虚拟仿真案例分享 | 海平面上升环境下的海堤防护虚拟仿真实验

背景与痛点

风暴潮是一种强大大气扰动（如强风和气压骤变）所引起的海平面异常上升现象，常会在近岸地区诱发强烈的动力作用，可以在短时间内引起大量泥沙运动，对海岸岸滩演变及海岸建筑物造成极大的灾害性影响。

在全球变暖、海平面上升的大环境下，风暴潮灾害居海洋灾害之首，并且其频率及强度仍在逐年增加。作为应对，沿海地区防灾减灾能力亟待提升，如何增强海堤防护能力，建设保护陆域人民生命及财产安全的第一道屏障，成为相关领域研究的重要课题。

然而，作为突变的灾害性异常自然现象，风暴潮难以通过实验模拟，模型建设成本较高、工程量大，现象观测与实践操作的风险高、难度大，属于较为典型的传统实验“三高四不”（高成本、高难度、高风险，不可达到、不可触及、不可重现、不可逆转）难题。

此外，以传统方式教学海堤防护的过程也较为抽象及枯燥，学生对知识点之间的串联难度大，学习成本高，成为制约高校教学的瓶颈。

解决方案：原则与方针

针对上述痛点，恒点与河海大学共同设计开发了“海平面上升环境下的海堤防护虚拟仿真实验”，运用虚拟仿真技术，对真实环境进行高度还原与模拟，为实验与教学难题提供了解决方案。

实验秉承“能实不虚”原则，避免进入“以实代虚”的运用误区：

• 以虚补实——以前置的虚拟实验环节提升操作熟练度，降低实体实验风险与损耗；
• 以虚助实——通过虚拟实验揭示现象背后的原理、激发学生的兴趣与积极性；
• 虚实结合——将虚拟仿真实验与实体实验结合。

坚持以学生为中心的教学理念，贯彻“以教师为引导，以任务为主线，以学生为主体”三位一体的指导方针。转换师生在教学中的角色，这对具有探究性的实验教学至关重要，后者重在揭示自然原理，在实践中提升认识世界、改造世界的水平，需要强化学生的创新意识与责任意识。

将一个海堤防护方案设计拆解为“海洋调查资料分析、海堤防护方案设计和海堤防护方案评价”三个模块，任务难度任务层层递进，从而弥补教学枯燥、难度过高、评价维度单一等传统教学缺陷。

解决方案：设计亮点

在整体的实验设计上，本虚拟仿真实验通过教师引导、任务设置、模块分解，学生自主独立地完成海洋调查资料分析、海堤防护方案设计以及防护方案综合评价等各模块任务，明确每一个模块的具体要求、实验目标，提升学生的自主学习能力、实践能力以及综合分析能力。

在具体的海堤设计实验与知识讲解方面，本虚拟仿真实验将动力和结构相结合，将海堤设计拆解为多个模块并以链条式方法设计，对不同知识点进行集成，提高学生对多知识点的交叉掌握，支撑复合型人才培养需求。

独特的多种防护措施组合方案设计，可培养学生创新意识。实验采用了创新的数据与评价系统，对于数据的采集、分析以及教学评价，也较传统教学更为科学全面。

本实验是由恒点MOOL平台提供虚拟仿真实验教学共享服务，MOOL（Massive Open Online Labs大规模在线开放实验室）是对慕课MOOC的发展，在开放式网络课程的基础上，增加了具有互动性、操作性的实验内容。这对于推动教育资源共享，促进教育公平，建设全民终身学习型社会有着重要意义。

当前，恒点还将发展势头正猛的AI技术融入MOOL平台建设。在本实验中，恒点也设计了智能引导等功能。未来，恒点还将继续优化平台功能，进一步建设和丰富实验中AI引导、辅助、模拟、教学、评价等各项功能，并完善实验对真实环境、实体实验的模拟与补充。