针对海上风浪的多场景观测，通过多种波浪叠加模拟真实海面状况及海上作业环境及过程，提高学生对海浪的基础知识的认知及多种波浪观测仪器设备的操作规范、操作技能的能力培养，锻炼数据处理能力：

（1）理解并掌握海浪的主要参数、形成、成长及波浪叠加，加深对波面方程、频散关系的认识，能研究探索风速和风时的变化对海浪参数的影响。

（2）掌握风浪观测的仪器操作规范及质量控制方法，包括光学测波仪和重力测波仪的使用方法，熟练掌握测波仪测量波高、周期等参数的方法，培养学生实际动手的能力。

（3）培养学生对实验结果处理的能力，通过计算有效波高、有效波周期等参数，提高学生处理实验数据、分析实验结果的能力，从而提高学生分析问题、解决问题的能力。

（1）实验原理

本实验以海浪生成与观测为目标，海浪状况复杂多变，因而海浪生成的仿真是整个实验的基础。海浪的观测方法多种多样，本实验围绕最广泛应用的两种方法（近海光学观测和大洋重力观测）展开。

实验主要分五大模块（实验简介，实验认知，海浪生成，近海观测和大洋观测），实验简介和实验认知为实验准备阶段；实验模块主要包括海浪生成、近海观测和大洋观测，下面分模块介绍：

1）实验简介的目的使学生对实验基本概况、基本功能和流程有一定的了解，主要包括实验介绍、实验目的和实验注意事项，通过该模块学生可以快速了解实验内容和实验流程；

2）实验认知模块主要目的是使学生熟悉实验所用仪器设备，并对实验所需的基础知识进行测试，为下一步进入实验做准备。在仪器设备中详细介绍了光学测波仪、重力测波仪、浮标、罗盘等仪器设备的各个部件和功能用途，为真正进入实验打下基础；认知测试中通过从试题库中随机抽取10道题考察学生对本实验所需知识点的掌握程度，答对8道以上方可进入实验。

3）海浪状况复杂多变，因而海浪生成的仿真是整个实验设计的基础，分为两部分内容:I波浪生成：我们依据实际观测数据建立风速和风时与波浪的关系，使学生理解波浪生成基本理论。II波浪叠加：真实的海浪可视为多个简单波的叠加，学生可以通过两个简单波的叠加推测出合成波的波形，进而理解波浪叠加的基本原理，本实验所用海浪就是根据这一原理仿真设计的，为下一步进行海浪观测奠定基础。

4）近海观测的主要使用光学测波仪，因此在该模块设计了利用光学测波仪观测海浪参数，光学测波的观测步骤主要包括浮标投放、设定方位、仪器设置、光学测波、数据处理五个步骤，操作方便，容错性强，达到考察的目的。

5）大洋观测分为目测和重力测波，该实验需要在仿真调查船上进行，船只运动可通过鼠标和键盘操纵。目测主要分为选择观测点，通过观察判断波型和海况。重力测波过程主要包括仪器选择、设备组装、投放顺序、重力测波、仪器回收等步骤，学生可以通过鼠标键盘控制起吊机对重力测波仪进行投放和回收，操作容知识性、趣味性于一体，让学生“玩中学”。最后需要根据观测结果计算波浪相关参数并提交报告，以考察学生的数据处理能力。

本实验共涉及8个知识点：

1.风浪生成理论

2.波浪叠加理论

3.波浪参数之间的换算关系

4.目测海况的步骤

5.光学测波仪的测波原理与使用方法

6.重力测波仪的测波原理与使用方法

7.平均波高、平均波周期的统计算法

8.有效波高、有效波周期的统计算法

图2 实验设计流程图



（2）核心要素仿真设计

实验主要设计了“真实海面”、海洋调查船、岸基实验室、光学测波仪、重力测波仪、浮标等实验平台、场景和仪器，下面分别介绍：

“真实海面”复杂多变，随机性强，系统采用大量风浪叠加后的海浪模拟真实海面状况。场景设置为无限深、无限广的海域。

图3 “真实海面”

海洋调查船高度仿真海洋科考船，可以通过控制鼠标键盘动作模拟开船，船上设有救生艇、起吊机等装置，满足观测的需要。

图4 海洋调查船

岸基实验室是波浪观测的专用建筑，实验室设置在海岛上，按照操作者视角可利用鼠标自由行走。实验室内设置有临窗观测台安放光学测波仪，以及分析台等其它设备以备后续生化等仿真实验所用。

图5 岸基实验室

光学测波仪依据HAB-2测波仪高度仿真，设有望远镜、管状水准泡、调平螺丝等装置，可以实现测量波高、波向、周期等波浪参数的功能。

图6 光学测波仪的仿真

重力测波仪依据（SZF-2-1型）重力测波仪原型进行高度还原，主要仿真了海事卫星通信模块、玻璃钢增益天线、数据接口等装置，可以实现测量波高、波向、周期等波浪参数，可自动记录。

图7 重力测波仪

浮标按照真实浮标（HF1.5-D1型）真实还原，作为实验中漂浮在海面的一种航标，用于指定位置和作为观测目标。

图8浮标

（1）学生交互性操作步骤，共 11步

（2）交互性步骤详细说明

实验认知模块：

登录系统后先进入实验认知模块，分为仪器设备和认知测试两部分。仪器设备是对所有主要实验仪器的三维仿真，可利用鼠标操作旋转、放大等功能，详细介绍设备的结构、部件及功能，便于学生掌握。认知测试是学生预习课堂内容及基本海浪理论后，随机给出的10道试题，需答对8题以上才认为预习合格，方能进入下一步实验操作。该步骤主要考察学生对基本知识的掌握程度，不占实验成绩。

图11 认知模块的部分操作过程

海浪生成模块：

步骤1风与海浪：进入海浪生成模块中的海浪生成，可选择某一指定风速及风时，观察风场变化时波浪参数的变化以及不同水深处水质点的运动规律。选择测量按钮，系统显示虚拟计时器及标尺，可用鼠标移动标尺至参照物位置，并利用浮标或海面水质点做参照物测量振幅和周期。通过该步骤，能使学生理解风速与波浪参数与波形的基本关系，掌握参数的基本测量方法。

图12 海浪生成模块界面及生成步骤画面

学生可自由选择风速，并逐步调整风时长度，观察选择风速下风的作用时间与波浪参数的关系，可重点观察水质点、波高与波速。每步都需测量波高和周期，记录观测波高数据并提交。在完成所有风时的测定后点击上传和折线图按钮绘制折线图。波周期的测定学生可作为个人探索，研究风场变化与周期的关系。该步骤能使学生认识风时对波浪参数的影响，并能探索和验证风浪达到稳定状态的过程等重要知识点，锻炼数据处理能力并能与理论相结合。

图13 风速7米/秒时改变风时长度时海浪的变化

波浪叠加实验，设置了三组不同参数的A、B两个简单正弦波叠加，观察叠加后海面的变化，测量叠加后海浪波高的最大与最小值并提交。该步骤对应波浪叠加形成波群的知识点，也是后面仿真实验海面状况的基础，能使学生理解波浪叠加后波形的变化。

图14 两个简单波A和B叠加后的效果

近海观测模块：

步骤2浮标投放：实验设置在海岛实验室内，可通过鼠标及键盘WASD键在实验室内漫游和调整视角，该实验室也是后续仿真实验项目的基地，可进行生化等实验。操作包括浮标的准备、检查及投放，海面状况及水深、测波仪安装高度等由系统随机产生，系统首先会测量浮标处水深及光学测波仪安装高度，学生需选择选择正确的投放距离。若选择错误系统会提示二次，第三次时会提示正确的计算方法但每次输入都会失去相应分数，目的是加深印象而非简单的容错。浮标投放完成后，系统会回到实验室进行光学测波仪的设置工作。该步骤的目的是加深对浮标投放的基本要求的认识。

图15 浮标投放的操作过程

步骤3测定方位：首先利用罗盘测量磁偏角，并计算南北方向线（与上面步骤相似容错三次以加深印象），然后选择确认参照物。

图16 利用罗盘测量磁偏角和确定方位角

步骤4光学测波：根据系统提示认真完成光学测波仪的水平设置、方向设置、倾角调整等安装设置，用鼠标控制界面按钮操作相应仪器上的调节装置使气泡至中心位置，并要求控制方向使南北方向线必须对准参照物。该步骤的目的是了解岸基观测的基本操作步骤，锻炼学生的操作能力。

图17 光学测波仪的调整过程

以浮标为观测对象，使用光学测波仪观察浮标在测波仪透视网格上的读数来测量波向、波高，利用秒表测量周期，并至少测量10组数据自己记录。点击填写报告进入下一步骤。该步骤的目的是锻炼学生在复杂多变的海面状况下读取数据的能力，并能认识有效波高知识点的重要性。

图18 利用透视网格测量波向和波高

利用记录的观测数据，分别计算平均波高、周期和有效波高以及波向并填入表格后提交。该步骤对应有效波高H1/3和H1/10知识点的统计方法，锻炼学生观测数据的处理能力。

图19 填写数据表格

大洋观测模块：

步骤5波形判断：在系统随机叠加合成的海面上选择观测员所在位置，并按照系统提示要求认真观察规定范围外的海面，目测海浪，判断波形后按确认件提交。可重复选择几种海况进行观测，锻炼学生的熟练程度。该步骤对应目测海浪知识点，培养实际出海实践时对海浪波形的观察能力。

图20 目测波形的步骤

步骤6 海况判断：在同一观察位置，区域为离船30米或半个船长以外区域，根据课堂所讲内容选择海况等级并提交。可重复选择几种海况进行观测，锻炼学生的熟练程度。该步骤对应目测海浪知识点，培养实际出海实践时对海况的观察能力。

图21 目测海况的步骤

步骤7确认绳长：系统首先会测量水深，学生应根据要求选择适宜的绳长，要求超过水深2倍左右，以便测波仪能随海浪自由振动不致影响测量结果以及在大风状态下连接绳断裂造成损失，与前面相似有三次容错机会。随后应选择重力测波仪投放过程中所需设备（容错三次，系统记录错误后最终给出正确答案）。

图22 根据水深确定绳长

步骤8仪器选择：重力测波仪观测仪器的选择，包括重力测波仪、锚链、水泥重块、浮球和绳子（容错三次，系统记录错误后最终给出正确顺序），按确定后进入下一步。该过程步骤的容错设置，目的是加强学生对设置的认知。

图23 重力测波仪仪器的选取

步骤9设备组装：按照由海面到海底的组装顺序把设备拖入方框内完成系统装配，该过程容错三次，系统记录错误后最终给出正确顺序。要求重力测波仪-绳子-浮球-锚链-水泥重块，选择完成后按确认键。该过程步骤的容错设置，目的是加强学生对设置的认知，了解海上浮标布设操作的基本流程和规范。

图24 组装顺序的确认

步骤10投放顺序：组件投放顺序的选择，正确的顺序为先投放水泥重块，把观测船驶离一段安全距离以防与后续投放部件发生碰撞，再投放浮球和锚链，最后投放重力测波仪。该步骤亦容错三次以加强印象。

图25 投放顺序的选择

步骤11重力测波：根据系统提示操作吊车按照顺序进行重力测波仪所有部件的投放，此时利用鼠标或键盘调整视角以便连接设备，在连接后才能吊放各组件。投放完成后系统会给出安装效果图，学生应仔细观察各部件的位置。

图26 不见得投放过程及完成后的效果图

重力测波仪的回收及数据读取、处理和计算，学生需要自己计算并把结果填入表中，完成后按提交键。该步骤的主要目的对应海浪参数（如波陡）等基本知识点，锻炼学生的基本数据处理能力。

图27 数据处理及填写画面

实验报告模块：

学生根据读取后的数据表格，选择100组实验数据并计算平均波高、平均波周期和有效波高、有效波周期，并计算波陡和确定波级。该步骤目的是掌握数据处理及相关参数的定义等知识点，认识实验数据及报告的基本格式。