相近專業交互融合式教學理念構建與實踐

【摘要】本文介紹了構建相近專業相近課程的交互融合式教學理念，以大氣動力學與海洋動力學課程體系為例，進行兩類課程相互結合的教學探索，以及為此開展的教學方法和綜合實踐的改革嘗試，初步教學效果令人滿意。教學計劃針對主體專業增設相關專業選修課，能夠較容易地拓展和深化學生的專業知識。課程教學中增加與主體專業概念近似的相關專業內容的附帶介紹，對提高學生歸納與分類的能力有益，對主體專業核心概念的理解與記憶也有促進。在綜合實踐過程中設計結合相近專業內容的綜合實踐項目，有利于培養適應性強的專業人才。

【關鍵詞】大氣動力學，海洋動力學，專業結合教學理念，綜合教學法

1 引言

大氣與海洋以覆蓋地球表面的水圈與氣圈的形式存在，它們相互疊置與連接，它們的運動既有各自的特點，也有相似相近的特征，還有相互的影響與相互的響應。所以描述大氣與海洋動力性質的大氣動力學和海洋動力學是系統性學習海洋與大氣動力機理的基礎理論，是認識大氣與海洋在地球旋轉效應下運動規律的重要學術背景，也是研究海氣相互作用必備的專業知識。將大氣動力學與海洋動力學結合起來學習，對全面和深入掌握大氣與海洋的動力原理有積極促進作用。

對于學習大氣動力學和海洋動力學的兩類教學體系，其相關的核心課程在大氣動力學方面有[1]動力氣象學、天氣學原理、流體力學、數值天氣預報、中小尺度天氣動力學、熱帶天氣動力學等，在海洋動力學方面有[2]物理海洋學、海洋氣象學、海洋數值模擬、海洋要素計算與預報、海洋調查方法等。這兩類課程從不同的角度闡述大氣與海洋的動力活動特征和時空演變規律。以常規教學慣例，兩類課程對于兩個專業是分別授課，各成自我體系，區別較顯著，界限也分明的。但實際上，在教學內容上兩類課程是有許多相似理念與相通概念的。綜合兩類課程的教學，不僅對培養從事海氣相互作用研究的學生是必要的，對大氣科學與海洋動力學高質量人才培養也是非常有利的。我們不可能局限學生未來的工作領域，我們需要培養適應性強的，滿足行業拓展需求的人才，因此立足地球流體動力學，將大氣動力學與海洋動力學相結合的教學體系應該是學科發展的內容之一。

隨著大氣科學和海洋科學的發展，人們對大氣和海洋的認識不斷深化，研究大氣和海洋作為一個綜合系統的性質及其產生的效應，需求量迅速增加。大氣作為海洋的動力與熱力的驅動機制，海洋作為大氣的熱力與動力反饋的下墊面，共同依托地球地形強迫與太陽的輻射加熱，對人類生存環境、地球氣候演變、天氣災害活動、海洋狀態變化、以及資源強弱和蘊藏能力，均產生重大影響。因此綜合大氣動力學與海洋動力學的學習與研究成為大氣與海洋交叉學科發展的趨勢，也成為環境與能源、經濟與交流等相關領域的迫切要求，在這樣的形勢下，大氣動力學與海洋動力學的高等教學應該在教學形式上和教學理念上進行新型結合與嘗試。這是科學發展歷程中的必然，是實踐活動中的產物。

本文根據一段時期所進行的大氣科學與海洋科學動力學類課程體系相互拓展的構建經驗，以及在高等教學方式中的改革嘗試和獲得的效果，對大氣動力學與海洋動力學相結合的專業教學進行介紹與小結，以期對提高教學質量，探索新的教學方式提供建議與參考。

2 教學體系構建中的考慮

2.1 教學計劃中的交叉專業內容體現

對于大氣科學專業的教學，在南京信息工程大學大氣科學學院的教學計劃中，自2005級的教學計劃就開始增加了一門選修課《 物理海洋學基礎 》，課程大綱指出[3]課程的主要性質與任務為：“本課程旨在使學生系統地了解物理海洋的基本理論，了解目前的研究水平和今后發展的方向。通過本課程的學習要求學生熟悉海洋的動力現象（海流、海浪、潮波、內波和風暴潮）的基本概念和運動變化的基本規律，理解對海洋動力現象進行研究和分析的基本思路和方法。”在教學內容的安排中，基于選修課的宗旨，注重基本概念的介紹，基本性質的了解，基本理論的認識，給出的大綱為：第一章：物理海洋背景知識，第二章：海水運動基本方程，第三章：海流，第四章：海浪，第五章：潮波，第六章：內波，第七章：風暴潮。其中海流、潮波和風暴潮介紹了主要的海洋動力理論。海流介紹了梯度流，傾斜流，Ekman飄流，底流，非均勻風場的風生流，升降流，漂流的發展，慣性流，西向強化流，溫度擾動引起的熱鹽環流、風生熱鹽環流，中國海海流特征以及海洋鋒等。波浪介紹了線性波動理論，波動的折射和繞射，線性波動的合成，有限振幅波動，以及海浪譜等。潮波一章介紹了潮波理論，陸架自由波，潮波系統，河口潮波，淺水潮波，孤立波等。風暴潮重點介紹了狹長矩形淺水海域中的定常與非定常風暴潮，大洋風暴潮的生成和傳播等。

該課程教學對大氣科學人才培養的促進性是顯著的。曾有兩種教學時間的安排，一種為安排在本科四年級上學期講授，另一種為安排在本科三年級上學期講授。對兩種安排的教學效果進行對比：首先當該課程教學在四年級上學期時，這個時間是在學生考研之前，學生已熟悉了大氣動力學的基本知識與理論，該課程內容不僅豐富了學生對海洋動力系統的認識，更強化了學生對動力學理論和思路的掌握。課后學生前來與教師探討的問題，不僅有課程相關內容，還有大氣動力學問題，以及大氣動力學方程的推導與應用。動力氣象學與物理海洋學從不同的角度對地球流體的描述，已給學生明確的印象，他們開始綜合考慮大氣與海洋動力學的相似相近，這是我們教學所希望的效果。此外，考研的學生感覺到了對知識的鞏固，而有些學生希望投考海洋預報方向，更是專門選修此課程。存在的問題是由于四年級上學期學生的選修學分多數已選夠，加之考研壓力大，本課程并非大氣科學考研科目，因此選課學生較少。對于課程安排在本科三年級上學期的情況，首先是選課學生較多，但該課程在動力氣象學課程之前，學生還未了解大氣動力學理論。針對這種情況，我們發揮選修課的特色，強調認識與認知，重點在動力學思路的建立，目的為學生后續大氣動力學的學習奠定好有利基礎，掌握大氣與海洋科學兩類應用地球流體力學的相似性與差異。由于是選修課，學生學習壓力較輕，重視課堂學習時間，態度認真。在2014年第一學期教務處網上評教系統學生評教反饋中，對 “開拓學生思維，指導學習方法”以及 “學生學習收獲很大，印象深刻”兩項評分高達98.91和99.09（100分為滿分/選課學生110人）。

2.2 教學計劃中的交叉專業課程安排

對于海洋科學的動力學教學，注重培養方向定在海氣相互作用以及海洋氣象方面，因此安排了氣象相關課程加入專業核心課程：如天氣學原理，大氣動力學，海洋氣象學，以及選修課程中國天氣，大氣物理學等。圖1為海洋科學教學計劃課程關聯圖。

圖1南京信息工程大學海洋科學教學計劃課程關聯

海洋科學課程關聯圖的設計是依據學生專業人才培養方案進行的，學生的培養目標為[4]：培養具有良好的科學素養、系統掌握海洋科學、特別是物理海洋學、海洋氣象學、海洋要素監測與預報、海氣相互作用等基本理論、基本知識和應用技能的人才。培養在海洋科學、海洋氣象、氣候變化、軍事海洋、海洋環境監測、環境保護和資源開發等領域從事科研、教學、科技開發及相關管理工作的專業人才。畢業生具有基礎扎實，勤于實踐、敏于思考、適應性強的科學專業品質。

由于培養目標明確，學生對自身的專業能力與定位清楚，在就業方面充分利用專業適應性，對相關行業積極主動求職，面試時強調所學之長，受到用人單位的認可。目前畢業生就業的行業有：氣象局、海洋局、空管局、低空飛行公司、大氣與海洋能源公司等；依托數理基礎強，大氣與海洋相結合的背景特色，學生考研單位有高校海洋類與氣象類專業、海洋類科研院所、氣象類科研院所等。由畢業生反饋顯示，多數喜歡所學專業，樂意目前從事的與本專業相關工作。而相關科研院所也經常表達對生源所具備的學科特色的肯定與歡迎。

3 實際授課中綜合教學方法的嘗試

大氣與海洋動力學的綜合教學，是依據教學心智規律，對教學內容進行多次重復，對記憶反復刺激，協助學生加快對概念的熟悉與掌握。但這種重復與英語教學中單詞在前后課文中的重復出現不完全相同的是，相關課程多次從不同角度對專業概念與理論進行描述與講解，使學生通過拓展與比較，能夠較全面地，多方位地認識和理解所學知識的核心。當然，此種教學方法對教師能夠具備大氣科學與海洋動力學兩方面背景有一定期望。

3.1 基本概念與理論的介紹

在基本概念和理論的介紹方面，首先明確主體課程的基本要求，在學生了解基本定義的情況下，適時提及相關學科相似概念及其關系。恰當地加深學生對概念的理解。

例如地轉流概念的教學，大氣與海洋都是受地球旋轉效應影響的行星尺度流體，因此兩者都有地轉流（風）概念。定義分別為對海水[5]：“地轉流為大尺度海水在壓強梯度力和 Coriolis 力平衡下的流動。這種流動基本上是近水平的，可近似認為是定常的，流速大小與梯度大小成正比。對于密度非均勻的地轉流，稱為梯度流，對于密度均勻假定下的地轉流稱為傾斜流。梯度流沿等壓線流動，在北半球高壓在右，低壓在左；傾斜流沿等水位線流動，在北半球高水位在右低水位在左.”，對于大氣[6]：“地轉風為在中高緯度自由大氣中水平氣壓梯度力與與水平地轉偏向力平衡下的大尺度氣流，風速與氣壓梯度成正比，風向與等壓線平行，在北半球背風而立，高壓在右低壓在左。在不考慮摩擦力時，氣壓梯度力、地轉偏向力、慣性離心力三力平衡時的風稱為梯度風。”

它們的表達式分別如表1所示：

從表1可以注意到地轉流與地轉風的類似，歸類定義的學習，對于學生有了一次對比認知，多了一次復習機會，幫助了對概念的記憶與正確理解。

再例如動力系統的特征對比，鋒面是重要的天氣系統，強烈的天氣現象往往伴隨鋒面而來。海洋中也有鋒面系統，但更重要的是躍層。鋒面和躍層的存在都是基于不同性質氣團的交界面和不同性質的水團交界面，在水平方向上稱為鋒面，當水團垂直疊置時交界面為躍層。在鋒面處和躍層位置，要素的梯度大，但是由于海水密度大于空氣，因此大氣鋒面帶來強風可大于10m/s，而海洋鋒面處的流動在10-50cm/s左右已是強流動了。由于極地冷，低緯度熱，因此海洋行星尺度鋒面是大致沿緯圈繞極維持的，而大氣鋒面形態往往是與高層槽線配合，經向度更大，過程性顯著，有冷暖鋒，靜止鋒，錮囚鋒等，主要依據氣溫特征和鋒面移動特點進行分類。海洋中的中小尺度鋒面則受地形、系統、以及不同要素特征控制更多，鋒面種類較豐富，時空非規律性變化較顯著。

通過在教學中的對相似動力系統有主次地介紹與提及，學生學習了新概念，也復習或了解了相關動力系統，輕松地記住了大氣與海洋動力系統的差異和共性，有利于學生開拓性學習和提升學習興趣。

3.2 適應行業需求的綜合實習

學生的專業綜合實習為6周，主要是對四年所學各核心課程進行梳理，認識基本理論的實際應用，特別是在解決問題中對原理與方法進行綜合運用。由于沿海氣象局均有海洋氣象臺，而國家海洋局系統和沿海省市海洋局均在構建海洋預報體系，因此無論從氣象角度還是海洋方面，對海洋與大氣動力理論結合的實習，都是綜合實習的重要組成部分。在大氣科學教學實習中心，安排了沿海風和霧的預報實習，在海洋綜合實習內容中，安排了臺風風暴潮過程要素診斷，這些實習項目對學生理解海洋與大氣運動過程的相互影響相互響應提供了感性認識，而具體的統計方法、診斷技術、以及數值產品質量控制等實習過程，加深了學生對數理方法普適性的認識，對海洋與大氣動力性質相似相異的深刻印象。培養了學生的領悟性，動手能力，多學科的適應性，和對理論與實際結合的初步了解。在實習中并不要求學生對大氣與海洋都深入了解，而是形成對海洋動力學和大氣動力學基本理論的不同層次上的理解與掌握的互補，實踐證明，這對人才能力的培養有助。

3.3 開放式綜合思路的構建

現代高等教育面臨著新興技術的迅速生長，舊的生產方式逐漸隱退的社會局面，經典理論在深化，新型論點在形成，因此對學生的培養需要向開放式綜合性方面發展，需要嘗試構建新的培養模式。就從氣象預報和海洋預報的流程來看，過去的報務員已被網絡信息傳遞所代替，過去的填圖員已被自動繪圖設備所取代，而數值模擬預報、資料質量控制成為興盛職業。隨著國家經濟的發展，中國已跨過了960萬平方公里土地國土的局限，積極地開發海洋疆域，積極地進行海上交流已成為國家日常重要經濟活動。因此大氣與海洋的綜合預報，綜合監測，綜合使用需求量迅速增長。對于人才培養的大氣海洋類專業，立足大氣動力學，熟悉海洋動力學，或立足海洋動力學，熟悉大氣動力學已成為型新人才的新素質標準。可是本科四年的培養時間不可能拉長，專業特色不應該模糊，因此在教學計劃中增加相關選修課，在教學方法上進行某種革新，對培養學生構建開放式思路，學會歸納分類的科學思考習慣都營造了良好的啟發環境。以本專業概念為主，配合相關專業知識的補充講解，通過歸納與分類協助對知識的深入理解，這樣不僅傳授了知識，也指導了學習方法和分析技能。所以我們的教學嘗試------構建大氣動力學與海洋動力學相結合的教學理念，以及進行教學內容的綜合實踐，是有意義的，也為學生今后在工作崗位更快地適應新知識，新技術奠定了必備基礎。目前效果良好，受到學生的歡迎和行業單位的認可。對教師的能力的提升也有促進作用。

4 小結與討論

本文介紹了構建大氣動力學與海洋動力學相結合的教學理念，以及為此進行的教學方法和綜合實踐的改革嘗試，初步教學效果令人滿意。

（1）教學計劃針對主體專業增設相關專業選修課，可事半功倍地拓展學生的專業知識。

（2）課程教學中增加與主體專業概念近似的相關專業內容的附帶介紹，既培養了學生歸納與分類的能力，也幫助了學生對主體核心概念的理解與記憶。

（3）在綜合實踐過程中設計結合相近專業的綜合實踐項目，有利于培養適應性強的專業人才。

（4）對教師能力的系統性提升也有促進作用。

參考文獻：

[1]南京信息工程大學大氣科學學院大氣科學專業教學計劃2011版

[2]南京信息工程大學海洋科學學院海洋氣象與物理海洋專業教學計劃2011版

[3]南京信息工程大學大氣科學學院大氣科學專業教學大綱2011版

[4]南京信息工程大學大氣科學學院海洋科學專業人才培養方案2011版

[5]物理海洋學，葉安樂等編著，青島海洋大學出版社，1992年。

[6]天氣學原理和方法（第四版），氣象出版社，朱乾根，林錦瑞、壽紹文、唐東昇編著，2007年6月

基金項目：資助項目：南京信息工程大學教改課題（10TD002）；南信大教材基金（N1885012195），南信大教材基金（N1885012194），南信大實驗室開放項目（N1081005174），南信大教材基金（N10JCLX013），共同資助.