跨專業研究生計算海洋聲學課程理論教學方法思考

馬樹青 包長春 王一博 吳艷群

摘要：根據《計算海洋聲學》課程理論教學特點，結合近年來在教學過程中的一些思考，在課程建設、教學目標、理論講授方法等方面進行了總結，為該課程的建設、提高教學質量等方面提供了部分思路，文中方法也可對理論相關的課程教學提供參考。

關鍵詞：計算海洋聲學;理論教學;講授方法

中圖分類號：G642.4 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）42-0167-02

一、概述

國防科技大學水聲工程碩士點成立于2003年，2004年開始招收碩士研究生。這是湖南省也是國防科大涉及海洋技術具有碩士學位授予權的唯一專業。多年來逐步建成《水聲學原理》、《聲納信號處理》、《計算海洋聲學》及《專門水聲實驗》四門課程，構成水聲工程學科的較完整的學科專業課程體系。其中，《計算海洋聲學》課程于2011年開始論證建設，并于2013年春季學期開始授課，面向對象為研究生一年級以及博士生一年級學生，至今已開設課程四次。

2015年1月國防科學技術大學成立海洋科學與工程研究院，并將水聲工程學科納入研究院下，這兩年來，選課學生人數逐步增加，同時學生的專業包含了水聲工程、計算機科學與技術、電子科學與技術、光學工程、軟件工程等多個專業的碩士與博士研究生。學生們本科學習基礎不同，數理功底差異明顯，因此在課程講述過程中，需要考慮學生對不同基礎知識點的覆蓋面，并不斷優化教學課件與講授方式，才能有效提高教學質量。

二、課程介紹

《計算海洋聲學》課程授課目的是深入探索海洋中聲傳播規律所形成的物理機理，通過建立海洋聲場理論模型，通過理論推導及數值計算的方式研究海洋聲場的物理現象與規律，具有較深的數學性、物理性，并著重培養學生的數值計算能力。同時也承擔著高素質創新型水聲工程領域人才培養的任務。課程要求學生能深刻理解水聲物理規律，具備深厚的水聲數理計算素養，能夠靈活運用水聲計算方法，因而對理論教學方法提出了更新更高的要求。

計算海洋聲學從聲學理論基礎中的波動方程出發，推導出頻域內亥姆霍茲方程，該方程屬于數學物理方程中泊松方程的一種特殊類型。通過不同的數學與數值求解方法，可以得到海洋中聲波傳播的數值模擬仿真。通過近年來的教學總結，發現學生需要綜合利用本科時期所學習的多門數理知識，同時，非相關專業的研究生需要補充相當一部分額外的知識體系，這些基礎知識體系為較好地掌握該門課程提出了很高的要求，也為教學帶來了挑戰。

三、理論教學方法思考

1.明確理論教學目標。任何一門理論課的學習目標包括整體學習目標與各章的分支學習目標。整體學習目標是對課程的整體內容而言的，各分支學習目標是從屬和服務于整體學習目標的。在學習過程中，只有讓學生首先明確學習目標，解決為什么學的問題，才能使學生抓住學習的主動權，積極主動地投入學習，避免或減少學習的盲目性，從而獲得理想的學習效果。（1）整體學習目標。教科書的前言中講到：“本書試圖介紹用于求解非均勻液態—固態介質中波動方程的現代數值技術。重點在于闡述對于實際海洋環境能直接得出數值實現方法的理論基礎。”該段文字在教科書前言中第四段的中部，點明了該課程的主要內容及目的，在近兩年的教學過程中，在第一節課中，通過擴充該段內容，并進行詳細解釋，使學生進一步了解課程的整體學習目標，為后續的教學提供了一個主線。（2）分支學習目標。課程中每個章節均具備明確的分支學習目標。具體來說，或通過某種方法得到海洋中聲傳播的規律，或通過規律研究海洋中的某種特殊現象。在每章學習中，首先給出該章內容的總體目錄，之后通過備課時的分析，給出該章內容的章節結構圖，引導學生初步了解該章的各個小節的分支學習目標，進而掌握章節學習目標，為學習提供一條流水線。章節結構圖在每次課程的開始、結束前及下次課程開始的復習中出現，通過三次分析，使學生形成明確的學習思路，加深學生印象。如圖1給出課程第二章中的章節結構圖。當然，在備課中也發現，很多小的知識點并非是串行分布，存在多類并行現象，這就需要在規劃章節結構圖時，一方面復雜化圖形結構，另一方面，通過兼顧主線，有所取舍，盡量使結構圖簡明扼要，便于學生掌握。

2.多樣化理論講授方法。理論教學尤其是公式推導，對學生而言是一個十分枯燥并且難以理解的過程，應盡量減少公式的數學推導過程。但對于計算海洋聲學這門課程，理論性較強，因此有些重點的理論講解必不可少。為了提高理論教學質量，筆者在近年來的教學中有以下三點體會。（1）教學重點體系化理論講授。針對章節中重點的理論知識，無法弱化過多的理論講授過程。此時，盡量采用體系化思路對公式進行講解。類似于章節結構圖，首先給出理論推導的全過程結構的文字流程圖，使學生了解大體思路，之后按照順序逐一講解。當講解完成后，給出理論推導過程的公式流程圖，進一步加深學生學習印象。這樣以結構圖為主線，進行體系化理論講授，一方面使學生了解理論推導的目標，另一方面不會陷入到理論中，從而影響總體理解。如教學中第五章簡正波法的主要推導過程，首先給出簡正波法的整體推導文字流程思路，然后分部講解該方法的理論推導過程，講解完成后，再次給出文字流程圖，并給出公式流程圖，通過文字流程與公式流程，使學生建立起該方法的分析體系，從而可以深入思考體系中各部分難點。（2）教學非重點物理概念講授。理論教學中針對非重點的理論推導，盡量采取以物理概念為主體的講授方法。首先弱化理論推導過程，只針對思路與難點進行講解，另一方面以物理概念為主，配合圖形講述理論公式給出的具體含義。通過讓學生了解公式的目的、物理含義及結果顯示，可以極大減輕學生的學習壓力，并且物理概念、圖形等信息直觀且容易理解和記憶，學生通過學習可以獲得直觀的印象。如果學生將來有需要，可以通過再次學習掌握相關內容。（3）結合編程的實踐化理論講授。本課程雖然以理論教學為主，但培養學生的實踐能力也是課程的重要任務之一。由于條件所限，目前課程以編程仿真作為主要的實踐內容。一方面使抽象的公式轉變為形象化的圖形顯示，另一方面，使學生通過課程掌握部分編程實現方法，為后續的研究生畢業課題打下基礎。在授課過程中，在每章節的講述過程中均加入了程序仿真的內容，在課堂中進行講解與仿真運行，并對仿真結果進行詳細解釋，通過學生反饋來看，這樣的授課效果取得學生的一致認可;在授課完成后，預留仿真問題，讓學生親自動手進行仿真，通過這種方法回顧課程學習內容，并近一步掌握理論知識。

四、總結

針對跨專業研究生而言，《計算海洋聲學》課程存在理論艱深、基礎門檻高等特點，在教學中應有所側重，提高學生學習興趣，提升學習質量。本文根據近年來教學過程中的一些思考，在教學目標、講授方法等方面進行了總結，為該課程的建設提供了部分思路，也可對理論教學相關的課程提供參考。由于筆者教學經驗尚淺，課程建設時間有限，在教學教具、課程實驗等方面還存在大量欠缺，需要在后續的教學過程中近一步進行研究與實踐。

參考文獻：

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Thought on Theory Teaching Method of Computational Ocean Acoustic Course for Cross-specialty Graduate Students

MA Shu-qing，BAO Chang-chun，WANG Yi-bo，WU Yan-qun

（Academy of ocean science and engineering，National University of Defense Technology，Changsha，Hunan 410073，China）

Abstract：According to the characteristics of theory teaching on Computational Ocean Acoustics course，combined with some thoughts in the process of teaching，this article summarized curriculum development，teaching objectives and the theoretical teaching methods. It can provide some information to the construction of course and improving the quality of teaching，and can provide some references to theory dependent courses.

Key words：Computational Ocean Acoustics;Theory Teaching;Teaching Methods