產(chǎn)出導(dǎo)向的物理海洋學(xué)數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)體系

周桂地，馮 濤

（河海大學(xué)海洋學(xué)院 江蘇 南京 210098）

2022年4月，習(xí)近平總書記視察海洋科研單位時強調(diào)，建設(shè)海洋強國是實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重大戰(zhàn)略任務(wù)，要推動海洋科技實現(xiàn)高水平自立自強[1]。為此需要培養(yǎng)具有較高專業(yè)素養(yǎng)的海洋科學(xué)人才，對海洋科學(xué)教學(xué)質(zhì)量提出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]。作為海洋科學(xué)的核心分支學(xué)科之一，物理海洋學(xué)主要關(guān)心海洋環(huán)流、潮汐、波動等海洋物理現(xiàn)象，以及海洋與大氣、陸地、近海工程、海底地形等的相互作用，是一門理論性和實踐性都很強的學(xué)科。物理海洋學(xué)專業(yè)畢業(yè)的本科生除了應(yīng)具有較深厚的理論知識外，還需要具有較強的實踐能力。當(dāng)今正處于海洋科學(xué)蓬勃發(fā)展的時代，各類海洋觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模式數(shù)據(jù)呈幾何式增長。這要求物理海洋學(xué)學(xué)生具備較強的數(shù)據(jù)分析能力，能夠以不斷發(fā)展進步的計算機硬件和軟件為工具，在海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高效率、高水平的數(shù)據(jù)處理、科學(xué)繪圖、數(shù)值計算、理論分析等操作，以便實現(xiàn)信息的篩選、提取、分析，并完成信息的凝練和可視化。

目前，我國多所高校已開設(shè)涉海專業(yè)，海洋科學(xué)本科人才的培養(yǎng)工作正繁榮發(fā)展。然而，根據(jù)部分較有代表性的涉海高校情況判斷，當(dāng)前物理海洋學(xué)專業(yè)本科生的數(shù)據(jù)分析能力仍亟待提高。數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)涉及的主要課程包括計算機程序語言課程與物理海洋學(xué)專業(yè)課程兩類。程序語言類課程的培養(yǎng)目標(biāo)通常為介紹程序語言本身，因此常常傾向于從純粹軟件工程的角度出發(fā)進行教學(xué)，脫離面向本專業(yè)的實際應(yīng)用場景；而專業(yè)課程的培養(yǎng)目標(biāo)為介紹專業(yè)理論知識，關(guān)注對象為海洋現(xiàn)象的物理過程和機制，較少顧及學(xué)生以計算機編程方式實際解決問題的能力，即使教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生此方面能力的欠缺也無暇補救。如此一來，導(dǎo)致學(xué)生熟練運用程序語言解決專業(yè)問題的能力不佳，或者難以將抽象的軟件工程概念與實際海洋數(shù)據(jù)相結(jié)合，因此程序語言與專業(yè)課程的教學(xué)效果都受到影響，對畢業(yè)論文、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等的高水平完成形成障礙，并將培養(yǎng)壓力傳遞至研究生階段。此種現(xiàn)狀反映出本專業(yè)程序語言和數(shù)據(jù)分析方面的教學(xué)結(jié)構(gòu)已難以滿足當(dāng)前需求，需要進行調(diào)整。

教學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)整必然要有一種適當(dāng)?shù)慕逃砟顬槔碚撘罁?jù)，并需要針對本專業(yè)的特點進行深入的教育理論研究和實踐探索。目前海洋科學(xué)的教學(xué)研究已經(jīng)引起各大高校的重視，涌現(xiàn)出了針對不同專業(yè)課程或程序語言課程的教學(xué)方法研究[3-12]，其中產(chǎn)出導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education,OBE）理念近年來引起了高度關(guān)注，已開始在海洋相關(guān)教學(xué)領(lǐng)域取得一些應(yīng)用成果[13-19]，但系統(tǒng)性地將數(shù)據(jù)分析能力在整個學(xué)科的教學(xué)體系中進行設(shè)計的研究仍不多見。OBE的核心思想是 “學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進” ，特別強調(diào)學(xué)習(xí)產(chǎn)出在教育過程中的地位，以達(dá)成預(yù)期的學(xué)習(xí)產(chǎn)出目標(biāo)為動力對教學(xué)結(jié)構(gòu)進行頂層設(shè)計，并通過培養(yǎng)目標(biāo)合理性和達(dá)成度評價等實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整、持續(xù)改進。由于此種教育理念關(guān)注學(xué)生某方面或多方面能力的培養(yǎng)產(chǎn)出，相比傳統(tǒng)的 “教學(xué)為主” 和 “教師為主” 等教學(xué)模式，更有利于幫助學(xué)生建立適應(yīng)新時代發(fā)展的綜合應(yīng)用能力，具有廣泛的應(yīng)用前景。

基于此，本文嘗試提出一種基于OBE理念的物理海洋學(xué)本科生數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)機制，以更有針對性、目的性、系統(tǒng)性的方式進行數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面提高學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力，為國家培養(yǎng)高質(zhì)量的實干型海洋人才。此種教學(xué)模式也可以為其他理工科專業(yè)提供借鑒和參考。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題

河海大學(xué)海洋學(xué)院具有物理海洋學(xué)教學(xué)和科研的優(yōu)良傳統(tǒng)，擁有海洋科學(xué)一級碩士點、博士點和博士后流動站，已構(gòu)建起本科—碩士—博士多層次、完整的人才培養(yǎng)體系。海洋科學(xué)專業(yè)為國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點、江蘇省重點專業(yè)建設(shè)點，海洋科學(xué)學(xué)科入選江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目（二期和三期），物理海洋學(xué)為江蘇省重點建設(shè)學(xué)科。經(jīng)過多年教學(xué)實踐，教學(xué)團隊積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗，取得了豐碩的教學(xué)成果，同時也是開展物理海洋學(xué)教學(xué)改革研究的理想場地。下文以河海大學(xué)為例開展分析。

目前河海大學(xué)海洋科學(xué)專業(yè)本科教學(xué)大綱中的計算機程序語言課程安排如下：一年級階段開設(shè)Python、Fortran、Matlab三門編程語言課程。其中，Matlab語言在本專業(yè)科研實踐中應(yīng)用最廣，是實際上的行業(yè)通用語言[20-29]，也是許多教師在指導(dǎo)畢業(yè)論文和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練時常選擇的語言。Fortran語言曾是主流科學(xué)計算語言，但目前主要用在海洋數(shù)值模擬和預(yù)報等計算量較大、對計算效率要求較高的領(lǐng)域。Python語言雖在其他許多領(lǐng)域已有極為廣泛的應(yīng)用，在本專業(yè)也表現(xiàn)出較強的發(fā)展勢頭[30，31]，但目前尚未成為主流。專業(yè)課程方面，除 “物理海洋學(xué)” 等理論性較強的課程外， “多元統(tǒng)計分析與譜分析” （三年級）、 “計算方法” （二年級）、 “海洋要素分析” （三年級）、 “海洋數(shù)值計算” （四年級）、 “海洋調(diào)查方法” （三年級）等課程著重介紹各種常用數(shù)據(jù)分析方法的原理、思路、實現(xiàn)過程等，要求學(xué)生具有一定的程序語言應(yīng)用能力。據(jù)了解，其他涉海高校的課程編排方案與上述情況類似。這種教學(xué)結(jié)構(gòu)在過去發(fā)揮了積極作用，為物理海洋學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)做出了重要貢獻(xiàn)。

在教學(xué)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)上述課程結(jié)構(gòu)在新時代背景下逐漸表現(xiàn)出如下問題：

①低年級學(xué)生專業(yè)知識背景較弱，因此程序語言課程傾向于僅講授一般性的程序設(shè)計知識，而后續(xù)專業(yè)課程又較少進行呼應(yīng)，導(dǎo)致學(xué)生難以將抽象的軟件工程概念與實際的海洋問題相結(jié)合。例如我們發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生在將多維數(shù)組與海洋四維數(shù)據(jù)對應(yīng)等方面存在困難。此現(xiàn)象也導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)習(xí)程序語言課程的動力不足。

②本專業(yè)所需要的數(shù)據(jù)處理、分析和可視化技能主要依賴Matlab語言課程進行教授，因此此課程需要在較短的課時內(nèi)講授盡量多的知識，并要在問題①的背景下兼顧程序語言基礎(chǔ)知識和本專業(yè)應(yīng)用場景。為滿足專業(yè)課程學(xué)習(xí)的要求，還需要給學(xué)生提供專業(yè)應(yīng)用場景的練習(xí)機會，導(dǎo)致課程節(jié)奏較快，有些學(xué)生難以跟上，甚至形成畏懼心理。

③操作性較強的專業(yè)課程教學(xué)過程中往往有用編寫程序的方法演練所學(xué)的數(shù)據(jù)分析方法的需求，理論性較強的專業(yè)課程也可得益于用計算機程序輔助理解數(shù)學(xué)和物理現(xiàn)象，但此種需求常與學(xué)生程序語言應(yīng)用能力較弱的問題形成矛盾。由于課時限制、缺少規(guī)劃等原因，專業(yè)課程較少對程序設(shè)計知識進行呼應(yīng)和強化。

總而言之，目前存在程序語言課程缺乏應(yīng)用場景、專業(yè)課程與程序語言課程呼應(yīng)不足等問題。我們認(rèn)為通過OBE模式引入更加明確的數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上對培養(yǎng)過程進行合理的統(tǒng)籌設(shè)計，將有助于解決上述問題。

2 產(chǎn)出導(dǎo)向的數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)體系

在OBE理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)過程中總結(jié)的經(jīng)驗，我們提出了適用于物理海洋學(xué)專業(yè)本科生數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)體系，并進行了初步應(yīng)用。下面介紹該體系的設(shè)計思想和實現(xiàn)樣例。

本體系的整體思路是按照OBE的原則，梳理本專業(yè)科研和應(yīng)用實踐中所需要的重點數(shù)據(jù)分析技能，建立明確的數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)目標(biāo)庫，將之合理分配到各學(xué)期、各程序語言課程和專業(yè)課程中，各門課程根據(jù)自身特點有效實現(xiàn)對不同培養(yǎng)目標(biāo)的支撐，總體上實現(xiàn)對培養(yǎng)目標(biāo)庫的全面合理覆蓋，建立程序語言課程和專業(yè)課程有機溝通和統(tǒng)一設(shè)計的有效方式，并建立培養(yǎng)目標(biāo)合理性和達(dá)成度評價機制。具體實現(xiàn)包括以下三個方面：

2.1 數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)目標(biāo)庫的建立

研究確定本專業(yè)畢業(yè)生需要具備的數(shù)據(jù)分析能力，分等級形成培養(yǎng)目標(biāo)庫。經(jīng)考慮，可初步將數(shù)據(jù)分析技能分為語言、數(shù)據(jù)、圖形三類，各類再分基礎(chǔ)和高級兩個等級，歸納于表1。其中，語言類主要涉及程序設(shè)計語言的熟練運用，是數(shù)據(jù)和圖形類的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)類主要進行實際海洋數(shù)據(jù)的處理和分析，是圖形類的基礎(chǔ)；圖形類是指使用程序語言和工具軟件進行數(shù)據(jù)可視化和信息凝練的能力，數(shù)據(jù)和圖形類是語言類的綜合應(yīng)用。

表1 物理海洋學(xué)本科畢業(yè)生數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)目標(biāo)庫示例

培養(yǎng)目標(biāo)庫是整個體系的核心，需要本學(xué)科各課程教學(xué)團隊共同討論，根據(jù)學(xué)生后續(xù)工作或深造過程中常用的技能進行篩選，經(jīng)商討確定試行方案，并不斷根據(jù)實際情況進行修正。根據(jù)這些目標(biāo)點可以進一步形成細(xì)化的知識指標(biāo)點，使之更加具體，也更容易落實。目標(biāo)庫的建立可以幫助教師明確各自課程在數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)體系中的角色和承擔(dān)的任務(wù)，有利于有的放矢地安排教學(xué)進程，并引導(dǎo)學(xué)生有目的、有重點地學(xué)習(xí)，用更加具體的手段判斷學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)進度。也能夠幫助學(xué)生了解自己應(yīng)具備的素質(zhì)和能力，利用教師提供的資料或自己尋找的資料鍛煉相應(yīng)的能力，提升學(xué)習(xí)積極性。

2.2 數(shù)據(jù)處理能力相關(guān)課程體系的建立

在培養(yǎng)目標(biāo)庫的基礎(chǔ)上，建立體現(xiàn)OBE理念的課程體系，使之支撐培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。按照程序語言課程和專業(yè)課程兩類分別進行調(diào)整，形成課程體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方案。

程序語言課程方面，目前初步設(shè)計為將Python作為先導(dǎo)課，進行基本程序設(shè)計理念和語法的鋪墊，減輕后續(xù)Matlab課程的課時壓力，同時也為學(xué)生將來選擇Python這一發(fā)展迅猛的語言打下基礎(chǔ)；以Matlab為數(shù)據(jù)分析基本技能主干課程，在已有Python語言進行鋪墊的情況下，介紹兩種語言在基礎(chǔ)語法方面的差異，重點講授高級編程、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析和可視化技能，并以閱讀材料、擴展思考題、選做大作業(yè)等靈活的形式為有興趣的學(xué)生提供高級技能的學(xué)習(xí)機會；試驗將Fortran語言的修讀方式改為選修，供學(xué)有余力或已初步明確未來主攻方向的學(xué)生按需學(xué)習(xí)。另外，在程序語言課程中有意識地整理出可以與本專業(yè)特點相結(jié)合的知識點，在講解過程中注意向?qū)W生介紹知識點在海洋學(xué)中的應(yīng)用場景，幫助學(xué)生建立抽象程序設(shè)計概念與實際海洋現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、變化特征等的聯(lián)系。這要求程序語言課程全面梳理教學(xué)大綱，并與專業(yè)課程授課教師協(xié)商，重新安排教學(xué)流程，形成體現(xiàn)專業(yè)應(yīng)用場景的講義和練習(xí)題、作業(yè)題、考試題庫。

專業(yè)課程方面，研究形成適用于數(shù)據(jù)分析技能強化和提高的專業(yè)課程清單，并確定各課程支撐的數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)目標(biāo)點，實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的全面合理覆蓋。研究確定各課程支撐培養(yǎng)目標(biāo)點的具體方案，包括何時、以何種方式支撐哪個/些目標(biāo)點，相應(yīng)調(diào)整課程的教學(xué)大綱，設(shè)計教學(xué)案例。目前我們初步選擇了 “多元統(tǒng)計分析與譜分析” “計算方法” “海洋要素分析” 三門實踐性和技能性較強的課程進行試點，后續(xù)將考慮引入 “海洋科學(xué)導(dǎo)論” “物理海洋學(xué)” “海洋波動” 等理論性較強的課程。各課程授課教師商討形成各課程支撐目標(biāo)點的矩陣，見表2的示例，并隨教學(xué)實踐情況動態(tài)調(diào)整。專業(yè)課程教師要針對本課程特點，重新梳理知識點，構(gòu)思如何引入以編程方式解決問題的實操機會，其中可以鞏固和練習(xí)程序語言課程中學(xué)過的知識點，形成擴充的思考題和作業(yè)題庫，并相應(yīng)地調(diào)整和更新考試題庫。

表2 課程支撐目標(biāo)點矩陣示例

上述兩類課程對培養(yǎng)目標(biāo)的支撐除了體現(xiàn)在日常教學(xué)中外，還應(yīng)該反映在課程考核方式的調(diào)整優(yōu)化上。基于OBE理念，將考試題庫中的題目明確對應(yīng)至培養(yǎng)目標(biāo)庫中的一個或多個目標(biāo)點，根據(jù)目標(biāo)點覆蓋情況合理調(diào)整或更新試卷內(nèi)容和形式，考試結(jié)束后根據(jù)各目標(biāo)點的得分評價學(xué)生的目標(biāo)達(dá)成情況并制訂下一教學(xué)周期的調(diào)整方向。

通過上述以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向的課程體系設(shè)計，任課教師可以明確本門課程在數(shù)據(jù)分析能力方面的培養(yǎng)目標(biāo)，并據(jù)此設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核形式等；學(xué)生也可以了解課程的定位和學(xué)習(xí)目標(biāo)，并根據(jù)自己的強弱項規(guī)劃學(xué)習(xí)進程。這一方面對教師的教學(xué)設(shè)計提出了更高的要求，另一方面也有助于形成良好的課堂氛圍、建立生動的教學(xué)形式，并以直觀的形式加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，提高程序語言和專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量。此過程還將直接推動課程教學(xué)大綱的完善，有助于擴充講義和題庫等材料，使數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)過程更加豐富立體。本體系的基本結(jié)構(gòu)可歸納為圖1。

圖1 產(chǎn)出導(dǎo)向的物理海洋學(xué)數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)體系示意

2.3 評價指標(biāo)和調(diào)整機制

為實現(xiàn)新培養(yǎng)體系的不斷優(yōu)化，需要建立培養(yǎng)目標(biāo)合理性和達(dá)成度評價指標(biāo)體系和動態(tài)調(diào)整機制，這也是OBE理念的重要組成部分。可設(shè)置3―4個學(xué)年或更長時間為試驗期，通過對教學(xué)過程和教學(xué)效果進行檢驗，發(fā)現(xiàn)問題并及時調(diào)整。預(yù)先設(shè)計各個階段的評價指標(biāo)，采用期中和期末成績分析、畢業(yè)生平均成績和最高最低成績分析、學(xué)生訪談問卷、畢業(yè)論文指導(dǎo)老師調(diào)查問卷、研究生導(dǎo)師調(diào)查問卷、用人單位調(diào)查問卷等方式，采用量化的客觀打分指標(biāo)評估新方案的合理性，及其對數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)效果的提升程度。本體系的預(yù)期效果是經(jīng)過整個大學(xué)期間有規(guī)劃的培養(yǎng)，數(shù)據(jù)分析能力的提升應(yīng)該在學(xué)生高年級或臨近畢業(yè)時體現(xiàn)最為明顯，但有些效果可能要到就業(yè)或研究生期間才能表現(xiàn)出來，因此需要建立長效的整體評價機制。當(dāng)然，在我們的初步試點中發(fā)現(xiàn)新體系在單門課程的教學(xué)中也可起到正面作用。

參與本體系的程序語言課程與專業(yè)課程之間的溝通和協(xié)調(diào)機制也是十分重要的。可在系或教研室的層面建立海洋科學(xué)數(shù)據(jù)分析技能相關(guān)課程討論組，將各程序語言課程和專業(yè)課程授課教師納入在內(nèi)。先導(dǎo)課程任課教師可根據(jù)實際授課情況提醒后續(xù)課程應(yīng)注意加強哪些薄弱環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，而后續(xù)課程任課教師需要留意教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的需要強化的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，將之反饋給先導(dǎo)課程。藉此方式可以實現(xiàn)體系的調(diào)整優(yōu)化，在建立初期可發(fā)揮較大的效果；也便于因材施教，根據(jù)授課班級的特點動態(tài)調(diào)整教學(xué)工作重點。

3 總結(jié)

新時代海洋強國事業(yè)對物理海洋學(xué)本科生數(shù)據(jù)分析技能的培養(yǎng)提出了新的要求[2]。本文總結(jié)了物理海洋學(xué)專業(yè)本科生數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)的現(xiàn)狀和存在的問題，并引入產(chǎn)出導(dǎo)向的教育（OBE）理念，指出在明確的培養(yǎng)目標(biāo)驅(qū)動下調(diào)整數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)規(guī)劃的必要性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實踐中的經(jīng)驗和思考，本文提出了建立符合OBE理念的數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)體系的思路和方法，并給出了初步嘗試示例。其中的創(chuàng)新點是圍繞物理海洋學(xué)專業(yè)畢業(yè)生需要具備的數(shù)據(jù)分析技能開展課程體系設(shè)計，填補當(dāng)前此方面培養(yǎng)規(guī)劃上的空白，并改變程序語言課程和專業(yè)課程相互孤立的現(xiàn)狀，將二者進行統(tǒng)一設(shè)計，提高學(xué)生應(yīng)用計算機程序工具進行專業(yè)實操的能力。

當(dāng)前海洋科學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量仍有較大提升空間，需要海洋科學(xué)領(lǐng)域教師積極思考，厘清問題，勇于探索新思路新方法。本文針對本專業(yè)本科生數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)模式進行了積極探索，所提出的產(chǎn)出導(dǎo)向型教學(xué)體系旨在引起海洋學(xué)教學(xué)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)模式的重視，將之上升到系統(tǒng)性規(guī)劃的層次進行統(tǒng)籌安排，以期大幅提升海洋科學(xué)學(xué)生數(shù)據(jù)分析實踐能力，并輔助提高對專業(yè)理論知識的理解。經(jīng)過更有針對性和系統(tǒng)性的訓(xùn)練，將為國家輸送更多訓(xùn)練有素的實干型青年海洋科學(xué)工作者，為實現(xiàn)海洋強國貢獻(xiàn)力量。