淺談海洋要素計算及預報課程的實驗教學

摘 要：本文首先介紹了海洋要素計算及預報實驗課程設置的目的和意義，進而針對實驗教學內容，提出了自主實驗的創新教學方法，以此調動學生學習的積極性和主動性，加深對理論知識的理解和認知，從而提高整個課程的教學質量。

關鍵詞：海洋要素；計算及預報；實驗課程

海洋要素計算及預報是海洋科學和海洋技術專業重要的理論應用課程。開設該課程的目的是幫助學生熟悉潮汐潮流、波浪和海流的基本特征及計算原理，掌握潮汐和海流的預報分析及數值計算方法。此外，通過本門課程的學習，學生還可以掌握海水溫度和鹽度等水文資料的處理及質量分析方法。

實驗教學內容的設置要注重理論和實踐相結合。首先，實驗課程和理論課程是統一的整體而不是分裂的兩門課，實驗課程也不是理論課程簡單的重復，而是深化和拓展，這種深化和拓展不局限于知識體系，還包括研究手段。海洋動力模型是研究海洋動力要素的重要手段，是對海洋理論和觀測結果的驗證及進一步的推廣。本實驗課程的目的就是幫助學生熟悉和掌握國際通用的海洋動力模型，用于實際海域風生海流和潮汐潮流的數值模擬，并對模擬結果進行處理分析，培養學生以動力模型為手段設計數值實驗、解決實際問題的能力。上述實驗目的的達成還需要學生事先掌握運用Fortran和Matlab編程語言的技能，以及對數值計算方法或流體力學計算方法有系統的學習，并且能夠熟練運用物理海洋學知識對計算結果進行分析。

一、實驗原理和實驗內容

風生海洋環流和潮汐潮流都是物理海洋學中重要的概念，分別揭示了在海面風場作用下海水大規模的穩定運動以及在天體引潮力作用下海水有規律的運動。風生海流和潮流理論對于解釋海洋環境中的生物遷移、污染物分布等都具有指導作用。本實驗項目就是以海洋動力模型為研究手段，探討實際海域的風生海洋環流和潮汐潮流的典型特征，并將理論和觀測結果進行對比分析，培養學生分析問題和解決問題的能力。

本實驗課程是對海洋要素計算及預報課程理論知識的拓展，通過理論知識的學習，學生已經對海洋動力要素有了一定的感性認識。實驗課程的內容就是針對實際海域給出風生海洋環流和潮汐潮流的定量描述。這不僅可以進一步加深學生對理論知識的理解，還可以幫助學生熟悉和掌握動力模型這種研究海洋的重要手段。

從這個意義上講，實驗課程的設置是很重要的，而且也是必要的。具體實驗內容如下：

（1）幫助學生盡快掌握模型，包括熟悉模型的計算流程，海域開邊界問題的處理以及輸入輸出文件的讀取、保存等；

（2）給定風場和潮汐邊界調和常數，讓學生針對實際海域進行風海流和潮汐潮流的數值模擬，并對計算結果進行處理分析；

（3）確定若干實驗題目（包括必做題和選做題），讓學生自主設計相關數值實驗，包括模型參數的修改、站點斷面的選取等，完成題目所規定的研究內容。

二、創新實驗教學方法

目前實驗工具為國際上最為通用的普林斯頓海洋動力模型，該模型可直接用于海洋預報等業務化工作，并成為許多水質公司開發的商業軟件的內核程序。本實驗課程通過計算機完成，所采用的軟件平臺包含Fortran（模型計算用）和Matlab（數據處理和可視化用）。實驗教學采用理論授課、動手操作和自主實驗相結合的方法。

理論授課就是請從事海洋動力模型開發和應用的教師，給學生介紹海洋模型的結構流程等基本特征和應用技巧，使學生盡快熟悉模型系統的構架和計算流程。

動手實驗是在教師指導下，讓學生進行模型程序調試和運行，掌握模型主要參數的含義，開邊界條件的處理和輸入輸出文件的讀取保存。

自主數值實驗是本實驗課程的亮點和創新點所在，教師事先確定一些大的實驗題目，內容涉及海洋要素計算及預報理論課的重要知識點，學生根據自己對理論課程的掌握情況自主選擇相應的題目進行實驗。所制定的題目包含必做題目和選做題目。必做題目相對簡單，按照老師課堂介紹的操作步驟按部就班地執行即可完成；選做題只給題目，具體實驗方案需要學生自主設計，在實驗過程遇到困難老師可給予必要的指導，目的是最大限度調動學生的創造性和學習主動性。自主實驗與傳統實驗相比具有綜合性強的優點，無論是從教學的方法上，還是實驗內容設計上，都有一定的創新性，而且能夠最大限度地培養學生學習的主動性和分析問題、解決問題的能力。

實驗教學內容的多樣性還能夠適應不同層次學生的學習情況，既保證了大多數學生的學習進度，也有利于拔尖學生在業務水平上的提高。

本文主要介紹了海洋要素計算及預報課程的實驗教學內容和教學方法。在掌握理論知識和實驗手段的基礎上進行自主實驗是本實驗課程的核心亮點，這樣可以充分調動學生的學習積極性，培養獨立思考問題和解決問題的能力，對于學生今后走上工作崗位是有幫助的。

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作者簡介：劉浩（1972- ），男，博士，副教授，主要從事物理海洋學方面的教學和科研工作。