數值仿真技術在物理海洋課程教學中的應用

牟林　趙恩金　蔣浩宇　鄭好

摘要：物理海洋學課程是海洋技術相關專業本科生的基礎課程，筆者針對該課程的研究內容和課程特點并結合教學實踐提出了理論與實踐并重的教學方法。本文提出一種既注重學生基礎理論的學習又注重借助計算機數值模擬解決實際問題能力的方法。在此基礎上筆者提出了有關物理海洋學課程教學方面應該注意的事項，并結合筆者在本門課程教學實踐上的經驗，著重分析如何針對重要知識點采取切實可行的教學方法、提高學生的學習興趣和改進教學質量。

關鍵詞：物理海洋學；數值仿真；教學方法；課程建設；教學質量

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）50-0118-03

一、研究背景

隨著國家把海洋的研究和開發上升到國家戰略高度，我國海洋發展迅速，海洋人才的需求也不斷增加。國內一些和海洋研究領域聯系比較緊密的高等院校，為海洋人才的培養做出了巨大的貢獻，但是根據社會的普遍需求來看，海洋專業人才的培養水平還可以再提高。如果只是通過理論的方式進行海洋學課程教學，很大程度上限制了學生的眼界，同時，學生對海洋的了解程度也會受到一定的限制。眾所周知，地球上的海洋浩瀚遼闊，是一座豐富的資源寶藏，可以為沿海和內陸居民提供眾多的資源。與此同時，海洋也蘊藏巨大的能量。一方面，人類可以借助海洋的巨大能量來進行對人類有利的生產和生活活動，比如說潮汐發電和沖浪等，另一方面，海洋每年都給人類帶來了一系列的自然災害，給人類帶來了數量巨大的財產和生命損失。中國的海岸線長達1.8萬千米，眾多的經濟發達城市分布在沿海地區，是世界上遭受海洋自然災害影響最為嚴重的國家之一。由于人類對于海洋的認知和研究水平有限，上述的海洋物理現象很難直接運用理論知識解釋清楚，尤其是赤潮以及有害藻華的形成機制，并且全部通過現場的方式進行觀測也難以實現的。綜上所述，人類不管是充分探索利用海洋資源和海洋能量，還是想規避和預測海洋自然災害對于沿海地區的影響，對于海洋運動方式等方面的認知還有待提高。而只是通過理論知識來了解這些內容是遠遠不夠的，同時直接進行現場實習也是不現實的。針對物理海洋學的課程特點，在本文中提出了把數值仿真技術應用到物理海洋課程教學中。

二、學科教學特點

物理海洋學課程群主要是以海洋環境中的各種水動力過程作為研究對象的，介紹和描述物理海洋現象，強調基礎知識的實際應用，揭示海洋環境中各種水文物理要素的變化規律。在本課程中，研究海洋環境中的物理要素，了解其長期的變化規律非常重要，比如在課程中出現的一些基本的物理海洋要素如潮汐、潮流、海流、溫度、鹽度以及海浪等。與此同時，海洋的水動力過程并不是一個孤立的過程，往往與大氣現象息息相關，所以了解海洋大氣的平均狀態、海洋上的天氣系統和海洋—大氣相互作用也相當重要。值得一提的是，物理海洋學課程群的教學不能簡單的停留在理論層面，還需要借助一些Fortran、Gambit、Tecplot和Matlab等數值計算、插值、畫網格和可視化工具來進行數值仿真技術在物理海洋學課程群教學上的實現。因此，物理海洋學課程群的教學需要理論結合實踐，不僅注重于關注海洋環境中的各種水動力過程的基礎理論知識，還需要借助一定的數值仿真實際技術來模擬預測海洋水動力過程以解決工程實際問題。

三、數值仿真介紹

近年來，隨著科學創新技術水平進步，人們對物理海洋環境的性質和運動規律的研究，也在不斷深入。做好物理海洋學課程群的規劃工作，首先需要界定物理海洋學體系的核心內容，確定物理海洋學課程群所涵蓋的知識。對物理海洋學知識體系進行初步劃分，以及確定與物理海洋學相互聯系的課程。依據物理海洋學課程群的建設目標及物理海洋學知識體系的主要內容，確定基本的學習方案及數值模擬方法。在海洋中存在著大量的邊界形狀復雜的流體流動，對這種流體流動進行實時測量困難很大，應用數學模型開展數值模擬能給出相關流場區域內的具體信息，相比起只能給出總流參數的物理模型試驗而言，數值模擬具有較多的優勢。

數學模型理論經過多年的探索與發展，不斷成熟，逐步成為研究海洋運動規律的重要手段。數模技術在物理海洋學科得到了廣泛的應用。現在的物理海洋數值模型一般具備以下幾個特點。

1.具有強大的水文數據分析處理功能，可以對多年的潮位資料，溫、鹽資料，波浪資料，氣象資料，進行科學的處理和分析，有利于促進基層涉海單位對現有監測數據的利用。

2.可利用衛星反演的外海潮位數據，一般需要采用多重海流模型嵌套方式，獲取特征季節評價小區的海流狀況，計算區域水位邊界條件由大區計算結果插值后給出。

3.計算結果通過后處理可以得到直觀的圖件，從而方便進行海洋工程前后流場變化的對比分析。數值模擬技術與可視化技術結合，可得到直觀生動的實時動畫，有助于對模擬可靠度的評價與工程問題分析。

物理海洋學課程群教學中實現數值仿真技術主要應用FVCOM模型和ECOM模式。

在數值計算上，FVCOM模型利用對水平三角形控制體進行通量有限體積積分的方式對控制方程進行離散求解。FVCOM模型對數值處理方法和岸線地形擬合上的優勢使其在河口海岸地帶得到了廣泛應用。FVCOM包含了多種物理、水質、生態計算模塊，FVCOM模型輸入輸出基于標準化NETCDF格式，具有平臺通用兼容性，并能使用VISIT可視化軟件是輸入輸出結構進行快速二維/三維可視化。該模型基于Fortran 90/95標準，且在MPI（Message Passing Interface）的框架下實現計算并行化，可以在共享內存及分布式內存多計算節點的高性能計算機上實現并行快速模擬。

ECOM模式是上世紀80年代中期，在POM（Princeton Ocean Model）的基礎上逐漸發展起來的，適于河流、海灣、河口、海岸區、水庫和湖泊等淺水環境的版本。同時，對其源代碼的修改使得個人電腦、工作站和巨型機都可以支持它的運行。通過一系列簡單獨立特定的檢測試驗以及在現實中的應用，模式模擬效果得到了驗證。基于不同ECOMSED的子程序應用所發表的文章已超過350篇。多年以來，ECOMSED系統已經被證明是值得信賴的。

四、仿真技術在教學中應用

1.教學內容整合與優化。物理海洋學課程群教學內容整合與優化主要刪減了一些過于繁雜和重復太多的內容，通過整合與優化來突出教學重點，在一定程度上為學生“減負”，讓學生學有所得。海洋科學導論教學方面刪減了一些海洋生物等與物理海洋學課程群教學關聯度較低的內容，著重傳授海洋中的波動現象和潮汐等方面的知識并結合一些實際存在的海洋現象，以學促導，引導學生對于后面課程的學習興趣。于此同時，在海洋科學導論的課程教學中嘗試摒棄傳統的“填鴨式”教學方法，致力于應用課程中的現有知識，解釋一些常見的海洋現象，并且在教學的過程中及時與學生互動提出一些發散性的問題，增強課堂的趣味性寓教于樂，促進學生從被動灌輸學習到主動探索學習的轉化。在海洋調查方法與技術的課程教學中則注意到課程教學的實用性，通過分享自身在科考船的經驗和一些遇到的問題著重強調在船上的實際操作和容易遇到的問題來增添學生對于海洋探索的興趣和保障以后學生船上操作的安全性。

2.教學方法與教學手段改革。物理海洋學課程群的一大特點在于不同課程的前后知識的關聯性很強，某一門課程的掌握程度較差將直接影響到其他課程的學習進度。在傳統課堂教學方式里，課程之間的教學往往單獨進行。主要研究和講授海洋數值計算的老師可能對于海洋調查方法與技術的了解稍有欠缺，而后者則是解決一些研究和工程實際問題所必備的知識，在實際的海洋調查中如果缺乏對于流體力學基本理論的掌握則會‘學而不思則罔對于儀器的操作背后的流體力學原理不甚理解只是泛泛的使用。課程之間的一些割裂關系往往需要有一定綜合知識的老師來聯系起來，多媒體教學模式則可以一定程度上較好彌補以上傳統物理海洋學課程群教學的缺點。多媒體物理海洋學課程群教學的特點是內容豐富、知識連續、一目了然和生動形象，最重要的一點在于可操作性強，學生如果對于多媒體教學的內容課上沒有完全消化，可以課下拷貝觀看加深知識的掌握度，多媒體教學內容如果準備得足夠好，其所傳授的知識內容是可以連續的。另外，多媒體教學可以和傳統的板書教學方式結合起來，多媒體教學提供具體的教學內容細節，傳統板書提供授課重點和一些公式的推導過程，兩者結合起來相得益彰，便于學生理清授課脈絡、思路和重點。基于以上的宗旨，并結合學生的實際就業需求和物理海洋學課程群的課程特點，經過討論開發了海洋科學導論、工程流體力學、海洋調查方法與技術和海洋數值計算等課程的多媒體課件，課件之間的知識相互滲透、相互聯系，用于課堂輔助教學。

五、數值仿真技術在教學中的意義和作用

虛擬實驗對提高教學質量的作用有四個方面：首先，虛擬實驗能夠使學生快速準確的理解復雜的海洋環境，并應用在已經學到的海洋知識解釋海洋環境的變化，提高對海洋環境的認識。其次，可以為學生提供科研平臺，即在培養過程中，指導和組織研究生開展海洋環境模擬相關技術研究及開發工作。由于虛擬實驗是通過不同的模擬程序實現的，因此在虛擬實驗平臺的開發過程中，讓學生參與到不同程序的開發過程中，既能讓學生學到的理論知識得以鞏固應用，又能提高學生對本專業學習的興趣，增強學生對于實際模型運作原理的了解。

在虛擬實驗模式研究與實踐過程中，構建一套具有海洋學特色的海洋專業多層次實踐教學體系，探索利用海洋工程虛擬模擬實驗改善研究生的實踐及創新機制。通過聯合培養模式，增強學生的社會適應性，學位論文選題兼顧企業需求、理論深度、創新程度和可行性，提高科學研究和科技成果轉化水平，培養學生的科研與實踐能力，促進學生綜合素質的發展。

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