大學(xué)地球科學(xué)課程報(bào)告論壇論文集2018-PDF、封面、目錄高校地球科學(xué)教學(xué)改革研討會PPT主會場2019論文集065

大學(xué)地球科學(xué)課程報(bào)告論壇論文集（2018） 318 “海洋測繪與 3S 技術(shù)綜合實(shí)習(xí)”課程建設(shè)研究 劉博 丁咚 林霖 （1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100；2. 海底科學(xué)與探 測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100） 摘 要：海洋測繪是一切海洋開發(fā)活動的基礎(chǔ)，引領(lǐng)著人類探索未知的深海大洋，然而海洋測繪專業(yè)建 設(shè)在我國起步較晚，其實(shí)踐教學(xué)體系一直沒有很好完善。為了響應(yīng)“海洋強(qiáng)國”的重大國策，培養(yǎng)和儲備高層 次海洋測繪人才，必須推行教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)課程創(chuàng)新，建設(shè)以“海洋測繪實(shí)踐”為主導(dǎo)的新課程。 “海洋測繪 與 3S 技術(shù)綜合實(shí)習(xí)”就是一門以海洋地質(zhì)為特色的海洋測繪實(shí)踐教學(xué)課程。該課程從虛擬仿真到實(shí)際調(diào)查環(huán) 環(huán)相扣，將教學(xué)和科研深度融合，是一門多學(xué)科綜合性的實(shí)習(xí)課程。 關(guān)鍵詞：海洋測繪 3S 技術(shù) 虛擬仿真 多學(xué)科交叉 實(shí)踐課程 海洋測繪是由測繪學(xué)、航海學(xué)、海洋學(xué)、水聲工程、計(jì)算機(jī)原理、圖形圖像學(xué)、信息學(xué)等 構(gòu)成的一門交叉學(xué)科，是按照人類海洋認(rèn)知和海上活動的需求，研究海洋及毗鄰陸地的自然和 人文等地理現(xiàn)象的抽象、控制、獲取、描述、服務(wù)的一門科學(xué)和技術(shù)。按照國際慣例，海洋測 繪通常由各國海軍代表其官方組織實(shí)施。但至 20 世紀(jì) 90 年代，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、人 類開發(fā)海洋的進(jìn)程加快，民用海洋測繪開始飛速發(fā)展，這也促使各大高等院校發(fā)展海洋測繪教 育事業(yè)，為海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)培養(yǎng)高層次人才。近幾年，海洋測繪專業(yè)建設(shè)在師資隊(duì)伍、教學(xué)環(huán)境 建設(shè)、教學(xué)改革等方面取得了一些新成果，但針對海洋測繪的實(shí)踐教學(xué)并沒有取得實(shí)質(zhì)性的 進(jìn)展。 究其原因主要有兩個難點(diǎn)： a. 海洋測繪類設(shè)備昂貴， 數(shù)量較少， 其主要用于科學(xué)研究； b. 海洋測繪實(shí)習(xí)需要深入大海， 一般的小漁船存在安全隱患， 需要正規(guī)的科考船才能得以實(shí)施。 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院以“建設(shè)一流本科專業(yè)，培養(yǎng)一流本科學(xué)生”為己任，于 2014 年專門設(shè)立海洋測繪教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，逐步購進(jìn)信標(biāo)定位接收機(jī)、單頻測深儀、潮位計(jì)、溫鹽 深剖面儀、聲速剖面儀、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、北斗海聊終端（海上寶）等設(shè)備，并與學(xué) 校船舶中心合作 （其擁有 3500 噸級的 “東方紅 2” 號海洋綜合科學(xué)考察實(shí)習(xí)船、 300 噸級的 “天 使 1”號科考交通補(bǔ)給船、2600 噸級的“海大”號海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查船） ，共同建設(shè)“海 洋測繪與 3S 技術(shù)綜合實(shí)習(xí)”課程，于 2018 年夏季學(xué)期正式啟動該課程，取得良好效果。 一、課程概述 海洋測繪與 3S 技術(shù)綜合實(shí)習(xí)是利用先進(jìn)的海洋測繪與海洋調(diào)查技術(shù)方法，研究實(shí)習(xí)區(qū)域 “海洋測繪與 3S 技術(shù)綜合實(shí)習(xí)”課程建設(shè)研究 319 （海灘、近岸海域）海水溫度、鹽度、密度、波浪、潮汐、海流、懸浮泥沙等海洋水文要素、 海底地形地貌地層、底質(zhì)沉積物粒度特征、海灘剖面地形變化、海岸帶地形地貌信息和標(biāo)準(zhǔn)化 制圖等。它是一門多學(xué)科綜合性應(yīng)用課程，是對大學(xué)階段所學(xué)海洋測繪方向基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ) 課和專業(yè)課的總檢驗(yàn)與整合，是培養(yǎng)現(xiàn)代海洋測繪工程師的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本課程包括海洋水文要 素、底質(zhì)沉積物、海灘地形、地貌、岸線、地物等觀測分析。通過該課程的學(xué)習(xí)和大量實(shí)測訓(xùn) 練，要求同學(xué)們掌握海洋測繪調(diào)查的基本方法和程序，并能夠利用這些理論和方法，借助先進(jìn) 的儀器設(shè)備對研究區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查和綜合評估可能的地質(zhì)問題。 二、實(shí)踐內(nèi)容 本課程為綜合實(shí)習(xí)，所涉及的知識內(nèi)容較廣，主要分為五個部分： 海洋沉積動力觀測：熟悉常用的海水溫度、鹽度、密度、波浪、潮汐、海流、懸浮泥 沙等海洋水文要素觀測設(shè)備（如溫鹽深剖面儀、聲速剖面儀等） ；掌握海水溫度、鹽度、密度、 波浪、潮汐、海流、懸浮泥沙等觀測技術(shù)。 導(dǎo)航定位和剖面地形測量： 使學(xué)生掌握 GPS RTK 或 CORS 技術(shù)， 熟悉 GNSS 定位接收 機(jī)、Hypack 導(dǎo)航定位軟件，對實(shí)習(xí)區(qū)（海灘）進(jìn)行地形測量；使學(xué)生掌握差分 GPS 的基本原 理，并能夠根據(jù)測區(qū)作業(yè)要求，完成測線的規(guī)劃，在實(shí)習(xí)過程中利用差分 GPS 及導(dǎo)航軟件對 測量船按照既定測線進(jìn)行導(dǎo)航。 海底聲學(xué)調(diào)查技術(shù)實(shí)習(xí)：掌握單波束水深測量、側(cè)掃聲吶探測、多波束測深及海底淺 地層探測等海洋聲學(xué)調(diào)查現(xiàn)場作業(yè)方法和工作程序，提高海洋地質(zhì)調(diào)查工作能力。 底質(zhì)沉積物分析： 使學(xué)生掌握海洋沉積物取樣規(guī)程和方法， 熟練粒度分析設(shè)備和方法； 掌握粒度分析數(shù)據(jù)處理程序及粒度參數(shù)在沉積環(huán)境中的應(yīng)用。 地理信息系統(tǒng)：掌握使用地理信息系統(tǒng)相關(guān)軟件進(jìn)行海洋測繪數(shù)據(jù)管理、圖件繪制和 成果展示的方法。 三、教學(xué)方案 該實(shí)踐課程主要涵蓋了校內(nèi)實(shí)習(xí)、野外海岸帶測量、科考船現(xiàn)場調(diào)查以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù) 處理。校內(nèi)實(shí)習(xí)主要是通過虛擬仿真平臺訓(xùn)練學(xué)生的基礎(chǔ)理論、技能和工作流程，最后落實(shí)到 相關(guān)儀器的基本操作，同時要求學(xué)生以實(shí)習(xí)小組為單位撰寫實(shí)習(xí)的技術(shù)設(shè)計(jì)書，技術(shù)設(shè)計(jì)書由 實(shí)習(xí)帶隊(duì)老師進(jìn)行審查；野外海岸帶測量以青島仰口海岸帶為試點(diǎn)進(jìn)行海灘剖面地形變化、海 岸帶地形地貌信息測量；科考船現(xiàn)場調(diào)查選取青島近海膠州灣 1030m 水深的區(qū)域，進(jìn)行船上 實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生從測線及測站布設(shè)開始，根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)書、海上作業(yè)規(guī)范要求以及相關(guān)的儀器操 作規(guī)程和手冊，進(jìn)行實(shí)際的外業(yè)數(shù)據(jù)采集；室內(nèi)部分學(xué)生根據(jù)采集樣品和實(shí)測資料，以實(shí)習(xí)小 組為單位進(jìn)行室內(nèi)磁化率、 粒度分析實(shí)驗(yàn)和測量資料的預(yù)處理、 精細(xì)處理， 最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、 解釋和成果圖制作及報(bào)告撰寫。 大學(xué)地球科學(xué)課程報(bào)告論壇論文集（2018） 320 四、特色與創(chuàng)新 1. 將虛擬仿真技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中 為了充分利用科考船現(xiàn)場調(diào)查的有限實(shí)習(xí)機(jī)會， 我們依托中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)國家 級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺，建設(shè)海底聲波探測技術(shù)的虛擬仿真課件（圖 1） ，從而推進(jìn)實(shí)踐 教學(xué)信息化建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)改革，開展綠色、環(huán)保、低碳的實(shí)踐教學(xué)。該課件以交互式的形式 訓(xùn)練學(xué)生單波束水深測量、側(cè)掃聲吶海底地貌探測、多波束系統(tǒng)水深測量以及淺地層探測的基 本原理動畫演示、設(shè)備安裝操作實(shí)驗(yàn)、設(shè)備與船體的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、工區(qū)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)以及 后期的數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)。例如，多波束系統(tǒng)的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，可以模擬出時間延遲、橫搖、縱傾和航 向等參數(shù)的校準(zhǔn)試驗(yàn)過程，并能夠輸出給定參數(shù)的響應(yīng)結(jié)果。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以讓學(xué)生 在出海前掌握船上實(shí)踐的相關(guān)工作流程，從而在隨后的科考船實(shí)際調(diào)查中，學(xué)生在有限的船時 內(nèi)可以更快速、有序、高效地完成實(shí)踐課程。 圖 1 海底聲波探測技術(shù)虛擬仿真課件 2. 以海洋地質(zhì)為特色的研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 “海洋測繪與 3S 技術(shù)綜合實(shí)習(xí)”是由中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院開設(shè)，這雖是一個的 海洋調(diào)查技術(shù)實(shí)習(xí)，但其最終目的是要解決海洋地質(zhì)問題。我們不僅要培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)方法，更 要培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題、解決問題的能力。學(xué)生通過海灘剖面測量取樣（圖 2）海岸帶地形 地貌信息測量、海上調(diào)查填圖（圖 3）等，進(jìn)行海洋沉積動力觀測和海底構(gòu)造地貌解析，對膠 州灣海域的地質(zhì)問題進(jìn)行思考和研究。 3. 多學(xué)科融合，共同合作的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué) 海洋測繪本身就屬于一個交叉學(xué)科，而該實(shí)習(xí)課程立足專業(yè)教學(xué)規(guī)律，更是將海洋測繪與 海洋水文學(xué)、海洋沉積學(xué)、海底構(gòu)造學(xué)及海洋地球物理學(xué)進(jìn)行深度融合，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和 動手能力。通常在調(diào)查船上將學(xué)生分成導(dǎo)航定位 1 組、海洋水文 1 組、底質(zhì)取樣 1 組、海底探 測 3 組，每五個站位進(jìn)行一次輪換，每一位學(xué)生在每一個實(shí)習(xí)項(xiàng)目都有動手操作的機(jī)會，并相 互合作共同完成海上調(diào)查作業(yè)。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，學(xué)生可以根據(jù)自行數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果， 提出各自不同想法，自由討論總結(jié)，進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 “海洋測繪與 3S 技術(shù)綜合實(shí)習(xí)”課程建設(shè)研究 321 圖 2 仰口沙灘測量 圖 3 海上調(diào)查實(shí)習(xí) 4. 科研反哺教學(xué)，建設(shè)高層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué) 該實(shí)踐課程的建設(shè)離不開科學(xué)研究的大力支持。 如海底聲波探測技術(shù)虛擬仿真課件為學(xué)生 能更加真實(shí)體驗(yàn)到海上調(diào)查數(shù)據(jù)采集和處理過程， 這些數(shù)據(jù)都是老師將科研項(xiàng)目調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn) 行安全處理后，加載到課件里面，方便學(xué)生學(xué)習(xí)使用；海大的三艘科考船只要沒有科研任務(wù)， 時刻準(zhǔn)備著為學(xué)生實(shí)習(xí)服務(wù)（圖 4） ，特別是船上自配多波束測量系統(tǒng)，為我們建設(shè)海洋測繪實(shí) 驗(yàn)室省下昂貴的費(fèi)用；此外，海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該實(shí)踐課程的室內(nèi)樣品 處理和分析提供無償支持，滿足學(xué)生實(shí)習(xí)需求（圖 5） 。也只有在科學(xué)研究的支撐下，才能建設(shè) 高層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，把最先進(jìn)最前沿的知識傳授給學(xué)生，培養(yǎng)出高水平人才，促進(jìn)科技進(jìn)步， 良性循環(huán)。 圖 4 “天使號”上對學(xué)生進(jìn)行安全教育 圖 5 激光粒度儀對底質(zhì)樣品進(jìn)行測試 五、結(jié)語 海洋測繪現(xiàn)已在探測海底地形地貌、建設(shè)海洋工程、開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋科學(xué)以及維 護(hù)海洋權(quán)益等方面發(fā)揮著極其重要的作用， 培養(yǎng)和儲備高水平海洋測繪人才是實(shí)現(xiàn) “海洋強(qiáng)國” 大學(xué)地球科學(xué)課程報(bào)告論壇論文集（2018） 322 戰(zhàn)略決策的迫切需求。 目前軍方海洋測繪人才不對地方服務(wù)， 而民用上高層次高水平人才偏少。 這樣人才缺失的現(xiàn)狀要求我們不斷提高本科教育質(zhì)量和層次，特別是實(shí)踐應(yīng)用能力，滿足民用 海洋測繪卓越工程技術(shù)人才的需求。為此，我們要不斷探索和改進(jìn)海洋測繪實(shí)踐教學(xué)體系，如 老師可以設(shè)立一些 SRDP 計(jì)劃或國創(chuàng)項(xiàng)目的選題，或聯(lián)系學(xué)院和兄弟單位的知名專家，讓經(jīng)過 前期模擬和實(shí)踐訓(xùn)練