虚拟仿真技术是指通过计算机系统模拟现实世界的生产和生活过程, 具有逼真性和互动性的特点。随着虚拟仿真技术手段的不断完善, 现已广泛应用于科研、教学乃至生产生活的各个环节。潮汐和潮流动力过程的虚拟仿真实验, 是通过计算机手段模拟天体与地球相对位置的变化, 以及地球表面潮汐椭球的变化, 进而帮助学生学习和掌握平衡潮理论的基本知识。另外, 潮汐潮流分析和预报的虚拟仿真, 可以帮助学生学会潮汐潮流主要参数的计算, 并针对选择站点的进行潮汐类型、潮差等特征值的分析, 进一步对该站点潮汐的变化过程和潮流的流速矢量进行预报。
在理论课的基础上开展虚拟仿真实验教学, 可以激发学生的实验兴趣, 提高学生的实验操作技能。并且, 通过虚拟仿真实验教学, 教师与学生能够融合成一体, 共同完成实验项目而使学生获取知识和技能, 达到知行合一的效果。此外, 教师能对学生实验中出现的问题以引导、启发的形式使学生认识问题出现的关键所在, 增强学生对知识的获取兴趣和获取能力, 培养学生发现问题、解决问题的能力, 从而满足本科教学大纲要求, 实现专业培养目标
潮汐潮流动力过程实验主要包含三个模块, 一是平衡潮理论的虚拟仿真实验, 二是区域海洋的潮汐潮流分析和预报的实验, 三是考核模块。
地球上的海水在天体引潮力作用下会形成潮汐椭球, 称为平衡潮, 而且潮汐椭球的长轴始终指向天体。虽然地球的地轴与太阳和月球的运行轨道 (分别称为黄道和白道) 都是倾斜一定角度的, 但是当月球或太阳运行到赤道平面时, 潮汐椭球的长轴与赤道面是平行的, 因此潮汐椭球的长轴和地轴必然是垂直的。众所周知, 地球是绕着地轴自转, 如果以月球作为参照物自转一圈大约需要24.84小时, 即一个平太阴日。这种情况下, 地球上任意点的潮位变化, 一天两次高潮的潮高大体相当, 称为分点潮;当天体运行偏离赤道平面时, 平衡潮的长轴方向与赤道面倾斜一定角度, 同样由于地球自转的原因, 同一地点一天两次高潮的潮高是不一样的, 即产生所谓的日潮不等, 而且天体赤纬越大, 潮汐椭球的长轴与地球赤道的倾角越大, 日潮不等现象就越显著。最大的情况称为回归潮。因此实验第一步可固定天体位置, 只考虑地球自转, 观察潮汐椭球面的分布特征。然后调整潮汐椭球长轴与赤道倾角的大小, 观察由于地球自转引起的日潮不等的变化规律。另外, 通过虚拟仿真, 制作三个天体位置变化的动画, 还可展示平衡潮理论中大小潮的周期变化。当地球、太阳和月球三点一线时, 对应朔望大潮;三点连线成直角时, 对应上下弦月小潮。
关于潮汐潮流动力过程的仿真实验, 首先建立渤、黄、东海三维潮汐潮流动力模型, 然后进行模型计算和潮汐潮流模拟结果的率定;所得到的模拟结果是进行潮汐潮流动力过程虚拟仿真的数据来源。在虚拟软件里编写成可操作的脚本, 与潮汐潮流动力过程相结合, 可进行潮汐、潮流场的动态展示, 学生可选择站点和时间进行潮汐潮流的实时预报, 潮汐类型和潮差的分析展示, 单个分潮的潮汐潮流场、潮流椭圆特性, 潮流旋转特性的展示。
潮汐潮流动力过程仿真系统主界面包含三个选择栏:平衡潮理论;渤黄东海潮汐潮流分析和预报;试验考核。
点击“平衡潮理论”进入次级界面, 出现“日潮不等”和“大小潮不等”按键, 点击“日潮不等”, 弹出“白道倾角”和“黄道倾角”对话框, 可设置参数:黄道与赤道倾角变化范围为:0～23o27’;白道与赤道倾角的变化范围为:0～28o36’。黄道和白道轨道倾角的变化反映太阳和月球两个天体在各自轨道的运行过程, 观察由于地球自转引起的日潮不等的变化规律。
在“平衡潮理论”的次级界面, 点击“大小潮不等”, 弹出“大潮”和“小潮”按键, 点击“大潮”出现“朔潮”和“望潮”按键, 点击“朔潮”出现月球、地球、太阳三个天体排列成一条直线, 其中月球的位置位于地球和太阳之间, 由于太阳照在月球背面, 因此我们肉眼是看不到月球的;回到上一级菜单, 点击“望潮”, 同样会出现月球、地球、太阳三点一线的情形, 只不过位于三个天体中间位置的是地球, 月球和太阳分别位于地球两侧, 太阳照在月球正面, 光线反射到地球, 我们看到的是满月。点击“小潮”会出现“上下弦月小潮”, 太阳和地球连线与月球和地球连线相互垂直, 意味着太阳引潮力的潮汐椭球和月球引潮力的潮汐椭球的长轴垂直。
在主界面点击“渤黄东海潮汐潮流分析和预报”, 进入次级界面, 有“海底地形地貌”, “潮汐”, “潮流”, “潮汐潮流预报”等选项。点击“海底地形地貌”, 可出现渤黄东海的三维海底地形图。点击“潮汐”, 会进入下一级子菜单, 出现“涨落潮动态演示”, “潮汐类型”, “潮差分布”, 以及“同潮图”等选项。点击“涨落潮动态演示”, 会出现渤、黄、东海潮汐的动态变化过程。点击“潮汐类型”会出现该海域潮汐类型的分布图, 学生可直观认知“规则半日潮”, “不规则半日潮”, “不规则全日潮”和“全日潮”的分布区域。如果学生想进一步了解四种潮汐类型的变化过程, 可选择下拉菜单中的“规则半日潮”选项, 则出现东海站点潮汐的变化过程曲线, 点击“不规则半日潮”选项则出现黄海站点潮汐的变化过程曲线, 点击, “不规则全日潮”选项则出现老黄河口站点的潮汐变化曲线, 点击“全日潮”选项则出现秦皇岛外海潮汐变化曲线。点击“潮差分布”则出现该海区最大潮差分布形态图。点击“同潮图”会出现“M2”, “S2”, “K1”, “O1”四个分潮选项, 点击可出现该分潮振幅H和迟角g在该海域的同潮图。
回到次级界面, 点击“潮流”, 会出现“涨落潮流动态演示”, “潮流类型”, “潮流椭圆”, “潮流运动形式”等选项。点击“涨落潮流动态演示”, 会出现渤、黄、东海潮流的动态变化过程。点击“潮流类型”会出现该海域潮流类型的分布图, 学生可直观认知该海域“规则半日潮流”, “不规则半日潮流”, “不规则全日潮流”和“全日潮流”的典型潮流类型的区域分布。点击“潮流椭圆”会出现“M2”, “S2”, “K1”, “O1”四个分潮选项, 点击可出现该分潮潮流椭圆在该海域的分布特征图。点击“潮流运动形式”模块会出现渤黄东海的地形站位图, 点击选取其中某个站位, 会出现该站点潮流的周期矢量的变化过程, 最后合成一张潮流运动形态图。所设置站位囊括了所有的潮流运动形式, 即顺时针回转流、逆时针回转流、顺时针往复流和逆时针往复流的变化过程。
回到次级界面, 点击“潮汐潮流预报”, 会出现“潮汐”和“潮流”两个选项。点击“潮汐”, 会出现站点选择的对话框, 输入“经纬度”, 确定要预报潮位的站点 (在渤黄东海范围内) , 然后出现预报潮汐起始时间的对话框, 输入“年月日时”后按“开始”按钮, 可出现之后一天的潮汐变化过程曲线。回到上一级界面点击“潮流”, 会出现站点选择的对话框, 输入“经纬度”, 会出现该站点一个潮周期内的潮流运动形式。由此可判断该站点是往复流还是回转流。
除了两个试验的展示模块外, 本虚仿真拟实验系统还设置了试验考核模块, 主要考察学生对潮汐课程基本概念和基本理论的掌握情况。点击“试验考核”会出现“潮汐类型”, “潮流形式”, “大小潮”等考核环节。根据给定的图片, 判断出正确的潮汐类型、潮流运动形式以及大潮小潮, 巩固加深课堂和实验教学的重要知识点。
虚拟仿真实验教学可以帮助学生加强对课堂理论知识的理解, 通过逼真的动态展示加深学生的感性认识, 通过交互性实验调动学生学习的主动性。另外, 本实验的记录过程能够客观评价学生对于课堂教学的掌握程度, 反馈到教学环节, 可督促教师改进教学方法提高教学质量。
摘要：本文首先介绍了潮汐潮流动力过程虚拟仿真实验教学的意义;接着着重讨论了实验教学的内容和方法, 以及在设计实验时一些关键的界面元素, 希望通过计算机系统里的虚拟仿真实验能够帮助学生更好地学习和掌握潮汐潮流的重要理论知识。
关键词：潮汐潮流,实验,虚拟仿真,界面
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