在船舶与海洋工程中，波浪是最常遇到的现象，波浪的生成主要与风、船舶等水面结构物的运动有关，研究这些波浪的生成和演化规律具有十分重要的意义。波浪对各类舰船与海洋工程装备会产生显著作用：水波会引起舰船或海洋平台的剧烈摇荡运动，影响这些装备的适航性和安全性；航行船舶引起的船波决定了船舶兴波阻力，影响其经济性。掌握波浪理论对船舶与海洋工程专业学生来说十分重要，是不可或缺的专业基础知识。因此，波浪生成与演化相关的知识是船舶与海洋工程专业基础课《船舶流体力学》教学内容的重点之一。由于波浪影响范围广、其生成和演化过程变化剧烈、机理复杂，与流体动力学、伯努利原理、波浪理论、势流理论等许多流体力学知识都有关，理论性强，概念抽象，学生学习困难，理论知识与实际应用脱节，实践能力难以得到锻炼。帮助学生理解复杂波浪理论的最好方法是理论联系实践，让学生亲自动手实验，亲身体验波浪机理。然而，在拖曳水池或海洋工程水池中开展物理模型实验时，需要精密昂贵的实验设施和测量设备，成本昂贵，模型加工、吊装、设备调试、启动、运行等各环节实验周期长，还会受空间和场地等限制不容易实施实验或观测，且可重复性低；此外，每次参与实验的人数有限，受众面窄，可供学生实际动手操作的内容非常有限，只能针对个别波浪参数进行实验观察，无法对水波理论和船行波理论深入探索，在有限的课时下难以满足教学需要。更重要的是，当波动幅度较大或波浪环境较恶劣时，水池实验具有一定的危险性，不便于组织学生参与实验学习。因而，学生的动手实践能力受到很大限制，无法有效理解和掌握波浪理论。在以上背景下，融合波浪理论和虚拟仿真技术来建设“水波和船行波生成与演化”虚拟仿真实验教学项目，将该项目融入教学，可有效支撑《船舶流体力学》课程学习，成为船舶与海洋工程学科建设中的重点和特色。
具体来说，“水波和船行波生成与演化”虚拟仿真实验教学项目的先进性体现在以下几个方面：
1）虚实结合、以实为主，寓教于乐中蕴含丰富水波和船行波理论知识内涵。
创新融合波浪理论知识和虚拟现实技术建设实验教学项目，实验原理来自真实波浪理论，通过数学方程、理论方法或数值计算直接模拟得到水波和船行波特性。从基础的 Airy 波到实际工程的船行波实验，波浪基本原理和方法贯通融合，又自成体系。两部分实验内容分解透彻、层层递进，有助于学生系统掌握船海工程最具代表性的波浪基础知识。
2）多维度、高互动、生动形象展示复杂水波和船行波理论和现象。
从Airy波生成到船行波分析，学生可以通过实际操作，任意改变所需的波浪参数生成不同的波浪，除了掌握一定的实验知识和能力，还可以从多个维度获得物理水池实验中所无法提取的流场关键数据，便于全面地比较和分析不同的波浪特性和关键影响要素。在交互实验操作中，获得对这些知识点的深入理解，锻炼动手能力，提高实践能力和学习产出，并激发学生的自主学习和创新性思考，提高科学和工程素养。
3）依托上海市高校精品课程平台，课程内容与虚拟仿真技术深度融合，创新实验原理的实现手段。
《船舶流体力学》是上海交通大学船舶与海洋工程专业最有影响力的专业基础课之一，已入选上海市高校精品课程、上海市本科重点建设课程、上海交通大学校级一流课程、上海交通大学教学成果一等奖、上海高校课程思政领航计划中的领航课程等，并已在“中国大学（MOOC）慕课”平台上线了三轮《船舶流体力学》在线开放课程。课程团队由活跃在前沿科研一线中青年教师组成，并引进多位海外学者、上海市千人计划学者，为课程建设和扩展学生国际化视野提供强有力的支持。本项目依托以上课程平台，结合虚拟仿真技术进行实验建设，并融合万德成教授领衔的船舶与海洋工程计算水动力学研究中心基于Neumann-Michell 势流理论对船行波生成和演化的研究成果，体现了基础教学与前沿科研深度融合的教学创新模式，也有助于激发学生进行前沿科研探索的兴趣。
4）多元综合评价，接口开放，内容更新，形式多样，与时俱进。
采用过程考核加综合考核的全方位评价模式，引导学生深入理解实验原理，在思考题和探索题中开拓创新性思维。此外，实验接口和功能开放性强，便于后续持续更新不同类型水波和船行波，保证实验项目与时俱进，与前沿科研不断相互促进，丰富实验内容，提升实验高阶性和挑战度。
在实验教学项目中，在讲授水波概念和复杂知识点时，先用学生感兴趣的实际问题或自然现象导入水波问题，用图片和动画的形式来呈现，使抽象的理论内容具体化形象化，使得课堂内容生动、趣味，并能从中激发学生兴趣，引导学生观察和思考水波典型的特征。然后，结合虚拟仿真实验中分解的实验步骤和操作流程，使学生掌握波浪参数的含义，不同参数之间的关联以及船行波的特征及对兴波阻力的影响。实验原理包含了课程内容中最关键和最基础的理论，学生在实验的一步步操作中能掌握抽象的 Airy 波理论和船行波相关理论，理解各参数之间的对应关系，同时也学会基础的实验知识。在虚拟实验中，采用引导性的、分解的交互性实验步骤，以及可自主设置参数的操作，使学生全程参与波浪环境的选择和实验参数的设定，主观能动性得到很大发挥，能促进学生掌握波浪基本理论和主要特性，在沉浸式交互操作和二维或三维的多维度波浪特性对比分析中获得对 Airy 波浪参数、船行波特性、兴波阻力影响因素的直观理解，并开拓创新性思维，加强了理论知识与实际应用的联系。从 Airy 波生成到船行波分析，虽然开展的是不同扰动源引起的波浪实验，但实验原理都离不开 Airy 波理论，学生在操作船行波实验时，能体会到 Airy波线性假设的重要意义，也能理解船行波不同于自然传播 Airy 波的重要特征，可以帮助学生建立船舶与海洋工程中波浪理论的基本体系。
对学生实验操作的评价分为两个主体部分，既包括对实验过程的考核，也包括对整个实验原理和实验流程的综合考核。过程考核主要是采用客观题的形式帮助学生明确实验的原理和实验操作的目的，从细节上帮助学生更好的学会实验流程，了解学生在实验操作中的问题；例如，花费时间较长的操作，评估学生对实验环节涉及的课程内容知识的掌握程度。综合考核是结合虚拟仿真实验中的“自主实验设计”环节对学生参与实验的系统评价，可以综合反映学生对实验的掌握情况，并促进学生对实验延伸探索题等的创新性思考。除此之外，还在实验结束后加入了对学生的问卷调查评价环节，目的是了解学生还存在疑惑的问题或对实验的反馈意见，便于更全面地了解学生学习情况或进一步改进实验。
在传统教学中，受课时限制，课堂上主要给学生讲解 Airy 波理论和船行波理论的基本概念，由于内容抽象，学生理解比较困难；在物理水池的实验中，由于实验周期长且为了安全起见，主要是给学生展示指定参数下波浪生成的过程，学生参与度不高。在虚拟实验中，学生除了能进行标准的 Airy 波和船行波实验，还能直接自主选择实验工况开展自主实验设计，获得对波浪参数、船行波特性、兴波阻力影响因素的直观理解，并在操作过程中得到启发性的思考。
由于《船舶流体力学》课程已有在线课程发布，建设配套的仿真实验教学项目，不仅可以使课程服务于校内的课堂教学，还可融入在线课程中，扩展和丰富其在线与开放功能，满足广大学习者们更高的在线学习需求，实现《船舶流体力学》教学资源更为广泛的推广应用效果。目前，本项目已在大连理工大学试用，获得良好的推广应用效果。