“海洋亞中尺度過程”課程啟發(fā)式教學(xué)初探

李 成

（廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088）

亞中尺度過程包括鋒面、渦絲、渦旋以及內(nèi)波等過 程[1-2]，它們的空間尺度為幾千里到幾十千里，時(shí)間尺度為幾天到十幾天；而小尺度過程則包括小尺度的內(nèi)波以及混合等過程，它們的空間尺度僅為幾米的量級(jí)。這些過程并非各自獨(dú)立，而是緊密關(guān)聯(lián)并相互作用的。能級(jí)串可以直觀地體現(xiàn)它們之間的關(guān)系[3-4]。能級(jí)串分為正級(jí)串和逆級(jí)串。正級(jí)串是指能量從大尺度向小尺度傳遞，例如大尺度環(huán)流可以為因斜壓不穩(wěn)定而生成的中尺度渦提供能量，亞中尺度過程的增長(zhǎng)又可以從中尺度渦汲取能量，而這些能量最終會(huì)被小尺度混合耗散。逆級(jí)串是指能量從小尺度向大尺度傳遞，例如在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)湍流中，中尺度渦的生成發(fā)展可以從較小尺度的過程中得到能量[5-6]。在海洋中，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在傳遞上述能量，體現(xiàn)在各海洋動(dòng)力過程的生成和消亡。隨著觀測(cè)手段的不斷進(jìn)步以及數(shù)值模式的發(fā)展，人們對(duì)于物理海洋的研究也越來(lái)越深入，認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深刻。在過去幾十年中，基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、衛(wèi)星反演以及數(shù)值方法，學(xué)者們針對(duì)大尺度、中尺度以及小尺度過程開展了大量的研究，并取得了豐碩的成果。與之相比，對(duì)于中尺度和小尺度之間過渡的亞中尺度過程的研究一直處于空白狀態(tài)[7-8]。直到近幾年，隨著物理海洋學(xué)的發(fā)展以及模式分辨率的提高，亞中尺度過程逐漸引起學(xué)者們的重視。

作為海洋中重要的動(dòng)力過程，亞中尺度過程的研究有著重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。首先，研究亞中尺度過程可以完善海洋動(dòng)力過程的能級(jí)系統(tǒng)。目前，針對(duì)海洋中其他動(dòng)力過程的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，而目前針對(duì)亞中尺度過程的研究仍然較少。在實(shí)際海洋復(fù)雜的物理背景下，在亞中尺度過程中，大、中尺度過程的消亡以及小尺度混合的貢獻(xiàn)都具有重要意義。相關(guān)研究曾指出，亞中尺度過程對(duì)中尺度能量具有耗散作用，而存在強(qiáng)亞中尺度過程的區(qū)域混合也會(huì)增強(qiáng)。亞中尺度過程在能級(jí)串中起著串聯(lián)中尺度和小尺度的重要作用。其次，亞中尺度過程的研究對(duì)數(shù)值模式的參數(shù)化有著重要意義。模式參數(shù)化能夠獲得更好的模擬結(jié)果并進(jìn)行預(yù)報(bào)。最后，亞中尺度表層流場(chǎng)存在較強(qiáng)的輻聚輻散，可以使浮游植物在海洋表層聚集，從而改變其在海面的水平分布，海洋表面浮游植物的條帶狀分布特征可能與亞中尺度輻聚輻散場(chǎng)有關(guān)。因此，掌握亞中尺度過程的時(shí)空分布規(guī)律，可以為漁業(yè)資源和環(huán)境保護(hù)提供理論指導(dǎo)。

該課程是針對(duì)物理海洋學(xué)專業(yè)研究生開設(shè)的專業(yè)選修課程。作為物理海洋專業(yè)的研究生，對(duì)當(dāng)今物理海洋學(xué)研究領(lǐng)域最熱門的次中尺度過程的認(rèn)知掌握以及實(shí)際的分析應(yīng)用是非常重要的。本研究提出了對(duì)“海洋亞中尺度過程”課程的啟發(fā)式、課堂式教學(xué)探究，主要包括：在講課過程中精煉課程框架，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，基于學(xué)生前期對(duì)海洋中尺度過程的學(xué)習(xí)和認(rèn)知，運(yùn)用類比延伸的教學(xué)方式進(jìn)行指導(dǎo)；基于自身實(shí)際的科研經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生提供海洋中的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，讓學(xué)生自主動(dòng)手編程分析，將課堂的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐；采用靈活創(chuàng)新的教學(xué)方式，啟發(fā)學(xué)生聯(lián)想思維、舉一反三；讓學(xué)生占領(lǐng)課堂，多提問、多反思、多講解、多回顧。通過學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生掌握最前沿海洋次中尺度過程的相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的提取分析能力，為后續(xù)科研道路添磚加瓦。

1 提煉課程框架

海洋亞中尺度過程是一段內(nèi)容極其豐富的研究過程，牽扯到諸多數(shù)學(xué)物理知識(shí)，因此，提煉知識(shí)框架、精簡(jiǎn)課程內(nèi)容、讓學(xué)生集中力量攻克核心問題極為重要。筆者根據(jù)當(dāng)下海洋亞中尺度過程的最新研究進(jìn)展以及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，利用對(duì)海洋亞中尺度過程的分析研究以及相關(guān)科研論文的產(chǎn)出實(shí)踐，凝練出“海洋亞中尺度過程”課程需要學(xué)生掌握的核心要素，并對(duì)需要掌握的不同知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，方便學(xué)生合理利用和分配學(xué)習(xí)時(shí)間，下面給出部分章節(jié)的提煉結(jié)構(gòu)：

（1）Ekman運(yùn)動(dòng)與慣性振蕩：了解Ekman漂移的發(fā)現(xiàn)和早期的數(shù)學(xué)描述、Ekman的歷史貢獻(xiàn)、漂流問題的由來(lái)，掌握控制方程及其求解，理解有限深度對(duì)Ekman螺旋和輸運(yùn)的影響；

（2）理解線性層結(jié)下的Ekman層、Ekman螺旋形成過程中的慣性震蕩，掌握地形對(duì)Ekman層的影響、離岸Ekman輸運(yùn)造成的定常上升流系統(tǒng)，了解水杯中的Ekman螺線；

（3）理解地轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的引入和Omega方程的推導(dǎo)與求解，了解一維鋒面演化Bugger方程及其譜性質(zhì)與海洋觀測(cè)的聯(lián)系，掌握鋒面遙感觀測(cè)及其在動(dòng)力學(xué)上的意義，以及鋒面附近的次級(jí)環(huán)流的觀測(cè)模擬及其伴隨的生物、化學(xué)過程；

（4）了解表面準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模型的建立和在海洋觀測(cè)中的應(yīng)用，理解表面準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模型和鋒面演化之間的內(nèi)在聯(lián)系，掌握海洋表面地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的能量串級(jí)。

2 啟發(fā)式教學(xué)思維

海洋亞中尺度過程是十分前沿且更新興的領(lǐng)域，主要受到觀測(cè)技術(shù)的限制，但是其動(dòng)力學(xué)理論卻是在早年間就提出的，要讓學(xué)生充分理解和掌握其動(dòng)力理論，通常會(huì)使課程變得乏味，學(xué)生集中力下降，聽課效率不高，這就要求教師授課時(shí)采用的方式方法不能死板單一，應(yīng)有機(jī)融合多種教學(xué)方式，通過啟發(fā)式的教學(xué)方法，提高學(xué)生發(fā)散思維能力。筆者在近期的海洋學(xué)授課過程中嘗試了多種創(chuàng)新性的教學(xué)方法，核心是發(fā)揮學(xué)生自身的能動(dòng)性，讓學(xué)生主動(dòng)挖掘知識(shí)要點(diǎn)，活躍課堂學(xué)習(xí)氣氛。

2.1 親身經(jīng)歷啟發(fā)學(xué)生靈感

在講授海洋次中尺度現(xiàn)象時(shí)，結(jié)合自身實(shí)際，針對(duì)海洋次中尺度渦旋的科研論文，從論文選題出發(fā)，到觀測(cè)現(xiàn)象、挑選數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析處理結(jié)果等一系列展示實(shí)際亞中尺度過程的研究案例，講授當(dāng)時(shí)科研工作中遇到的問題，以及工作結(jié)束之后對(duì)亞中尺度過程產(chǎn)生的新認(rèn)識(shí)和后續(xù)的研究想法，這些都給學(xué)生帶來(lái)了非常好的啟示，極大地增強(qiáng)了他們的科研信心，同時(shí)規(guī)避了照本宣科式的教學(xué)，不讓學(xué)生感到枯燥乏味，開拓了學(xué)生的眼界，激發(fā)了其對(duì)相關(guān)研究領(lǐng)域的科研熱情，進(jìn)而使他們產(chǎn)生成就感，切實(shí)從課程中獲益。

2.2 學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)課堂

在課程中期講述完海洋次溫躍層渦旋的識(shí)別判斷準(zhǔn)則之后，讓學(xué)生自由分組，準(zhǔn)備好Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)以及氣候態(tài)溫鹽資料，讓學(xué)生自己動(dòng)手編程、寫程序，分成不同的小組來(lái)分別識(shí)別和判定不同大洋海區(qū)中亞中尺度次溫躍層渦旋的空間分布。隨后在課堂中，以小組匯報(bào)的形式展示編程程序代碼、渦旋識(shí)別結(jié)果圖像以及對(duì)應(yīng)的海區(qū)次溫躍層渦旋空間分布特征等。其他同學(xué)則擔(dān)任答辯評(píng)委老師的角色，提出在編程、結(jié)果展示和分析方面存在的問題以及建議。一方面，在評(píng)價(jià)他人的小組工作時(shí)，自己會(huì)回顧課程的要點(diǎn)和框架，鞏固對(duì)次中尺度渦旋識(shí)別的認(rèn)識(shí)和記憶；另一方面，組員們根據(jù)成果分析的合理意見會(huì)進(jìn)一步提高自己的編程能力和圖像分析水平，切實(shí)提高研究生階段的科研水平。

3 動(dòng)手能力至關(guān)重要

“海洋亞中尺度過程”這門課程涉及新興科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)前沿，受限于觀測(cè)技術(shù)，鮮有海洋的直接觀測(cè)手段，目前絕大多數(shù)為數(shù)值模擬研究。因此，課程中直接提供給學(xué)生超高時(shí)空分辨率的模式資料，讓學(xué)生基于理論知識(shí)框架選擇自己感興趣的課題，開展一個(gè)關(guān)于亞中尺度過程的小研究，從選題到資料提取再到編程分析、結(jié)果處理形成文字分析報(bào)告，對(duì)于研究生后續(xù)階段的學(xué)習(xí)以及科研興趣的培養(yǎng)十分有利。科研報(bào)告作為課程評(píng)價(jià)的重要部分，學(xué)生在課堂上便可完成，大大提高了研究生的課程復(fù)習(xí)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

前沿的科學(xué)問題亟待形成框架傳授給學(xué)生，但絕對(duì)不能只是理論上的教授，要讓學(xué)生學(xué)會(huì)在科研工作中應(yīng)用，這對(duì)研究生尤為重要，“海洋次中尺度過程”便是這樣一門十分注重實(shí)際應(yīng)用的課程。根據(jù)這門新型課程的特點(diǎn)，給出了“海洋亞中尺度過程”課程啟發(fā)式教學(xué)的創(chuàng)新思維。基于近期的教學(xué)實(shí)踐，在實(shí)施了諸多措施之后，學(xué)生對(duì)“海洋亞中尺度過程”相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)效率以及興趣得到了顯著提高，課程教學(xué)效果得到了明顯的改善，研究生的實(shí)操能力穩(wěn)步提升。