《海洋要素計(jì)算與預(yù)報(bào)》的課程特點(diǎn)與教學(xué)建議

程晨

【摘 要】 針對(duì)《海洋要素計(jì)算與預(yù)報(bào)》課程特點(diǎn)及教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題，提高該課程教學(xué)質(zhì)量和授課效果的對(duì)策主要為：加快正式教材的編輯出版，克服當(dāng)前“無(wú)教材”可用的尷尬局面;通過(guò)理論內(nèi)容物理圖像化，增強(qiáng)學(xué)生課堂參與度，展示當(dāng)前熱點(diǎn)研究成果;積極保持良好的備課、授課態(tài)度，采用多種手段充分調(diào)動(dòng)畢業(yè)班學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)積極性。

【關(guān)鍵詞】 《海洋要素計(jì)算與預(yù)報(bào)》;課程特點(diǎn);教學(xué)方法;困境;對(duì)策

《海洋要素計(jì)算與預(yù)報(bào)》（以下簡(jiǎn)稱《海洋要素》）是絕大多數(shù)中國(guó)高等院校海洋科學(xué)類專業(yè)本科生培養(yǎng)方案中設(shè)置的一門重要的專業(yè)必修課程，其總學(xué)時(shí)一般不少于48個(gè)學(xué)時(shí)。海洋要素的分析、計(jì)算與預(yù)報(bào)是各涉海專業(yè)和涉海行業(yè)在具體業(yè)務(wù)工作中共同關(guān)心的問(wèn)題，也是海洋科學(xué)類專業(yè)本科生務(wù)必掌握的一門基本的專業(yè)技能。隨著中國(guó)海洋科技的迅猛發(fā)展，特別是近年來(lái)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的提出，使得海洋環(huán)境要素預(yù)報(bào)中應(yīng)用的各種要素計(jì)算方法取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。盡管如此，《海洋要素》課程內(nèi)容有著其自身的特點(diǎn)和特殊性，在現(xiàn)階段教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中也暴露出一些問(wèn)題亟待合理有效地解決。

一、《海洋要素》課程特點(diǎn)與教學(xué)困境

1、課程特點(diǎn)

該課程重點(diǎn)介紹基本海洋環(huán)境要素包括潮汐、海流、溫鹽特征、海浪、海冰等的分析與預(yù)報(bào)方法，其與另一門海洋科學(xué)類專業(yè)必修課《物理海洋學(xué)》比較，前者重應(yīng)用方法學(xué)習(xí)，后者重基本理論學(xué)習(xí)。此外，每一種海洋要素的講授都需要注意其各自的特點(diǎn)，結(jié)合我們自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)歸納概括如下：

潮汐部分主要講授長(zhǎng)期、中期、短期資料分析以及潮汐特征值計(jì)算，掌握這些分析、計(jì)算方法的前提就是要真正理解潮汐各引潮力勢(shì)的理論導(dǎo)出及調(diào)和分析，亦即調(diào)和常數(shù)的物理含義，而這將涉及到大量且繁瑣的理論推導(dǎo)，因此成為潮汐預(yù)報(bào)這一章的難點(diǎn)。

海流部分重點(diǎn)介紹各類海洋學(xué)問(wèn)題對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程（組）及其數(shù)值求解方法，其中數(shù)值求解方法將涉及到對(duì)動(dòng)力學(xué)方程的差分近似和多種開邊界條件的定義與設(shè)置，而這又將涉及較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)推演過(guò)程，由此成為這一章的難點(diǎn)。

海水溫鹽主要是圍繞以下諸多方面展開，包括中國(guó)近海海洋季節(jié)的劃分，海水溫鹽密度預(yù)報(bào)方法，其中又包括經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)法、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法和數(shù)值預(yù)報(bào)法，此外還有海洋水團(tuán)的定義、強(qiáng)度、變性、形成過(guò)程及其判斷方法，海洋躍層與鋒面動(dòng)力結(jié)構(gòu)，最后是海水溫鹽度資料處理及溫鹽圖解法的應(yīng)用等等。由此可見(jiàn)，該章所要講授的內(nèi)容之多，如何講得詳略得當(dāng)，且讓學(xué)生融會(huì)貫通是這一章的教學(xué)難點(diǎn)。

海浪這章主要講授波浪理論及其統(tǒng)計(jì)特征，海浪生成與傳播機(jī)制，海浪分析與預(yù)報(bào)之圖解法。本章的難點(diǎn)之一在于講授波浪統(tǒng)計(jì)特征中海浪譜的概念，盡管其物理含義明確但非常抽象，對(duì)于本科生的認(rèn)知水平不易于理解。另一個(gè)難點(diǎn)在于海浪圖解法，其過(guò)程較為繁瑣，涉及到如何利用風(fēng)場(chǎng)信息反推波高，以及需要考慮波浪傳播過(guò)程當(dāng)中的淺水變形、折射與底摩擦作用，這些因素都將使波高的計(jì)算復(fù)雜化。

海冰這部分內(nèi)容雖不屬于原教材內(nèi)容，是額外增設(shè)的教學(xué)內(nèi)容，但由于兩極冰情與全球氣候變化、海平面上升，進(jìn)而與人類活動(dòng)息息相關(guān)。因此，海洋科學(xué)類專業(yè)的本科生對(duì)海冰科學(xué)有必要掌握以下基本內(nèi)容，包括全球海冰基本狀況，海冰的特征及其對(duì)環(huán)境的影響，海冰變化的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以及海冰預(yù)報(bào)與海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。本章講授的難點(diǎn)在于，由于當(dāng)下所使用的教材并沒(méi)有涵蓋海冰，因此對(duì)這部分內(nèi)容的講授需要在授課前作好充分的準(zhǔn)備工作，包括課件的設(shè)計(jì)與制作，講義的構(gòu)思與撰寫，而這依賴于授課教師在課前所作的大量相關(guān)文獻(xiàn)資料的收集、整理與總結(jié)工作。

綜上所述，《海洋要素》課程內(nèi)容較多，難度較大，其不單純是應(yīng)用方法的學(xué)習(xí)，其中還涉及各類基本理論知識(shí)的掌握。不僅如此，除上述特點(diǎn)之外，該課程自身還存在一些特殊性，由此可能導(dǎo)致一些教學(xué)困境，進(jìn)而加大了該課程的教學(xué)難度。

2、教學(xué)困境

結(jié)合以往教學(xué)實(shí)踐，《海洋要素》課程教學(xué)過(guò)程中概括起來(lái)主要會(huì)遇到以下兩個(gè)方面困境：

一方面，當(dāng)前凡是設(shè)有海洋科學(xué)類專業(yè)的高等院校在講授《海洋要素》這門課程時(shí)普遍使用的是由現(xiàn)就職于浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的左軍成教授于2006年編寫的《海洋水文環(huán)境要素的分析原理與預(yù)報(bào)》，其內(nèi)容涵蓋了上述除海冰外的全部課程內(nèi)容。全書內(nèi)容編排合理，便于授課教師備課，難度適中，利于本科生接受，因此一直沿用至今。然而，不像其他海洋科學(xué)類專業(yè)課程，比如《海洋科學(xué)導(dǎo)論》、《物理海洋學(xué)》、《海洋調(diào)查方法》等，都有相應(yīng)的正式出版的對(duì)口圖書，《海洋水文環(huán)境要素的分析原理與預(yù)報(bào)》一直未正式出版成書，往屆學(xué)生使用的都是教材的影印材料，加之內(nèi)容繁多，且沒(méi)有得到專業(yè)、合理的排版，導(dǎo)致教材十分厚重，不便于攜帶和翻閱。此外，書中還存在不少涉及到公式推導(dǎo)的物理變量符號(hào)錯(cuò)誤（常見(jiàn)于“第二章 潮汐分析與預(yù)報(bào)”），容易誤導(dǎo)師生教學(xué)。部分內(nèi)容也不夠完善，存在明顯的前后不連貫（常見(jiàn)于“第五章 海浪預(yù)報(bào)分析”），影響學(xué)生課后查閱和復(fù)習(xí)。此外，該教材自問(wèn)世以來(lái)至今已有近20年，期間并沒(méi)有進(jìn)行一次改版對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行修正、更新，課程中介紹的計(jì)算方法雖然經(jīng)典，但有些已被當(dāng)今更為先進(jìn)、前沿的科學(xué)方法所取代，加之市面上又無(wú)其他可供選擇的與《海洋要素》課程對(duì)口的正式出版物，進(jìn)而導(dǎo)致了該課程教學(xué)過(guò)程中在教材使用方面長(zhǎng)期處于“青黃不接”的尷尬局面。

另一方面，《海洋要素》課程屬于海洋科學(xué)類本科專業(yè)的高年級(jí)專業(yè)課程，以南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)專業(yè)為例，該專業(yè)培養(yǎng)方案將其開設(shè)在了大四第一學(xué)期，究其原因?yàn)椋骸逗Ｑ笠亍氛n程涉及到潮汐、海浪、海流、海水溫鹽等諸多海洋環(huán)境動(dòng)力要素的分析、計(jì)算與預(yù)報(bào)，實(shí)屬于應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域，理應(yīng)將其設(shè)置于該專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)（比如《海洋科學(xué)導(dǎo)論》課程）和理論知識(shí)（比如《物理海洋學(xué)》課程）學(xué)習(xí)之后。此外，該課程教學(xué)過(guò)程中還將涉及其他領(lǐng)域知識(shí)的儲(chǔ)備。比如，“潮汐分析和預(yù)報(bào)”一章調(diào)和常數(shù)的求解就要用到《數(shù)值分析》課程中最小二乘法擬合的相關(guān)知識(shí)。“海流數(shù)值計(jì)算和資料分析”一章中大量?jī)?nèi)容涉及到差分方程的推導(dǎo)與求解，而這正是需要《計(jì)算流體力學(xué)》課程在前期為本科生作非線性微分方程數(shù)值求解知識(shí)的儲(chǔ)備。另外，“海水溫鹽密分析方法”一章開設(shè)了“準(zhǔn)平穩(wěn)時(shí)間序列的建立與分析預(yù)報(bào)方法”的上機(jī)實(shí)習(xí)，這完全依賴于學(xué)生在低年級(jí)時(shí)通過(guò)《FORTRAN語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《計(jì)算機(jī)繪圖軟件應(yīng)用》等公共基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)所掌握的編程與計(jì)算機(jī)繪圖技能。然而，盡管將《海洋要素》課程開設(shè)在本科最后一個(gè)學(xué)年客觀上是合理的，但是同開設(shè)在畢業(yè)班的其他課程一樣，《海洋要素》課程的教學(xué)也將面臨畢業(yè)班學(xué)生聽課狀態(tài)懈怠的局面。他們中有些已經(jīng)找到了工作或正處于實(shí)習(xí)階段，有些又疲于考研前的沖刺，又有些存在大學(xué)時(shí)代即將結(jié)束傾于應(yīng)付了事的消極心態(tài)等等，再加上《海洋要素》課程本身內(nèi)容多，難度大，更加劇了畢業(yè)班學(xué)生的這種聽課懈怠狀態(tài)，進(jìn)而嚴(yán)重影響了該課程的教學(xué)活動(dòng)。

上述兩個(gè)困境倘若得不到合理有效地解決，將直接影響《海洋要素》課程的教學(xué)質(zhì)量與授課效果，最終達(dá)不到該課程的教學(xué)目的。

二、《海洋要素》課程的教學(xué)建議

1、打破“無(wú)教材”的尷尬局面

面對(duì)此困境，首先希望各相關(guān)院校能夠通過(guò)采取積極有效的措施，大力推動(dòng)《海洋要素》課程對(duì)口教材的正式出版，比如，可考慮設(shè)立專門的教材建設(shè)基金，鼓勵(lì)在該課程有著豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的老教師以及掌握該課程相關(guān)前沿科學(xué)與先進(jìn)技術(shù)的青年教師共同參與教材的編寫，完成教材編寫后為其正式出版開辟綠色通道，促成《海洋要素》課程對(duì)口教材的問(wèn)世，最終走進(jìn)相關(guān)院校的課堂。但在這之前，授課教師應(yīng)該不拘于現(xiàn)有書本，并將視野始終置于該課程相關(guān)研究動(dòng)態(tài)的最前沿，憑此積極努力更新擴(kuò)充現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，有選擇地引進(jìn)國(guó)外相關(guān)教材的先進(jìn)內(nèi)容也不失為一種有效的補(bǔ)救措施。否則，故步自封最終可能導(dǎo)致畢業(yè)生在尋求相關(guān)行業(yè)工作時(shí)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步可能還會(huì)影響院校自身的聲譽(yù)。

2、多手段調(diào)動(dòng)畢業(yè)班學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

首先，將該課程中涉及到大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)的教學(xué)內(nèi)容從重公式推演轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)重介紹方程組建立的物理背景，方程組各項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的物理特征，以及最終反映出的物理現(xiàn)象的科學(xué)解釋等，這將有利于學(xué)生通過(guò)構(gòu)建有趣的物理圖像，加深理解和接受這部分教學(xué)內(nèi)容，從枯燥乏味的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中掙脫出來(lái)，更直接地認(rèn)清隱藏在推導(dǎo)背后公式所包含的物理現(xiàn)象。此外，在進(jìn)行必要的公式推導(dǎo)時(shí)，還要積極創(chuàng)造與之相關(guān)的物理問(wèn)題，采用設(shè)問(wèn)式教學(xué)，提高學(xué)生聽課的專注度和積極性。

其次，如《海洋要素》這樣的重應(yīng)用科學(xué)的專業(yè)課程，僅靠聽是無(wú)法完成教學(xué)目標(biāo)的。因此，在課堂上要積極主動(dòng)地設(shè)置出題環(huán)節(jié)，讓學(xué)生走上講臺(tái)，在黑板上展示解題過(guò)程，教師隨后點(diǎn)評(píng)引申，借此可增加學(xué)生的主動(dòng)參與度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的聽課積極性。此外，對(duì)于重應(yīng)用課程的教學(xué)，作業(yè)是必不可少的。課堂上的授課內(nèi)容十分有限，而實(shí)際問(wèn)題更為復(fù)雜。通過(guò)完成作業(yè)，學(xué)生將更加深入地理解課上所學(xué)，且所學(xué)知識(shí)又得到了進(jìn)一步的應(yīng)用，進(jìn)而加深了印象不易于遺忘。

另外，將授課內(nèi)容盡可能與當(dāng)前研究熱點(diǎn)相結(jié)合，利用多媒體課件盡可能多地以圖片或者視頻的形式展示與該課程相關(guān)的前沿科研成果。這些生動(dòng)的物理圖像往往能夠吸引學(xué)生眼球，激發(fā)其好奇心，進(jìn)而引起他們對(duì)于該課程學(xué)習(xí)的興趣。比如，我們?cè)谥v授海冰這部分內(nèi)容時(shí)，引入了大量的兩極實(shí)地考察圖片和一些栩栩如生的數(shù)值模式結(jié)果視頻，學(xué)生的課堂活躍度明顯提高，起到了良好的教學(xué)效果。

事實(shí)上，每一次《海洋要素》課程的教學(xué)對(duì)于學(xué)生與老師來(lái)說(shuō)都是一次挑戰(zhàn)。授課教師積極的備課、授課態(tài)度對(duì)于該課程的教學(xué)效果至關(guān)重要。在我們的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，教師的積極態(tài)度能夠使大部分學(xué)生克服在該課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的困難，最終學(xué)有所成。此外，盡可能地采用小班化教學(xué)模式，增強(qiáng)課堂討論;走出課堂，走進(jìn)相關(guān)科研單位參觀實(shí)踐，加深課堂所學(xué);采用更加靈活地考核方式，比如一些開放式習(xí)題的設(shè)置，以激發(fā)學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的創(chuàng)新思維等都是一些切實(shí)可行地能充分調(diào)動(dòng)畢業(yè)班學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)積極性的有效措施。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，要想上好《海洋要素》這門課程，需要授課教師能夠正確把握該課程的特點(diǎn)，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)教學(xué)技巧，充分認(rèn)識(shí)該課程的教學(xué)困境。通過(guò)完善該課程教材，多途徑調(diào)動(dòng)畢業(yè)班學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，方能沖破教學(xué)困境，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量與授課效果，達(dá)到該課程的教學(xué)目的。

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【作者簡(jiǎn)介】

程 晨（1985—）男，漢族，江蘇南京人，博士，南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院講師，主要從事物理海洋學(xué)研究.