海堤防护设计涉及知识点较多，涵盖海洋动力、海洋结构物以及动力-结构物相互作用等。传统课程教学过程中，这些知识点往往较为抽象及枯燥，学生对知识点间的串联难度大，学习成本高。本虚拟仿真实验将动力和结构相结合，将海堤防护设计拆解为多个模块，并以链条式方法设计实验模块，对不同知识点进行集成，提高学生对多知识点的理解程度，支撑复合型人才培养需求，拓展教学内涵，是对传统教学方法、资源的有效延伸与拓展。具体而言，实验包括如下几点教学目标：

1. 掌握波浪统计资料分析、设计波浪推算方法；了解波浪模拟基本方法，了解堤前波高及波浪爬高的模拟及数据分析方法。

2. 掌握海堤防护措施类型、优缺点以及防护措施参数选取方法；掌握防护措施的参数选取以及海堤防护方案综合设计方法。

3. 掌握设计方案安全性评价方法，了解综合选取海堤防护方案的方法。

4. 完成实验报告。

波浪是海洋中常见的水动力现象。在海洋工程建设及运行维护期，极端事件如风暴潮等海洋灾害往往对海堤及其掩护的陆域造成巨大威胁。海堤及其防护措施则是传统的消浪耗能结构物，其目的是抵御波浪对海岸的侵蚀、消能减灾。传统防护措施多为“硬”质的工程结构，例如混凝土异形块体、斜坡消浪平台、潜堤等，在世界各国普遍使用，通常建设及维护成本较高。本实验原理则是通过结构物参数设计，从单参数到多参数，从单方案到多方案，从单一到全面逐步认知不同设计方案的消浪效果。同时强调课程思政，通过经济性和生态友好性来综合评价方案，接轨实际工程，加强海洋工程师使命感、责任干的培养。最终，达到设计方案符合当地实际经济、自然情况，做到资源最优化利用的培养目标。

另一方面，传统的海堤坡面硬化设计会阻隔海岸带物质连通性，为对沿海生态系统带来一系列负面效应，导致生态系统的退化，甚至丧失。近年来，在生态文明国家战略的驱动下，我国海岸防护措施的理念正由“硬”质工程转变为“软”防护，并结合我国工程实际提出了海堤生态化的理念。本实验原理设计方面，亦考虑了学科及工程前沿的植被消浪措施，学生可通过设计不同植物防护区，通过单参数及多参数调整，来定性及定量理解其防护效果及经济成本，加强生态理念。

实验过程依据《海堤工程设计规范（GBT51015-2014）》、《堤防工程设计规范（GB50286-2013）》、《防洪标准（GB50201-2014）》等行业规范标准的要求设计。实验数据及台风仿真则基于教学团队在海洋防灾减灾方面多年的科研及工程成果，团队负责人为2020年国家杰出青年科学基金获得者，主持国家重点研发计划课题“变化环境下河口海岸水安全保障关键技术研究与应用”、曾获2011年国家科技进步二等奖“河口海岸水灾害预警预报关键技术、系统集成及应用”（排名3）等，推动了海洋防灾减灾的学科发展。基于团队多年在海洋防灾减灾成果，构建台风浪传播数值模型，结合实际海堤防护设计数据参数，搭建虚拟仿真实验场景及模拟，可保障核心要素的仿真度及实验的教学效果。

实验从场景选择开始，分别设计了三个主要模块，每个模块设计多个子环节并配有任务书及引导说明，采取任务驱动，引导学生逐步完成海堤防护方案的设计。实验共4学时，14个实验操作步骤。具体介绍操作步骤如下：

（1）项目初始化

输入项目网址（http://xnfzgx.hhu.edu.cn/course/details-expe/4.html），进入虚拟仿真实验平台，出现图1所示的账号登录界面。输入用户名密码，点击登录，进入图2所示系统加载界面。需要用Firefox或者Chrome浏览器加载虚拟仿真实验。第一次登陆时，将首先从服务器下载虚拟仿真程序，需等待数分钟，具体与网速和电脑配置等有关。

加载完成后，进入欢迎界面（图3），点击确定后进入实验大厅，出现是否需要新手引导界面（图4），帮助学生学习场景基本按钮和操作方式。

实验大厅可通过点击左上方按钮随时返回，大厅左上方设置有实验简介、步骤引导、知识提示按钮，用户可随时点击查看，了解实验的基本介绍、实验目标、实验步骤，以及实验需要的基本知识（图5）。

图5 实验大厅界面

（2）第一模块：海洋调查资料分析

步骤1：场景初始化。点击海洋调查资料分析按钮，系统给出两个场景供学生选择（目前核电站场景已经建成，城市场景正在建设，后续拟建设更多场景）。场景介绍包括图片和文字说明，学生可选择感兴趣的场景进入，进行下一步实验。此步骤可引导学生对场景进行基本认知，为后续实验提供一些基本材料（图6）。

图6 实验场景选择界面

系统根据选择场景生成三维虚拟海岸建筑模型。学生进入场景后，场景预设漫游路线，通过不断变换视角帮助学生熟悉设计场景，最后视角停止在主海堤位置。屏幕下方弹出说明框“海堤是抵御台风灾害的第一道屏障，可保护后方陆域及建筑物免遭海水淹没和海浪破坏”，点击确定后，场景显示有海堤防护情境下台风浪传播仿真动画（图7），可点击跳过动画按钮进行跳过。动画播放结束后，屏幕下方弹出说明框“如果没有海堤防护或者海堤建设防护等级较低，陆域核电站不仅受到严重破坏，还将对周围环境带来持续破坏”，点击确定播放漫滩动画（图8），可点击跳过动画按钮进行跳过。随后，弹出实验需要解决的问题和实验目标（图9-10）。

图7 海堤防护成功动画界面	图8漫滩灾害视频截图
图9 虚拟仿真实验需要解决的问题	图10 虚拟仿真实验的实验目标

步骤2：海堤特性。学生通过点击高亮区域（图11），熟悉场景相应信息。学生需要可点击下方“海洋调查问答”（图12），完成调查信息问答，系统根据回答内容自动生成资料分析报告。在步骤2-4进行中，随时可对回答进行补充修改。例如，点击高亮显示的陆域建筑，系统显示受防护区域经济、人口密度等基本信息，学生对防护区域等级等问题作答；点击海堤及护面类型，学生需要判断海堤及护面类型并作答，同时学生可通过知识按钮回顾不同海堤及护面类型，并可随意组合，场景中的海堤会不断变换形式（图13）。点击波浪浮标等测量仪器，屏幕中间出现波浪玫瑰及不同风向的波高序列图，右侧弹出测量设备信息，学生可对仪器形状、测量原理以及测量数据进行认知（图14）。

步骤3：设计波浪推算。点击场景右侧资料分析按钮，弹出任务提示框，点击确定后，场景出现水文参数设计面板（图15）。将上一步骤生成的特征波高序列导入，自动绘出经验频率散点图。横坐标是频率（其倒数代表设计重现期），纵坐标为对应重现期下的设计波高（图16）。点击生成曲线按钮，系统根据数据序列计算平均值、变差系数以及偏态系数等统计参数，并生成初始理论频率曲线。学生可通过调试变差系数及偏态系数，系统自动调整频率图中的曲线形状。学生通过观察法，结合曲线与数据的拟合度，判断最优的理论频率曲线。曲线确定后，输入上一步获取的防护区域重现期，系统根据曲线计算设计波高。

步骤4：波浪模拟。点击防护模拟按钮，进入波浪模拟面板。左侧面板显示出上述各个环节获得的海堤特性及设计波高等信息，其中海平面高度及设计波高可变动，默认值为上述环节的计算值（图17）。点击开始模拟按钮，系统依托数值模型生成台风浪传播动画（图18），进而再现台风浪由外海向近岸的传播、变形过程，以及波浪与海堤的相互作用，学生可直观的观察当前海堤参数对设计波高的影响效果。点击波高分析与爬高分析按钮，系统生成堤前波高时间序列图和爬高时间序列图，并自动计算特征波高及爬高（图19）。学生可通过调整海平面高度、设计波高，观察台风浪传播、变形及爬高过程，分析波高及爬高序列图，测试当前海堤防护能力。最后，需要点击“知识问答”回答本环节问题（图20）。

（3）第二模块：海堤防护方案设计

步骤5：海平面设定。进入海堤防护设计模块，出现本模块实验目标，点击确定后，实验目标收回右上角，学生可随时查看。该模块预设不同海平面上升速率以及未来年份。不同学生进入模块时，系统随机生成海平面高度，并且给定现有预算，设计需要满足现有预算条件。同一学生反复进入该模块时，海平面高度保持不变，预算也不变。学生共有五次设计机会，设计可以是同一种防护措施不同参数的组合，也可以是不同措施不同参数的组合。如果五次设计均防护失败，则可点击求助按钮，进行教师在线答疑（图21）。

图21 模块2-实验目标界面

步骤6：防护措施认知。场景下方显示海堤防护措施认知及设计面板（图22-25），学生可以点击不同的防护措施，屏幕右侧显示相应防护措施的优缺点等，不同防护措施需要设置的参数也不同。学生可进行参数调整，场景亦会实时变化，右上角显示的造价也会实时变化，进而对不同防护措施、参数及造价形成直观认知。具体说明四种防护措施及参数?：点击护面块体对应扭王字块体与四角空心块体两种，可设置的参数为块体尺寸及块体铺设的空隙率（图22）；点击消浪平台则出现平台宽度滑块，可设置平台宽度（图23）；点击离岸堤对应出水堤和潜堤两种类型，可设置的参数为离岸堤的离岸距离（图24）；点击消浪植被后出现参数设置滑块，可设置防护植被区域的密度以及宽度（图25）。

步骤7-10：防护措施设计及消浪效果实验，包括四种单独的防护方案。不同防护方案以选项卡形式显示（图22-25），不同方案对应的设计参数不同，造价不同，后续的防护效果模拟亦不同，但其操作步骤及方法基本一致。选取消浪植被为例进行步骤介绍，其他防护措施的设计操作方法类似，不再赘述。

消浪植被方案设计操作步骤说明。点击设计面板中消浪植被选项卡（图25），有两个参数共选择，可选择单参数和多参数进行消浪植被方案设计。拖动滑块设置防护植被区域的植被密度以及植被区域宽度，场景中防护措施会随参数实时变化。设计参数选择完毕后，需要查看造价是否满足预算，如超过预算，则无法进行模拟。当造价满足要求时，点击开始模拟，弹出台风浪模拟面板，系统对参数消浪效果进行计算模拟。点击台风浪模拟按钮，平台根据输入的设计波高、海平面高度以及海堤防护措施，调用数值模型进行计算，并以三维波浪传播仿真动画再现台风浪由远及近的传播过程、植被对波浪的衰减过程（图26）。首先通过观察法，查看当前防护措施对波浪的削减效果。其次，点击上方“波高/爬高分析”（图27），可查看波高数据序列及爬高数据序列，并统计特征波高及爬高，定量分析当前方案对波浪削减效果。此方案可重复多次，对不同植被参数消浪效果进行实验研究，但最多不超过5次。

图26 防护效果模拟界面

图27 防护模拟面板——波高与爬高分析界面

步骤11（可选，探索性实验）：组合防护方案设计及消浪效果实验。步骤7-10为四种单独的防护方案设计，如方案均满足安全性和造价要求，则自动激活组合设计选项卡，学生可同时选择两种或三种不同类型的防护措施进行组合（图28），并分别进行参数设计。如果学生五次均选择一种方案，通过选择不同参数进行方案设计，则自动激活消浪效果实验功能，系统自动统计波高与爬高随参数变化关系，学生需根据提示回答相关问题。

图28 组合设计界面

（4）第三模块：海堤防护方案评价（3个知识点）

步骤12：安全性与经济性评价。点击安全性评价按钮，系统根据上一环节方案设计，生成不同方案的波高、爬高、波高衰减率和爬高衰减率柱状图（图29）。通过对比法分析对不同方案的安全性，并进行排序。点击经济性评价按钮，系统生成不同方案的造价柱状图（图30）。结合安全性评价结果，对方案再次排序。

步骤13：生态友好性评价。点击生态性评价，系统根据上一模块设计的防护方案，生成生态性调查问卷（图31），学生需要针对实际情况进行选择，系统根据问卷选项自动对各个防护方案进行评分。点击“提交”后，系统生成安全性、经济性和生态性评价汇总表，学生结合分析，进行综合评价排序，选取合适的防护方案（图32）。

步骤14：实验报告及得分查询。点击提交按钮，系统自动生成实验报告及得分（图33）。实验报告包括资料分析报告、方案设计报告以及方案评价报告，便于学生回顾实验全过程。

图33 实验报告