海洋環境數值模擬在海洋工程專業研究生教育中的應用

蔣浩宇 趙恩金 程飛 牟林

摘要：在海洋強國戰略的背景下，國內各高校開始增設海洋工程等涉海專業。海洋工程專業為工科專業，需要更多的實踐提高技術及創新能力。筆者針對海洋工程專業研究生培養的要求和研究生教學的特點，提出利用海洋環境數值模擬技術，從實際問題入手，通過海洋環境數值模式的安裝、測試、運行、修改強化研究生的專業實踐技能，提高研究生用數值模擬手段解決相關問題的能力。同時，通過相應模擬結果的可視化反饋提升研究生對海洋科學、海洋工程相關問題的認識和理解，提升相關理論課程的教學效果。

關鍵詞：海洋環境；數值模擬；海洋工程；研究生教育；教學模式

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）05-0147-03

一、研究背景

隨著“海洋強國”上升為國家戰略以及“一帶一路”倡議的實施，加快建設海洋強國已經明確寫入了黨的十九大報告。海洋強國需要海洋科學、海洋技術、海洋工程的協同發展作為支撐，這一目標對高等教育提出了嚴峻的挑戰，努力培養適應海洋產業發展需要的創新型人才、技術型人才和應用型人才，已成為我國海洋領域高等教育的一項重大任務。在這一背景下，以浙江大學、河海大學、中國地質大學為代表的國內眾多知名重點高校在近年來都逐漸成立了海洋學院，以響應時代對于培養海洋領域專門技術人才的需求[1]。

海洋工程專業的研究生是海洋領域專門技術人才的重要組成部分。作為工科專業，研究生既需要良好的專業理論基礎，同時也需要較多的實踐訓練以提升相關的專業技能和創新能力。但海洋工程的大部分實踐，尤其是現場實踐具有高風險、高技術、高投入等特點。例如，一次外海水文觀測所需要的船費和燃油費動輒以數十萬計算，而且出海具有較大的危險性。雖然這類現場實踐的培養為研究生培養環節的必須，但讓研究生在學習階段大量實際地接觸海洋工程結構物或直觀地觀測海洋環境對于大部分培養單位來說都是難以實現的。因此，在海洋工程專業的研究生培養階段，大部分專業知識仍然是通過課堂講述的方法進行傳授，教學方式略顯單一。盡管科技的發展將多媒體技術逐漸大量應用于課堂，借助視頻和動畫，研究生能夠較為直觀地了解海洋工程設計、建造、安裝等過程以及海洋水文氣象的觀測過程，但這些技術仍然無法真正有效彌補當前海洋工程研究生培養中實踐環節的缺失。

在海洋工程實地實踐受限的情況下，如何提高海洋工程專業研究生的實踐創新能力是海洋工程專業研究生教學體系的系統化問題，也是海洋工程專業研究生教學改革的重要研究內容。針對海洋工程專業研究生教學實踐的這一現存問題，本文在海洋工程專業研究生培養中引入海洋環境數值模擬技術，從而加強研究生對海洋工程的實踐能力，提高學生科研素質和業務能力，使我國未來海洋工程領域的人才更好地適應市場和社會發展，成為合格的海洋強國戰略實施者。

二、海洋環境數值模擬技術

隨著計算機技術的不斷發展和廣泛應用，海洋環境數值模擬技術取得了巨大的進展，許多過去需要超級計算機才能夠進行模擬的風、浪、潮、流等現象逐漸也可以通過價格相對較低的高性能服務器進行模擬。作為現代工程學科“理論分析”、“數值模擬”和“虛擬實驗”中的三大支點之一，海洋環境數值模擬是海洋工程技術發展的有機組成部分[2]。這一技術借助海洋模式，從海洋中基本的質量守恒、動量守恒、能量守恒出發，以離散和有限元方法對海洋中的現象進行計算，詮釋海洋中的物理規律，模擬海水的運動過程。

一套完整的海洋數值模型會有數據預處理、數值計算分析和數據后處理三個組成部分。前處理為基礎數據（邊界條件）的搜集，例如區域海洋的水深、潮汐調和常數、海岸線、網格劃分、初始場等等。計算分析的主要內容是物理方程的離散化求解過程，例如水動力模式下的三大守恒方程，通過對離散網格不同位置偏微分方程的求解，得到模擬區域流速、流向、水位、溫度等信息。后處理則是對模擬得到的結果進行進一步的數據統計分析或是可視化等，以直觀的方式展現海洋環境的時空結構和變異規律。

海洋工程領域較為經典的海洋環境數值模式包括大氣模型WRF（Weather Research and Forecasting）、水動力模型FVCOM（Finite-Volume，primitive equation Community Ocean Model）、波浪模型SWAN（Simulating WAves Nearshore）等。以FVCOM為例，其綜合了多種物理、生態、水質、工程、水動力功能模塊，模式的輸入基于標準化的NetCDF格式，能夠實現多平臺的通用兼容。數值的計算方面，模型基于Fortran 90/95標準，利用對水平三角網格控制體進行各類通量的有限體積積分，從而對模式的各控制方程進行離散求解[3]。模型在信息傳遞接口框架下實現并行化，可以在共享或分布式內存的多計算節點HPC（High Performance Computer）上實現模擬。這一模式因對數值處理方法的先進性和三角網格對岸線地形擬合以及可變分辨率的優勢，并能使用VISIT軟件進行輸入輸出非結構化數據的快速2D/3D可視化[4]，在河口海岸地區的海洋工程計算以及環境平衡等領域中具有較為普遍的應用[5]。

三、海洋環境數值模擬在教學中的應用

海洋環境數值模擬技術能模擬不同條件下的海洋水文狀況，在海洋工程中應用廣泛，通過海洋環境數值模擬在教學中的應用，可以讓研究生在計算機上進行不同參數、不同條件下的實驗，加深對海洋中各類現象的感知和對相關物理過程與理論的理解。其在海洋工程教學中的應用可以體現在以下四個方面：

1.加強海洋工程研究生的學習效果：學生往往對實際的海洋工程環境缺乏直觀地了解，在學習中容易產生困惑。對于研究生，雖然經過本科階段的積累，可能對相關領域產生了基本的認識，但由于很少有機會能夠實際參與海洋觀測，因此對相關的專業知識的理解往往依然不足。上述原因更是導致研究生們對相關內容學習的興趣和主動性的缺乏，增加了專業課程的教學困難。通過數值模擬技術，可以通過讓學生在實踐中加深對相關知識點的理解[6]。特別地，利用數值模擬進行相關的數值實驗有較好的反饋性，能夠迅速給予學生實驗階段性成功的反饋，有助于提高研究生學習的興趣和主動性。

2.加強海洋工程研究生的實踐能力：當前國內的海洋工程研究生培養注重基礎素質的培養，對教材內容中理論闡述的部分較為充分，但與工程實踐結合不夠充分，對于研究生實際動手能力的培養仍然存在較大的缺陷，導致研究生的理論知識和工程實踐結合不夠充分。通過對學生數值模擬能力的培養，全面提高研究生利用數值模式解決海洋工程中實際問題的能力，同時有效提高其代碼編寫、數據分析、資料處理等工科學生通用的動手實踐能力，在與社會需求接軌的同時提高海洋工程專業研究生的跨學科和交叉學科的實踐能力，同時有效提升本專業研究生的就業競爭力。

3.加強海洋工程研究生的創新能力：數值模擬技術是海洋工程研究的重要話題之一，也是海洋工程的科學前沿方向之一。在利用海洋環境數值模擬對研究生進行培養的過程中，可以利用搭建好的計算機工作環境，為研究生提供科研平臺，并指導和組織研究生開展物理海洋學、工程海洋學、工程水文學等學科的理論驗證實驗、數值敏感性實驗以及技術研究開發工作。同時，由于數值模擬的過程需要大量的程序編寫，因此在環境的搭建過程中，本身也可以讓研究生參與到不同數值模型的開發中。相關的實驗和模型開發均是開放問題，能夠讓研究生發揮創新能力并摸索科學研究的方法與規律，進一步提升研究生的科研潛力[7]。

4.加強海洋工程研究生教學體系的完善：在利用海洋環境數值模擬技術開展研究與實踐的過程中，相關的高校將完善具有海洋學特色的海洋工程專業研究生多層次實踐教學體系，探索利用數值模擬提高研究生實踐能力和創新能力的機制。通過最大程度上利用學校的教學、科研資源，培養出更多具有創新能力且和社會需求接軌程度高的海洋工程專業研究生。

四、總結

海洋環境數值模擬技術能夠在海洋工程專業研究生教育教學的過程中發揮巨大的作用。通過對海洋環境數值模式相關的模型前處理、數據處理、代碼分析、模式運行、數據的可視化等環節的實踐操作，將極大地提高海洋工程專業研究生對本專業的學習興趣、學習動力和學習效果，同時將有效提高研究生的動手能力。通過理論學習與數值模擬實踐的結合，能夠對復雜的海洋環境產生更為直觀且深刻的認識，進而使專業中的相關基礎理論能夠得以應用，并將海洋工程中偏微分方程等大量抽象的問題形象化。從教師的角度講，通過理論教學與實踐指導的結合，教師可以不斷改進教學、指導方法，從而提高研究生培養的質量。而從研究生的角度，通過參加海洋環境數值模擬方面的實踐，將有效提高自身創新與發散思維，更好地洞見海洋工程問題中的物理含義，強化課本知識的理解，并加強對計算機的使用能力，更好地應對時代對于計算機科學人才的需求。因此，海洋環境數值模擬技術在海洋工程研究生教育教學中的廣泛應用，將為我國海洋工程領域的建設和發展培養出具有實踐和創新能力的技術人才，支撐當前“海洋強國”戰略的有效實施。

參考文獻：

[1]賀林林.港口航道與海岸工程專業樁基工程課程教學改革探索[J].科學咨詢：科技.管理，2016，（32）：170-170.

[2]劉紅英，劉紅坤.有限元模擬技術在物理實驗教學中應用實例分析[J].物理教學，2014，（8）：33-34.

[3]鄒華志.河網、河口及海岸整體聯解數值模式及其在珠江口咸潮上溯研究的應用[D].中國海洋大學，2010.

[4]臧士文.基于FVCOM模型的二維海上溢油數值模擬研究[D].大連理工大學，2011.

[5]朱軍政，曹穎.FVCOM模型在象山港三維潮流鹽度計算中的應用[J].海洋環境科學，2010，29（6）：899-903.

[6]任之光，梅紅.雙創背景下高校教育教學改革探索研究[J].中國高教研究，2017，（1）：86-90.

[7]李培根，許曉東，陳國松.我國本科工程教育實踐教學問題與原因探析[J].高等工程教育研究，2012，（3）：13-13.