《海洋要素計算與預報》的課程特點與教學建議

程晨

【摘 要】 針對《海洋要素計算與預報》課程特點及教學實踐中存在的問題，提高該課程教學質量和授課效果的對策主要為：加快正式教材的編輯出版，克服當前“無教材”可用的尷尬局面;通過理論內容物理圖像化，增強學生課堂參與度，展示當前熱點研究成果;積極保持良好的備課、授課態度，采用多種手段充分調動畢業班學生對該課程的學習積極性。

【關鍵詞】 《海洋要素計算與預報》;課程特點;教學方法;困境;對策

《海洋要素計算與預報》（以下簡稱《海洋要素》）是絕大多數中國高等院校海洋科學類專業本科生培養方案中設置的一門重要的專業必修課程，其總學時一般不少于48個學時。海洋要素的分析、計算與預報是各涉海專業和涉海行業在具體業務工作中共同關心的問題，也是海洋科學類專業本科生務必掌握的一門基本的專業技能。隨著中國海洋科技的迅猛發展，特別是近年來海洋強國戰略的提出，使得海洋環境要素預報中應用的各種要素計算方法取得了長足的進步。盡管如此，《海洋要素》課程內容有著其自身的特點和特殊性，在現階段教學實踐環節中也暴露出一些問題亟待合理有效地解決。

一、《海洋要素》課程特點與教學困境

1、課程特點

該課程重點介紹基本海洋環境要素包括潮汐、海流、溫鹽特征、海浪、海冰等的分析與預報方法，其與另一門海洋科學類專業必修課《物理海洋學》比較，前者重應用方法學習，后者重基本理論學習。此外，每一種海洋要素的講授都需要注意其各自的特點，結合我們自身教學經驗歸納概括如下：

潮汐部分主要講授長期、中期、短期資料分析以及潮汐特征值計算，掌握這些分析、計算方法的前提就是要真正理解潮汐各引潮力勢的理論導出及調和分析，亦即調和常數的物理含義，而這將涉及到大量且繁瑣的理論推導，因此成為潮汐預報這一章的難點。

海流部分重點介紹各類海洋學問題對應的動力學方程（組）及其數值求解方法，其中數值求解方法將涉及到對動力學方程的差分近似和多種開邊界條件的定義與設置，而這又將涉及較為復雜的數學推演過程，由此成為這一章的難點。

海水溫鹽主要是圍繞以下諸多方面展開，包括中國近海海洋季節的劃分，海水溫鹽密度預報方法，其中又包括經驗預報法、統計預報法和數值預報法，此外還有海洋水團的定義、強度、變性、形成過程及其判斷方法，海洋躍層與鋒面動力結構，最后是海水溫鹽度資料處理及溫鹽圖解法的應用等等。由此可見，該章所要講授的內容之多，如何講得詳略得當，且讓學生融會貫通是這一章的教學難點。

海浪這章主要講授波浪理論及其統計特征，海浪生成與傳播機制，海浪分析與預報之圖解法。本章的難點之一在于講授波浪統計特征中海浪譜的概念，盡管其物理含義明確但非常抽象，對于本科生的認知水平不易于理解。另一個難點在于海浪圖解法，其過程較為繁瑣，涉及到如何利用風場信息反推波高，以及需要考慮波浪傳播過程當中的淺水變形、折射與底摩擦作用，這些因素都將使波高的計算復雜化。

海冰這部分內容雖不屬于原教材內容，是額外增設的教學內容，但由于兩極冰情與全球氣候變化、海平面上升，進而與人類活動息息相關。因此，海洋科學類專業的本科生對海冰科學有必要掌握以下基本內容，包括全球海冰基本狀況，海冰的特征及其對環境的影響，海冰變化的熱力學與動力學過程，以及海冰預報與海冰預報系統等。本章講授的難點在于，由于當下所使用的教材并沒有涵蓋海冰，因此對這部分內容的講授需要在授課前作好充分的準備工作，包括課件的設計與制作，講義的構思與撰寫，而這依賴于授課教師在課前所作的大量相關文獻資料的收集、整理與總結工作。

綜上所述，《海洋要素》課程內容較多，難度較大，其不單純是應用方法的學習，其中還涉及各類基本理論知識的掌握。不僅如此，除上述特點之外，該課程自身還存在一些特殊性，由此可能導致一些教學困境，進而加大了該課程的教學難度。

2、教學困境

結合以往教學實踐，《海洋要素》課程教學過程中概括起來主要會遇到以下兩個方面困境：

一方面，當前凡是設有海洋科學類專業的高等院校在講授《海洋要素》這門課程時普遍使用的是由現就職于浙江海洋大學海洋科學與技術學院的左軍成教授于2006年編寫的《海洋水文環境要素的分析原理與預報》，其內容涵蓋了上述除海冰外的全部課程內容。全書內容編排合理，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，不像其他海洋科學類專業課程，比如《海洋科學導論》、《物理海洋學》、《海洋調查方法》等，都有相應的正式出版的對口圖書，《海洋水文環境要素的分析原理與預報》一直未正式出版成書，往屆學生使用的都是教材的影印材料，加之內容繁多，且沒有得到專業、合理的排版，導致教材十分厚重，不便于攜帶和翻閱。此外，書中還存在不少涉及到公式推導的物理變量符號錯誤（常見于“第二章 潮汐分析與預報”），容易誤導師生教學。部分內容也不夠完善，存在明顯的前后不連貫（常見于“第五章 海浪預報分析”），影響學生課后查閱和復習。此外，該教材自問世以來至今已有近20年，期間并沒有進行一次改版對其內容進行修正、更新，課程中介紹的計算方法雖然經典，但有些已被當今更為先進、前沿的科學方法所取代，加之市面上又無其他可供選擇的與《海洋要素》課程對口的正式出版物，進而導致了該課程教學過程中在教材使用方面長期處于“青黃不接”的尷尬局面。

另一方面，《海洋要素》課程屬于海洋科學類本科專業的高年級專業課程，以南京信息工程大學海洋科學專業為例，該專業培養方案將其開設在了大四第一學期，究其原因為：《海洋要素》課程涉及到潮汐、海浪、海流、海水溫鹽等諸多海洋環境動力要素的分析、計算與預報，實屬于應用科學領域，理應將其設置于該專業基礎知識（比如《海洋科學導論》課程）和理論知識（比如《物理海洋學》課程）學習之后。此外，該課程教學過程中還將涉及其他領域知識的儲備。比如，“潮汐分析和預報”一章調和常數的求解就要用到《數值分析》課程中最小二乘法擬合的相關知識?！昂Ａ鲾抵涤嬎愫唾Y料分析”一章中大量內容涉及到差分方程的推導與求解，而這正是需要《計算流體力學》課程在前期為本科生作非線性微分方程數值求解知識的儲備。另外，“海水溫鹽密分析方法”一章開設了“準平穩時間序列的建立與分析預報方法”的上機實習，這完全依賴于學生在低年級時通過《FORTRAN語言程序設計》和《計算機繪圖軟件應用》等公共基礎課的學習所掌握的編程與計算機繪圖技能。然而，盡管將《海洋要素》課程開設在本科最后一個學年客觀上是合理的，但是同開設在畢業班的其他課程一樣，《海洋要素》課程的教學也將面臨畢業班學生聽課狀態懈怠的局面。他們中有些已經找到了工作或正處于實習階段，有些又疲于考研前的沖刺，又有些存在大學時代即將結束傾于應付了事的消極心態等等，再加上《海洋要素》課程本身內容多，難度大，更加劇了畢業班學生的這種聽課懈怠狀態，進而嚴重影響了該課程的教學活動。

上述兩個困境倘若得不到合理有效地解決，將直接影響《海洋要素》課程的教學質量與授課效果，最終達不到該課程的教學目的。

二、《海洋要素》課程的教學建議

1、打破“無教材”的尷尬局面

面對此困境，首先希望各相關院校能夠通過采取積極有效的措施，大力推動《海洋要素》課程對口教材的正式出版，比如，可考慮設立專門的教材建設基金，鼓勵在該課程有著豐富教學經驗的老教師以及掌握該課程相關前沿科學與先進技術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》課程對口教材的問世，最終走進相關院校的課堂。但在這之前，授課教師應該不拘于現有書本，并將視野始終置于該課程相關研究動態的最前沿，憑此積極努力更新擴充現有教學內容。同時，有選擇地引進國外相關教材的先進內容也不失為一種有效的補救措施。否則，故步自封最終可能導致畢業生在尋求相關行業工作時缺乏競爭力，進一步可能還會影響院校自身的聲譽。

2、多手段調動畢業班學生學習積極性

首先，將該課程中涉及到大量數學推導的教學內容從重公式推演轉變為側重介紹方程組建立的物理背景，方程組各項所對應的物理特征，以及最終反映出的物理現象的科學解釋等，這將有利于學生通過構建有趣的物理圖像，加深理解和接受這部分教學內容，從枯燥乏味的數學推導中掙脫出來，更直接地認清隱藏在推導背后公式所包含的物理現象。此外，在進行必要的公式推導時，還要積極創造與之相關的物理問題，采用設問式教學，提高學生聽課的專注度和積極性。

其次，如《海洋要素》這樣的重應用科學的專業課程，僅靠聽是無法完成教學目標的。因此，在課堂上要積極主動地設置出題環節，讓學生走上講臺，在黑板上展示解題過程，教師隨后點評引申，借此可增加學生的主動參與度，調動學生的聽課積極性。此外，對于重應用課程的教學，作業是必不可少的。課堂上的授課內容十分有限，而實際問題更為復雜。通過完成作業，學生將更加深入地理解課上所學，且所學知識又得到了進一步的應用，進而加深了印象不易于遺忘。

另外，將授課內容盡可能與當前研究熱點相結合，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的前沿科研成果。這些生動的物理圖像往往能夠吸引學生眼球，激發其好奇心，進而引起他們對于該課程學習的興趣。比如，我們在講授海冰這部分內容時，引入了大量的兩極實地考察圖片和一些栩栩如生的數值模式結果視頻，學生的課堂活躍度明顯提高，起到了良好的教學效果。

事實上，每一次《海洋要素》課程的教學對于學生與老師來說都是一次挑戰。授課教師積極的備課、授課態度對于該課程的教學效果至關重要。在我們的教學實踐中發現，教師的積極態度能夠使大部分學生克服在該課程學習過程中的困難，最終學有所成。此外，盡可能地采用小班化教學模式，增強課堂討論;走出課堂，走進相關科研單位參觀實踐，加深課堂所學;采用更加靈活地考核方式，比如一些開放式習題的設置，以激發學生在該課程學習過程中的創新思維等都是一些切實可行地能充分調動畢業班學生對該課程學習積極性的有效措施。

三、結語

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，總結教學經驗，改進教學技巧，充分認識該課程的教學困境。通過完善該課程教材，多途徑調動畢業班學生學習積極性，方能沖破教學困境，提高該課程的教學質量與授課效果，達到該課程的教學目的。

【參考文獻】

[1] 馮士筰，李鳳岐，李少菁.海洋科學導論[M].北京：高等教育出版社，1999.6.

[2] 呂華慶.物理海洋學基礎[M].北京：海洋出版社，2012.6.

[3] 侍茂崇，高郭平，鮑獻文.海洋調查方法[M].青島：中國海洋大學出版社，2016.8.

【作者簡介】

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