实验名称	船舶流体力学之船吸现象虚拟仿真实验
实验所属课程	海洋科学，航道工程学，专业认识实习
性质	课程实验
实验对应专业	海洋科学与工程专业
实验类型	综合设计型
虚拟仿真必要性	高危或极端环境 高成本、高消耗 不可逆操作 大型综合训练
实验语言	中文
实验已开设期次	共3次： 1. 2019年9月9日-2019年10月27日，30人； 2. 2020年9月10日-2020年10月25日，33人。 3. 2021年9月8日-2021年10月26日，36人。 4. 2022年9月14日~~~，36人。
有效链接网址	https://iopv.openweb.navigacloud.net/

2、1-2实验教学项目教学服务团队情况

2-1 团队主要成员（含负责人，5人以内）
序号	姓名	出生年月	单位	学位	职称	承担任务
1	吴恭兴	1983年4月	上海海事大学	博士	副教授	负责总体建设 在线教学服务人员
2	李云波	1963年10月	上海海事大学	博士	教授	“粘性流体力学”建设 在线教学服务人员
3	侯先瑞	1986年11月	上海海事大学	博士	讲师	“流体运动学”建设 在线教学服务人员
4	龚家烨	1990年08月	上海海事大学	博士	讲师	“势流理论”建设 在线教学服务人员
5	俞强	1990年11月	上海海事大学	博士	讲师	“边界层理论”建设 技术支持人员
6	宋莹	1986年03月	上海海事大学	博士	讲师	在线教学 在线教学服务人员

1-2-2团队其他成员
序号	姓名	出生年月	所在单位	专业技术职务	行政职务	承担任务
1	冯皓洁	1972年9月	上海航秀信息 科技有限公司	开发部经理	工程师项目咨询	平台开发资料收集等 技术支持人员
2	吴隽怡	1982年11月	上海航秀信息 科技有限公司	项目部经理	项目经理	平台开发资料收集等 技术支持人员
团队总人数：7人 其中高校人员数量：5人 企业人员数量：2人

2-3 团队主要成员教学情况 简述本人及团队近三年教学、科研成果及获奖情况
（1）教研课题：
1、基于国家级工程实践中心的卓越人才培养研究，上海市本科重点教改项目，参与；
2、基于CDIO理念的卓越船舶工程师培养模式的探索与实践，中国交通教育研究会，2014-2017，主持；
3、基于工程项目的人才培养模式，上海海事大学，2013年，主持；
4、基于ESP复合型人才培养的船舶专业英语教学改革方法研究，上海海事大学，2012年，主持。

（2）教研论文：
[1] 吴恭兴，刘文白，张宝吉，姜春萌.基于ESP运用的卓越工程师培养模式研究[J].中国科教创新导刊，2014年1月，第1期，31-33.
[2] 吴恭兴，刘文白，张宝吉，郭佳民，操安喜. 基于CDIO模式的卓越工程师培养方案的探索与实践研究[J].大学教育,2013年9月，18期,7-10.

（3）教学表彰/奖励：
1、荣获2021年度上海海事大学青年教师教学比赛二等奖；
2、荣获2019年度上海海事大学“优秀教育工作者”；
3、荣获2018年度上海海事大学教学改革与建设成果二等奖；
4、获得2017年上海市教学成果奖 二等奖（“基于校企协同育人平台的应用型卓越船舶工程师培养创新与实践”，排名第四）；
5、获得2019年上海海事大学教学成果一等奖（“基于深度校企合作的应用型船舶人才培养探索与实践”，排名第三）。

（4）科研课题：
1、海洋环境下多无人艇协同机制航行机制与仿人自适应控制研究，国家自然基金，主持；
2、基于仿人自适应的多无人艇协同航行控制方法研究，上海海事大学基金，主持；
3、复杂海况下时变船舶运动系统在线辨识及云控制研究（2018-2020，郑剑），参与国家自然基金，排名4。
4、三体船骑浪/横甩机制及智能规避策略研究（编号：19ZR1422500），上海市科学技术委员会，参与。
5、基于SBD技术的船舶水动力性能优化设计方法研究，上海市科学技术委员会，参与。
6、基于安全领域的航行避碰策略模型设计，中船航海科技，项目主持。

（5）学术论文：
[1] Wu G.X., Luo W., Guo J., Zhang J. A Sigmoid-plane adaptive control algorithm for unmanned surface vessel considering marine environment interference[J]. Transactions of the Institute of Measurement and Control, February 2022. https://doi.org/10.1177/01423312211072658
[2] Wu G.X. , Atilla I , T T ahsin, et al. Long-voyage route planning method based on multi-scale visibility graph for autonomous ships[J]. Ocean Engineering, 2020, 219(4):108242.
[3] Wu G.X. , Zhao X , Sun Y , et al. Cooperative Maneuvering Mathematical Modeling for Multi-tugs Towing a Ship in the Port Environment[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2021, 9(4):384.
[4] Wu G.X. , Zhao X , Shi D , et al. Analysis of Fluid–Structure Coupling Vibration Mechanism for Subsea Tree PipelineCombined with Fluent and Ansys Workbench[J]. Water, 2021, 13(7):955.
[5] Wu G.X. , Zhao M , Cong Y , et al. Algorithm of Berthing and Maneuvering for Catamaran Unmanned Surface Vehicle Based on Ship Maneuverability[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2021, 9(3):289.
[6] 吴恭兴, 史旦达, 郭佳民, et al. Deliberative Collision Avoidance for Unmanned Surface Vehicle Based on the Directional Weight[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University(Science), 2016, 03(v.42;No.214):53-58.
[7] 吴恭兴,王凌超,郑剑,汪超.考虑复杂气象变化的智能船舶动态航线规划方法[J].上海海事大学学报,2021,42(01):1-6+12.
[8] 吴恭兴,王琳玲,张家伟.无人艇集群控制技术及其应用[J].中国船检,2020(11):62-65.
[9] Wu G.X. , Zhao X , Wang L . Modeling and Simulation of Automatic Berthing based on Bow and Stern Thruster Assist for Unmanned Surface Vehicle[J]. Journal of Marine Science, 2021, 3(2).

（1）必要性及实用性

船吸现象是导致船舶安全航运事件突发的重要因素之一，特别是近年来，随着我国航运事业和船舶大型化、高速化、智能化的发展，船舶安全航运与与船舶智能设计、施工和船舶绿色智慧发展等紧密相关。船舶流体力学之船吸现象是船舶和海洋工作专业核心课程《应用流体力学》的授课重点，也是教学难点。教学中对于船吸现象和知识教授内容往往只局限于课本，而船吸现象再现和现场实习由于条件和环境有限，也很难了解船吸现象的整个过程。

实体实验室受实验场地规模和建设成本的限制，无法满足学生工程应用能力和创新精神的培养。构建船吸现象的三维虚拟仿真实验教学场景，建设多场景船吸现象的虚拟仿真教学资源，是培养应用创新型船舶和海洋工程技术人才的现实需求。

（2）教学设计的合理性

船舶流体力学之船吸现象虚拟仿真实验，是了解、熟悉船舶流体力学的最佳途径，并为进行船吸现象实验的提供互动操作步骤。开展船舶流体力学之船吸现象虚拟仿真实验的学习，不仅可以使学生掌握相关专业知识，更能有效促进学生多课程知识点的融会贯通及其综合实践能力的培养。

该课程具有很好的原创性，设计思路清晰、总体架构完整、实验设置合理、内容生动丰富、流程严谨完整。课程具备良好的教学研究基础，团队成员组成结构合理。实验平台技术先进，能进行过程评价，考核规范。课程能够提供基础实验技能的训练，课程目前已经过3个教学周期的实践优化，教学效果良好。

（3）实验系统的先进性

基于虚拟现实技术的新型教学模式突破了传统实验教学的时空和内容限制，本实验对船舶吸底现象、船岸相吸现象、船船相吸现象、船吸现象应用进行了实验与仿真，构建了多个不同航行环境下的实验模拟场景，学生能够选择不同场景，针对不同场景来进行学习实验。既节约了实验（实践）时间，提高学习效率，又扩展了实验教学范畴，降低了材料、设备的耗损。教学效果方面，虚拟仿真教学项目的应用，不仅有利于提升学生的学习兴趣，同时也有利于学生对知识的正确理解、快速掌握和长期记忆。

应用先进的虚拟现实技术对船舶和海洋科技工程专业传统实验教学过程进行改造，丰富“理论教学+实验教学”授课方式，打造全天候、虚拟仿真、线上线下一体化的学习环境，以适应新时代复杂工程背景下港航一流技术人才的培养。

课程目标	支撑的毕业要求	课程培养学生的能力项
1.理解静止流体对船舶作用力的计算方法，了解流体经过不同船型情况下的流动形态	能够基于科学原理并采用实验仪器和设备对复杂船舶与海洋工程问题进行研究，包括设计实验、数据采集、处理和分析、通过信息综合以及理论与实验的对比得到合理有效的结论	培养学生能够独立完成流体力学学实验并填写实验报告的能力
2.理解伯努利方程的原理、物理意义	能够基于科学原理并采用实验仪器和设备对复杂船舶与海洋工程问题进行研究，包括设计实验、数据采集、处理和分析、通过信息综合以及理论与实验的对比得到合理有效的结论	通过伯努利综合实验验证流体恒定总流的能量方程，培养独立完成流体力学实验的能力
3.了解流体具有粘性的特性，理解船舶边界层概念。	具有自主学习新知识、批判性思考和创造性工作的能力以及终身学习的能力	培养学生具有自主学习新知识、批判性思考和创造性工作的能力以及终身学习的能力

（1）实验所属课程所占课时：32课时。

（2）该实验项目所占课时：4课时。

本实验的实验原理包括以下4个方面：①船吸现象工程主要工程机械；②船吸现象工程设计原则；③船吸现象方案比选原则；④多场景下船吸现象施工工艺组织。

主要涵盖以下内容和知识点：①船吸现象设备认知；②船吸现象工程设计仿真模拟操作；③船吸现象方案比选仿真模拟操作；④船吸现象案例仿真模拟。其中①属于认知学习，是基础部分；②③④属于互动操作，是提高部分。船吸现象设备认知学习：各类疏浚设备，包括抓斗式挖泥船、铲斗式挖泥船、绞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船的认知及其特性的学习，掌握其适用条件。 图1 疏浚设备认知

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）
①船吸现象工程设计仿真操作：船吸现象工程设计包括地形测绘、地质勘探及航道断面设计、疏浚方量计算。拟通过给定特定长度航道航段，互动进行航道设计，使学生基本掌握疏浚工程设计内容和计算方法。
图2 船吸现象工程设计
②船吸现象方案比选仿真模拟操作：船吸现象方案比选应根据地质、地形、航道条件综合考虑。本实验模块将通过虚拟仿真技术，使学生通过交互式操作真实体验不同自然条件因素对于疏浚设备选取的经济合理性，从而分析评判各疏浚方案的优劣。
图3 船吸现象施工过程仿真
③船吸现象案例仿真分析：针对典型特定的船吸现象案例，通过仿真环境，综合考察学生对疏浚工艺选择、疏浚土处置、疏浚船机配备、疏浚环保措施等综合知识的掌握和应用能力。通过虚拟仿真技术真实还原船吸现象典型案例过程，通过实验参数可变选择、疏浚方案多种可选等互动实验操作，对不同学生实验者的疏浚方案进行评价，达到通过虚拟实验环境检验学生实践能力的目的。

（1）实验方法
本实验项目采用“虚实结合”的手段，通过“讲解提问+小组讨论+学生的互动操作+在线测试+心得体会”五位一体的实验教学方法，该方法能充分调动学生的学习积极性和主动性。

（2）实验过程

（1）学生交互性操作步骤，共17步

步骤序号	步骤目标要求	步骤合理用时	目标达成度赋分模型	步骤满分	成绩类型
1-5	掌握船吸现象	30分钟	根据船吸现象场景，互动进行实验，正确与否，得0-15分	15	操作成绩 实验报告 预习成绩 老师评价报告
6-9	熟悉船吸现象原理	20分钟	根据船吸现象场景，选择船吸现象理论验证船吸现象实验的参数，得0-15分	15
10-17	具备船吸现象应用的实验能力	50分钟	能针对船吸现象典型案例，进行船吸现象应用的实验设计，方案合适与否，得0-25分	25

（2）交互性步骤详细说明

本项目采用“虚实结合”的手段，通过讲解提问+小组讨论+学生的互动操作+在线测试+心得体会五位一体的实验教学方法。该方法使用目的充分调动学生的积极性、主动性，有差别式教学，方便因材施教。

（1）采取多样化形式组织教学，使学生由浅入深，由简单到综合，逐步认识、理解和掌握船吸现象工程的设计方法、施工设备及施工过程。实验前统一讲授实验基本知识、仿真实验的操作步骤等，实验过程中随时解决学生遇到的问题，实验过程中组织学生讨论实验所学内容。

（2）给学生开放空间，例如：鼓励学生根据自己的想法选择船吸现象方案，验证不同方案的可操作性和经济合理性。

（3）集中教学与个别指导相结合，把讨论式方式贯穿实验教学全过程，如实验原理、方案设计、实验操作、结果分析等。通过教师启发和引导，让学生从易到难，由简单到复杂，不是被动地完成学习任务，而是自主思考，从而获得一个宽松的思维和想象的空间，通过自己亲自选择、在自己能够接受的水平和基础上，自主设计、实验，解决困难和问题，综合运用所学知识，显现自己的智慧和能力，心情愉悦地实验和研究，体验自主实践的成果，充分调动学生实验、实践的积极性和主动性。

通过上述教学方法改善传统实验教学学生积极性低、动手能力弱、现场认知实习费用高和具有一定危险等缺点，有效调动了学生学习的积极性、主动性，让学生更早更方便地理解与体验工程现场的实体，减少了学生在工程现场的安全隐患，提高学生对于真实工程的理解，在本质上提高学生对于专业的理解。

（1）实验方法描述：
         通过船吸现象设备认知仿真认知学习、船吸现象工程设计仿真模拟操作、船吸现象方案比选仿真模拟操作、船吸现象施工过程仿真模拟，进一步学习各类船吸现象设备的特性，通过交互式操作掌握船吸现象设计考虑因素及设计方法、不同设备的适用条件，并通过施工现场模拟，掌握不同船吸现象的施工过程。

（2）学生交互性操作步骤说明：
         ① 选择“船吸现象设备认知”模块，点选“抓斗式挖泥船”、“铲斗式挖泥船”、“绞吸式挖泥船”、“耙吸式挖泥船”等菜单，进行不同疏浚设备的知识学习，掌握不同疏浚设备的适用条件。
         ② 根据上一步疏浚设备知识学习，根据本项目的实际工况，确定使用的疏浚设备。
         ③ 选择“船吸现象工程设计”模块，点选“航道水深地形测绘”、“航道地质勘探”、“疏浚断面设计”、“疏浚方量计算”等菜单，学习船吸现象工程设计过程及方法。
         ④ 点选“航道水深地形测绘”、 “航道地质勘探”菜单，测量船进行航道水下地形测绘和地质勘探。
         ⑤ 点选“疏浚断面设计”菜单，根据地形、地质勘探结果，确定航道中心线、底边线和航道边坡。
         ⑥ 点选“疏浚方量计算”菜单，给出“平均水深法”和“平均断面法”计算公式，结合解说和三维场景，学习不同的疏浚方量计算方法。
         ⑦ 根据③-⑥操作，对本疏浚项目进行断面设计和工程量计算。
         ⑧ 选择“船吸现象方案比选”模块，点选“航道条件”、“疏浚设备”等菜单，进行船吸现象施工方案比选。
         ⑨点选“航道条件”菜单，展示各拟疏浚航道场景，展示拟疏浚航道地形地质特性。
         ⑩ 点选“疏浚设备”菜单，展示“抓斗式挖泥船”、“铲斗式挖泥船”、“绞吸式挖泥船”、“耙吸式挖泥船”4类疏浚设备，通过鼠标拖曳，将其放入施工区域，选择正确，能够进行后续操作，选择错误则给出错误提示。
         ⑪ 进行船吸现象方案比选知识点的在线测试，掌握不同疏浚方案的适用条件。
         ⑫ 选择“船吸现象施工过程”模块，点选“抓斗式挖泥船疏浚施工”、“铲斗式挖泥船疏浚施工”、“绞吸式挖泥船疏浚施工”、“耙吸式挖泥船疏浚施工”等菜单，学习不同疏浚设备施工过程。
         ⑬ 进行船吸现象施工全过程知识点的在线测试。

（3）学生交互性操作步骤说明：
         ① 选择“船吸现象设备认知”模块，点选“抓斗式挖泥船”、“铲斗式挖泥船”、“绞吸式挖泥船”、“耙吸式挖泥船”等菜单，进行不同疏浚设备的知识学习，掌握不同疏浚设备的适用条件。
         ② 根据上一步疏浚设备知识学习，根据本项目的实际工况，确定使用的疏浚设备。
         ③ 选择“船吸现象工程设计”模块，点选“航道水深地形测绘”、“航道地质勘探”、“疏浚断面设计”、“疏浚方量计算”等菜单，学习船吸现象工程设计过程及方法。
         ④ 点选“航道水深地形测绘”、 “航道地质勘探”菜单，测量船进行航道水下地形测绘和地质勘探。
         ⑤ 点选“疏浚断面设计”菜单，根据地形、地质勘探结果，确定航道中心线、底边线和航道边坡。
         ⑥ 点选“疏浚方量计算”菜单，给出“平均水深法”和“平均断面法”计算公式，结合解说和三维场景，学习不同的疏浚方量计算方法。
         ⑦ 根据③-⑥操作，对本疏浚项目进行断面设计和工程量计算。
         ⑧ 选择“船吸现象方案比选”模块，点选“航道条件”、“疏浚设备”等菜单，进行船吸现象施工方案比选。
         ⑨点选“航道条件”菜单，展示各拟疏浚航道场景，展示拟疏浚航道地形地质特性。
         ⑩ 点选“疏浚设备”菜单，展示“抓斗式挖泥船”、“铲斗式挖泥船”、“绞吸式挖泥船”、“耙吸式挖泥船”4类疏浚设备，通过鼠标拖曳，将其放入施工区域，选择正确，能够进行后续操作，选择错误则给出错误提示。
         ⑪ 进行船吸现象方案比选知识点的在线测试，掌握不同疏浚方案的适用条件。
         ⑫ 选择“船吸现象施工过程”模块，点选“抓斗式挖泥船疏浚施工”、“铲斗式挖泥船疏浚施工”、“绞吸式挖泥船疏浚施工”、“耙吸式挖泥船疏浚施工”等菜单，学习不同疏浚设备施工过程。
         ⑬ 进行船吸现象施工全过程知识点的在线测试。

1、是否记录每步实验结果：是  否

2、实验结果与结论要求：实验报告 心得体会  其他:完成在线测试

3、其他描述：每一模块都对应有相关知识点的在线测试，只有在线测试合格后才能进入下一模块的学习。当实验参数不合理时无法完成该实验，相应提示学生错误原因和改正建议。

实验过程和实验结果双重考核，考核形式有：讲解提问、小组讨论、交互式操作、在线测试、学习心得体会。各项得分占比分别为10%、20%、40%、20%、10%，具体成绩评定标准参考表1。

考核项目	优	良	中	合格	不合格
讲解提问	积极回答问题，且问题表述清楚正确	积极回答问题，问题表述相对清楚正确	积极回答问题，问题表述欠清楚正确	积极回答问题，问题表述错误	不积极回答问题，问题表述错误
小组讨论	能清晰讲解相关问题，对资料熟悉可灵活运用	能清晰表述相关问题，资料正确，能读懂	问题表述基本正确，资料正确，能读懂	问题表述不全面，资料基本正确	不积极参与讨论，无资料
交互式操作	操作熟练，参数选择合理，用时较短	操作较熟练，参数选择较合理	操作不熟，但参数选择合理	操作熟练，但参数选择不合理	操作不熟练，且参数选择不合理
在线测试	90分以上	80分以上	70分以上	60分以上	60分以下
心得体会	理解了相关知识点，熟悉并掌握船吸现象的理论与应用技术	理解了部分知识点，理解并掌握了船吸现象的理论与应用技术	理解了部分知识点，基本掌握了船吸现象的关键理论与应用技术	了解部分知识地点，基本掌握船吸现象施工的部分理论与应用技术	知识点掌握差，船吸现象的关键理论不清楚

（1）专业与年级要求
船舶与海洋工程专业，大三第二学期，与《应用流体力学》课程同步。

（2）基本知识和能力要求
①能够运用船吸现象知识，准确操作仿真实验，掌握船舶在不同航行环境下船吸现象的不同表现，对船吸现象进行思考和分析，达到掌握船吸现象基本理论的目标；
②能够基于船吸现象基本原理，并采用科学方法对船吸现象进行工程应用分析与评估，得出船吸现象工程应用的方案；
③具备以口头或书面的方式，针对船吸现象实践中所形成的解决方案，与专业人员及社会公众进行有效的沟通和交流的能力；
④能够基于行业标准，分析船吸现象对船舶设计建造、限制性航道的有效水深和航道宽度同，以及船舶安全航行、智慧航运发展的综合影响。

1、本校上线时间 ：2019年8月25日

2、已服务过的本校学生人数：本校120人，外校70人

3、附所属课程教学计划或授课提纲并填写：
纳入教学计划的专业数：1 ，具体专业：船舶与海洋工程专业 ，
教学周期：每年1次 ，学习人数：一个班约30人（本校）

4、是否面向社会提供服务：是 否

5、社会开放时间：2021年9月15日

5、已服务过的社会学习者人数：35人