强度的回波产生功能。各浮标具备GPS授时和时间同步功能。声源发出的声信号经过水声波导传播，在模拟目标处反射，目标回波经水声波导传播，被接收浮标采集获得。试验获取的水声信号数据，可后续进行相关信号处理，获取目标定位与识别方面的相关信息，还可为基于机器学习的目标定位/识别方法研究提供样本数据。

四、VR体验式教学典型案例

基于所构建的海洋信息虚拟仿真系统，可结合海洋环境信息获取、目标信息获取、信息传输、信息处理和利用等场景构建VR体验式教学单元，通过交互多感官刺激，提高学生学习的兴趣与效率，增强学生对设备操作/任务执行等实践过程的理解和动手能力。

同时，VR课程资源等信息化建设一次建成、多次使用，可通过网络共享服务海量受众与更多教学活动。特别是针对海洋类高成本高风险实践，建设效费比高。下面以海洋声学环境调查为例，介绍VR教学典型案例。海洋声学环境调查主要对影响水声过程的海面、水体和海底声学特性以及海洋环境噪声、混响等进行试验测量。常见的调查设备有固定安装、定点吊放、拖曳式、布放式或抛弃式等，一般包括声源，如定深爆炸声源、拖曳声源、空气枪声源；浮（潜）标，如海洋声学环境调查综合浮标系统、海洋环境噪声测量潜标；辅助设备，如海底声学特性原位测量系统、测深仪、抛弃式温深仪XBT、温度链、CTD、声学多普勒流速剖面仪ADCP、GPS设备等。

浮（潜）标调查设备认知与海洋声传播调查VR案例组成如图2所示。船标结合调查任务基本流程包括：首先，进行调查任务所用的设备认知、声源级与背景噪声级等基础声学测量；其次，开展同步海洋环境调查，如观测作业海区海况、风、浪、洋流、水文、水深、海底地貌、底质及航船分布等，确定声学环境参数和边界条件；最后，开展船标结合海洋声传播调查。在调查过程中，航船到达测量海区，设备标定，测量环境参数；航船布放浮（潜）标接收水听器阵；航船吊放声源，沿预定航向航行，在预定距离发射信号，测量断面上海深和声速剖面；接收水听器阵数据无线电回传；进行数据处理。

结语

本文依据海洋信息工程人才培养需要，结合“海洋声学”基础理论教学内容，提出了课程实践内容和教学单元设计，同时开展了虚实结合课程实践支撑环境设计，重点分析了海洋信息虚拟仿真系统和分布式水下探测模拟实验平台的功能组成。针对涉海实践成本高、不确定性大等问题，海洋数据驱动的VR教学案例的建设与运用可为探索高效费比的体验式新型教学方法提供崭新的技术途径。

面向海洋信息应用的“海洋声学”课程实践活动，对于检验学生本科阶段专业课程学习情况、进一步提升多学科知识技能的融合水平以及创造性解决跨学科与多技术集成问题具有促进作用。相关实践活动的参与将为学生未来适应工作岗位或进一步学习深造奠定坚实基础。

参考文献

［1］李辉，杨坤德，段顺利，等.海洋声学信息感知实验室海洋声学实验与人才培养［J］.实验技术与管理，2021，38（1）：17-20.

［2］林巨，宋志杰，徐铭.海洋声学开放型创新实验平台的探索与建设［J］.中国电力教育，2010（31）：124-125.