《地球物理流體力學(xué)》課程的授課設(shè)想

程軍

【摘 要】 針對《地球物理流體力學(xué)》課程教學(xué)中存在的問題與教學(xué)改革實踐，提高該課程教學(xué)實效性的措施主要是：完善教材體系；增加課堂討論和實踐課程；改進考核方式等。

【關(guān)鍵詞】 地球物理流體力學(xué)；教學(xué)實踐；教學(xué)方法；改革設(shè)想

《地球物理流體力學(xué)》是大氣、海洋科學(xué)專業(yè)研究生的主干學(xué)位課程，通過對過去1個世紀(jì)中相關(guān)理論的構(gòu)建、推演及解讀，旨在使相關(guān)專業(yè)研究生掌握旋轉(zhuǎn)地球上大尺度大氣、海洋運動的基本性質(zhì)及主導(dǎo)控制規(guī)律，為理解及進一步研究大氣、海洋中的大尺度物理過程及現(xiàn)象奠定理論基礎(chǔ)。

對比研究大氣、海洋大尺度運動共有特性及規(guī)律的專著在20世紀(jì)中期開始出現(xiàn)，如Roll在1965年出版的《海洋、大氣物理學(xué)》。1979年著名海洋學(xué)家Joseph Pedlosky出版了《地球物理流體力學(xué)》一書，正式建立這一新興交叉學(xué)科。《地球物理流體力學(xué)》作為一個專門學(xué)科，主要關(guān)注大尺度大氣和海洋動力學(xué)過程的共性部分，是數(shù)學(xué)、物理學(xué)、大氣科學(xué)及海洋科學(xué)的交叉，內(nèi)容系統(tǒng)、完整。該學(xué)科由大尺度大氣、海洋運動的基本過程和現(xiàn)象出發(fā)，建立抽象的物理模型，基于基本物理定律建立控制方程組，借助數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到表征大尺度大氣、海洋運動基本規(guī)律的理論公式，進一步由理論公式對大尺度大氣、海洋運動的基本特征及規(guī)律進行推演，以達到深入認識大尺度大氣、海洋運動基本特征及主導(dǎo)機制的目的。《地球物理流體力學(xué)》所關(guān)注的問題依然處于蓬勃發(fā)展的過程中，新的理論漸次被推出和驗證。

一、教學(xué)效果問題及解決措施

1980年我國著名氣象學(xué)家朱抱真先生的研究生王斌及翁衡毅將Joseph Pedlosky的《地球物理流體力學(xué)》翻譯成中文并出版。該書中文版的出版啟發(fā)了我國相關(guān)專業(yè)研究生教學(xué)中《地球物理流體力學(xué)》課程的開設(shè)，并一直作為該課程的主要參考書，近40年來為我國相關(guān)專業(yè)研究生的專業(yè)學(xué)習(xí)打下了基本的動力學(xué)基礎(chǔ)，促進了相關(guān)學(xué)科研究的發(fā)展及與世界的同步。

近期，我們引入了美國威斯康辛大學(xué)劉征宇教授所編排的《地球物理流體力學(xué)》教材并應(yīng)用于教學(xué)。該版本的《地球物理流體力學(xué)》更注重動力學(xué)分析的層次、數(shù)學(xué)推導(dǎo)的簡潔以及理論在大氣和海洋運動現(xiàn)象解釋中的應(yīng)用。應(yīng)用該教材的教學(xué)效果良好，學(xué)生能夠掌握《地球物理流體力學(xué)》所涉的主要理論、主要研究方法及思路。

除教材選擇的影響之外，該課程的教學(xué)要求學(xué)生具有良好的大氣、海洋大尺度過程的物理認識及基本的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能夠掌握普通流體力學(xué)的基本概念及分析方法和思路。由于受到應(yīng)試教育的長期影響，學(xué)生獨立思考及邏輯推演的能力及主動性嚴重缺失，造成該課程的講授過程相當(dāng)艱難，對大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果影響嚴重。

為改善該課程的教學(xué)效果，使學(xué)生能夠系統(tǒng)、深入掌握該課程的基本理論，特別是掌握該課程的研究思路和分析方法，并通過課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)鍛煉其分析和解決專業(yè)問題的能力，我們采取了如下更為靈活的教學(xué)方法，以最大限度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1、理論的物理圖像化

該課程教材的大幅內(nèi)容及授課的大部分時間基本圍繞方程組的建立及數(shù)學(xué)求解等問題進行，所建立的各種理論都是以數(shù)序公式的形式呈現(xiàn)。學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生容易迷失在公式的推導(dǎo)過程中。實際上，該課程更為注重的應(yīng)是方程組建立的物理模型背景、方程組建立過程中主控要素的抓取方法和依據(jù)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程中物理特征的對應(yīng)以及基本動力參數(shù)、基本物理規(guī)律及目標(biāo)理論的物理解讀和現(xiàn)象解釋。所以，該課程的講解及推演應(yīng)以大尺度大氣、海洋運動的物理過程為核心，并能通過理論解對所關(guān)注現(xiàn)象的特征及規(guī)律有更為深入的物理認識和理解。總之，學(xué)生只有通過構(gòu)建物理圖像才能理解和接受各種動力學(xué)理論，進而在今后的工作中進行應(yīng)用。

2、設(shè)問式教學(xué)

一個理論的建立需要通過物理建模、方程組的建立簡化、數(shù)學(xué)求解等過程，中間耗費大量時間。這些中間過程對于學(xué)生認識目標(biāo)理論非常重要，但教學(xué)過程中常常使得學(xué)生迷失在其中。因此，教學(xué)過程中應(yīng)首先通過物理問題的提出，使清楚明確這些中間過程的目的，也有助于學(xué)生在聽講過程中進行思考和學(xué)習(xí)。對于目標(biāo)理論的物理解讀也需通過不通物理情景下的設(shè)問，使學(xué)生深入認識和理解目標(biāo)理論的物理含義。只有這樣，學(xué)生學(xué)習(xí)的理論才能在其今后的工作中進行運用。

3、增加學(xué)生的主動參與度

如《地球物理流體力學(xué)》這樣的理論課程，僅僅靠聽講是無法真正掌握其內(nèi)容，特別是思路和方法部分。因此，理論公式的圖像化應(yīng)要求學(xué)生自己動手實現(xiàn)。在小班教學(xué)中，應(yīng)嘗試學(xué)生“預(yù)習(xí)——講解”和教師“點評——引伸”的結(jié)合，最大限度調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

對于理論課程的教學(xué)，作業(yè)是必不可少的部分。授課只能專注于最簡單和最基本理論和過程的講解，而實際問題則更為復(fù)雜。只有通過作業(yè)的完成，學(xué)生才能深入理解課堂內(nèi)容，并作進一步的深入應(yīng)用。因此，作業(yè)的設(shè)置不應(yīng)僅僅是課堂內(nèi)容的簡單重復(fù)，而應(yīng)是課堂內(nèi)容的進一步引伸。

4、理論與當(dāng)前研究熱點的結(jié)合

《地球物理流體力學(xué)》關(guān)注的是大尺度大氣、海洋最基本的特征和規(guī)律，而我們對大尺度大氣、海洋運動特征的認識和理解還需通過觀測和模擬進行進一步的完善，這也是當(dāng)前的研究熱點之一。因此，課程授課過程中應(yīng)將當(dāng)前相關(guān)的研究熱點和最新的認識加入其中，學(xué)生往往對當(dāng)前研究熱點有極大的興趣。比如，我們的授課過程中就加入了近年來新引入的“熱Rossby波”概念的介紹，起到了良好的效果。

5、以教學(xué)態(tài)度影響學(xué)習(xí)態(tài)度

理論課程教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)都有難度，再加上學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣及基礎(chǔ)的影響，使得理論課程的教學(xué)效果往往不盡人意。良好的備課及授課態(tài)度對于該課程的教學(xué)效果能夠起到?jīng)Q定性的作用。教學(xué)態(tài)度是教師惟一一個能夠有效調(diào)高教學(xué)效果的途徑。在我們的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生能夠在教師的積極態(tài)度影響下克服困難，努力學(xué)習(xí)該課程。

二、進一步改善教學(xué)效果的設(shè)想

除以上已在教學(xué)實踐中實施的措施外，一些措施可以進一步改善該課程的教學(xué)效果，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作提供更為堅實的基礎(chǔ)。

1、完善教材

國內(nèi)現(xiàn)有參考教材還主要是37年前的Joseph Pedlosky專著中譯本。條件允許下，應(yīng)在國外成熟教材或講義的基礎(chǔ)上編寫適合我國學(xué)生基礎(chǔ)的教材。我們正在完善中的劉征宇教授講義的中譯本是一個不錯的選擇，劉征宇老師的版本突破了Pedlosky專著的框架，使得內(nèi)容的講授更為簡潔、明快，物理解讀也更為深入。

2、增加課堂討論

應(yīng)盡可能采取小班化的教學(xué)模式，使得課堂討論得以真正實現(xiàn)。課堂討論對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和參與性意義重大。在本科教學(xué)改革的背景下，研究生教學(xué)的模式也應(yīng)因時而變。

3、增加實驗課

現(xiàn)有物理實驗室（轉(zhuǎn)盤）及計算機條件都允許對課程相關(guān)內(nèi)容的物理和數(shù)值模擬。通過動手做物理實驗和模擬試驗，可以使學(xué)生直觀地接受《地球物理流體力學(xué)》所涉現(xiàn)象和規(guī)律。這一點的實施需要為該課程增加課時及教學(xué)支持。

4、改進考核方式

《地球物理流體力學(xué)》課程主要是動力學(xué)分析思路和動力學(xué)觀點的教授，而目標(biāo)理論的記憶并不重要。因此，該課程學(xué)習(xí)效果的考察應(yīng)可采取更多靈活的方式進行，如開放式的問題探究。

在當(dāng)前我國大氣和海洋科學(xué)研究緊追世界前沿并有所突破的背景下，培養(yǎng)出一批具有扎實動力學(xué)理論功底的研究生是實現(xiàn)我國科學(xué)研究突破和貢獻世界的基礎(chǔ)。該課程教師及學(xué)校有責(zé)任盡最大努力提高該課程的教學(xué)效果。

【作者簡介】

程 軍，男，南京信息工程大學(xué)副教授，主要從事氣候動力學(xué)方面的研究與教學(xué)工作.endprint