“海洋數(shù)值模式及應(yīng)用”的教學(xué)改革研究

梁朋 楊麗娜

[摘 要] 作為海洋科學(xué)專業(yè)的核心課程之一，“海洋數(shù)值模式及應(yīng)用”課程開設(shè)的目的是讓學(xué)生掌握設(shè)計和使用海洋數(shù)值模式的技能，課程既注重理論知識的教授，又注重應(yīng)用能力的培養(yǎng)，旨在為“海洋強國”策略提供綜合型的海洋人才。基于實際的教學(xué)經(jīng)歷，指出了在授課過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題，并針對所指出的問題制定了相應(yīng)的教學(xué)改革方案，在完善課程體系的同時，增加了課程的趣味性，從而有效地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，更好地完成課程的教學(xué)目標(biāo)，為綜合型海洋人才的培養(yǎng)提供了一些的建議。

[關(guān)鍵詞] 海洋數(shù)值模式及應(yīng)用;教學(xué)改革;綜合型海洋人才

[基金項目] 2018—2020年國家自然科學(xué)基金青年基金（41706033）;2020—2021年國家自然科學(xué)基金青年基金（42006023）;2020—2023年廣東海洋大學(xué)科研啟動經(jīng)費資助項目（R20020;R20023）

[作者簡介] 梁 朋（1988—），男，山東煙臺人，博士，廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院講師，主要從事物理海洋學(xué)研究;楊麗娜（1988—），女，山東煙臺人，博士，廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院講師（通信作者），主要從事物理海洋學(xué)研究。

[文章編號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）20-0061-04 [收稿日期] 2021-11-19

前言

作為一個海洋大國，我國擁有18000多千米的海岸線，130多萬平方千米的大陸架以及470多萬平方千米的內(nèi)海和領(lǐng)海。廣闊而富饒的海域為我國帶來的豐富的海洋資源和巨大的經(jīng)濟效益，在進入21世紀(jì)——海洋世紀(jì)之后，我國的海洋經(jīng)濟得到了迅猛發(fā)展，海洋經(jīng)濟生產(chǎn)總值由2001年的9518.4億元迅速增加到2019年的9萬多億元，海洋經(jīng)濟在我國尤其是沿海地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展以及國民生活水平的提高中起著日趨重要的作用[1]。近幾十年來，隨著海洋數(shù)值預(yù)報技術(shù)的迅速發(fā)展和完善，海洋數(shù)值模式在定量地評估和預(yù)測我國近海的海洋動力環(huán)境以及海嘯、巨浪、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害中起著不可替代的作用[2-4]，數(shù)值模式在為我國海洋工程和海洋作業(yè)的安全以及海洋經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展提供了有力技術(shù)保障的同時，也為我國的海洋科學(xué)研究提供了更加經(jīng)濟而且有效的手段。

“海洋數(shù)值模式及應(yīng)用”課程強調(diào)理論與實踐并重，課程內(nèi)容主要涉及海洋數(shù)值差分算法，不同差分算法的相容性、穩(wěn)定性、收斂性的推導(dǎo)證明，經(jīng)典海洋動力數(shù)值模式的介紹和應(yīng)用，新型基于人工智能方法的統(tǒng)計數(shù)值模型建立的原理和方法等方面。隨著近些年來海洋數(shù)值模式在海洋科學(xué)研究、海洋工程設(shè)計、海洋功能區(qū)劃、海洋生態(tài)環(huán)境保護、海上搜救以及防災(zāi)減災(zāi)中應(yīng)用的日趨廣泛，海洋數(shù)值模式的設(shè)計、調(diào)試、運行以及數(shù)據(jù)后處理逐漸成為海洋科學(xué)專業(yè)畢業(yè)生必須掌握的核心技能之一，因此，“海洋數(shù)值模式及應(yīng)用”課程也逐漸成為海洋科學(xué)本科人才培養(yǎng)中不可或缺的一環(huán)。本文將依據(jù)為海洋科學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的“海洋數(shù)值模式及應(yīng)用”的課程現(xiàn)狀，以培養(yǎng)綜合實用型海洋人才為目的，列舉在實際授課過程中遇到的問題，并探討解決這些問題的教學(xué)改革方法，以期增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生掌握海洋數(shù)值模式相關(guān)的理論知識，提高學(xué)生的數(shù)值模式應(yīng)用能力。

一、教學(xué)中遇到的問題

廣東海洋大學(xué)在大三下學(xué)期為海洋科學(xué)專業(yè)的本科生開設(shè)了“海洋數(shù)值模式及應(yīng)用”的必修課，這門課程作為專業(yè)核心課程，共40個學(xué)時，其中理論課32個學(xué)時，實踐課8個學(xué)時。在為海洋科學(xué)專業(yè)學(xué)生的實際授課過程中，發(fā)現(xiàn)了以下的問題。

1.學(xué)生相關(guān)知識儲備不足，不能熟練地交叉使用不同學(xué)科已有知識。課程為數(shù)學(xué)、物理、海洋科學(xué)和計算機多學(xué)科交叉課程，所涉及的知識點雜而且多，對學(xué)生知識面的廣度和深度都有一定的要求。大三下學(xué)期的學(xué)生雖然經(jīng)過了兩年半的專業(yè)訓(xùn)練，但部分基礎(chǔ)不好的學(xué)生對基礎(chǔ)知識掌握不牢，理解不深刻，與此同時，一部分基礎(chǔ)較好的學(xué)生，無法突破學(xué)科間壁壘，做到多學(xué)科知識交叉運用，這就使得課程知識點難度超出了學(xué)生能夠接受的范圍。

2.學(xué)生對于理論課內(nèi)容缺乏興趣，對于掌握課程中的難點缺乏自信心和鉆研的精神。這種興趣的缺乏主要是由兩種因素導(dǎo)致的：第一，理論課內(nèi)容晦澀抽象，牽扯的復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，課程中長段的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，讓很多學(xué)生感覺難以下手，這打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性;第二，海洋數(shù)值模式的理論課程與其他的海洋科學(xué)專業(yè)課相關(guān)性不大，學(xué)生很容易錯誤地以為本課程對提高自己的專業(yè)技能幫助不大。

3.已有的課程相關(guān)教材編制時間較早，教材內(nèi)容缺乏最新的海洋數(shù)值模式研究進展，教材中涉及的方法與當(dāng)前最新的研究方法脫鉤。尤其是進入21世紀(jì)后，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，海洋數(shù)值模式已經(jīng)突破了基于海水運動基本方程建立的傳統(tǒng)動力數(shù)值模式的概念，在許多關(guān)乎民生的重要研究領(lǐng)域（如厄爾尼諾、南方濤動、海洋內(nèi)波和海浪等），基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)建立的新型統(tǒng)計數(shù)值模型的預(yù)報精度和預(yù)報速度已經(jīng)明顯超過了傳統(tǒng)的動力數(shù)值模型，大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)已經(jīng)成為建立新型海洋數(shù)值模式不可或缺的手段[5-7]，該領(lǐng)域也成為繼海洋動力模型后海洋數(shù)值模式的又一重要領(lǐng)域。然而，當(dāng)前主流的海洋數(shù)值模式教材只包含了建立傳統(tǒng)動力數(shù)值模式的相關(guān)知識，并未涉及大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，無法適應(yīng)當(dāng)前海洋科學(xué)研究的新需求[8，9]。

4.課程的實踐課學(xué)時嚴(yán)重不足。本課程教學(xué)的最終目的是讓學(xué)生掌握設(shè)計、調(diào)試以及使用海洋數(shù)值模式的技能，讓學(xué)生在完成本課程的學(xué)習(xí)之后可以在科學(xué)研究、業(yè)務(wù)化預(yù)報和環(huán)境評估等不同的應(yīng)用場景中，依據(jù)實際情況，自主完成模式輸入文件的制備、模式相關(guān)數(shù)值實驗設(shè)計、模式參數(shù)修改、模式調(diào)試和運行以及模式輸出文件的后處理和可視化等工作，然而僅僅利用8個學(xué)時的實踐課程，學(xué)生無法系統(tǒng)地完成所有相關(guān)環(huán)節(jié)，很難對海洋數(shù)值模式的設(shè)計和實際應(yīng)用過程中可能碰到的各種細節(jié)問題有全面的了解，這就造成了很多學(xué)生在完成了課程學(xué)習(xí)后，理論強，實踐弱，眼高手低等諸多問題。

二、教學(xué)改革思路

針對在“海洋數(shù)值模式及應(yīng)用”課程教學(xué)過程中遇到的諸多問題，在教學(xué)實踐中提出如下的教學(xué)改革建議。

1.針對學(xué)生相關(guān)知識儲備不足，無法熟練地交叉使用多學(xué)科儲備知識的問題。在課程開始前，制作預(yù)習(xí)課件，并分發(fā)給學(xué)生，在預(yù)習(xí)課件中分列下節(jié)課內(nèi)容所需要的知識儲備，并制作思維導(dǎo)圖，闡明所涉及知識點之間的相關(guān)關(guān)系以及各知識點與授課內(nèi)容的關(guān)系，讓學(xué)生提前復(fù)習(xí)并熟悉相關(guān)知識點，建立不同知識點之間的聯(lián)系。成立課下學(xué)習(xí)小組，在教學(xué)開始前，由小組長組織討論，討論時組員可以發(fā)揮各自所長，整理不同學(xué)科的相關(guān)知識點，并匯總討論，這樣更有利于學(xué)生提前了解學(xué)科間知識點的內(nèi)部聯(lián)系，使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)時，能夠抓住主線，交叉運用不同學(xué)科的已有知識，解決課堂學(xué)習(xí)中遇到的問題。在設(shè)計授課課件時，將重要的相關(guān)知識儲備的具體內(nèi)容列于授課課件的第一部分，在授課時將之詳細講授強化理解后，再開始講授課程內(nèi)容。例如，在講授差分方法的推導(dǎo)前，將泰勒展開、偏導(dǎo)數(shù)的數(shù)學(xué)意義、偏微分方程的解析求解方法、平流方程和擴散方程的物理意義等以知識點的形式列于預(yù)習(xí)課件中，通過小組討論的方法提前復(fù)習(xí)相關(guān)知識點并建立知識點之間的聯(lián)系;在講授時，將最為重要的泰勒展開的詳細內(nèi)容列于授課課件中，在將之作為授課的第一部分進行講授，通過這樣的課程設(shè)計明顯降低了學(xué)生對差分方法的學(xué)習(xí)難度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.針對學(xué)生缺乏理論課學(xué)習(xí)興趣的問題。第一，依據(jù)本科教學(xué)需求，篩選教材中所涉及的內(nèi)容，適當(dāng)降低課程難度，去除不必要的復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)。第二，對于必須教授的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在講解的時候應(yīng)盡量運用直觀的手段進行輔助教學(xué)。例如，在推導(dǎo)不同的差分格式時，可以運用數(shù)形結(jié)合的方法，在課件中繪制差分網(wǎng)格的空間分布，并結(jié)合梯度的圖形定義，將抽象的差分方法用簡潔的圖形進行直觀的展示，這樣學(xué)生就能在理解的基礎(chǔ)上進行推導(dǎo)，從而使得學(xué)生建立自信心，提高學(xué)生理論課學(xué)習(xí)的興趣。第三，在講述理論知識時，要注重與本專業(yè)其他的專業(yè)課內(nèi)容相結(jié)合，體現(xiàn)出海洋數(shù)值模式理論課程在本專業(yè)研究中的重要性。例如，在講授差分理論時，可以將之與學(xué)生之前學(xué)習(xí)過的地轉(zhuǎn)流理論相結(jié)合，講解如何利用差分理論求解海洋內(nèi)部地轉(zhuǎn)流，這樣既深化了學(xué)生對于差分理論的理解，又讓學(xué)生體會到了學(xué)習(xí)差分理論知識可以實際解決很多專業(yè)問題，在實踐中理解理論的同時，也提升了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。第四，在理論課程授課時，適當(dāng)加入相關(guān)理論的實際應(yīng)用，增加理論課學(xué)習(xí)的趣味性。例如，在講述平流擴散方程的差分方法時，聯(lián)系到海水中塑料垃圾顆粒運動軌跡的追蹤預(yù)報正是運用了平流擴散方程的差分求解，讓同學(xué)們了解差分理論在實際生活中的重要應(yīng)用，從而更進一步地激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性。

3.對于教材內(nèi)容陳舊，缺乏海洋數(shù)值模式領(lǐng)域最新研究進展的問題。第一，跟進相關(guān)領(lǐng)域的最新文獻，整理并篩選相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果，在篩選成果時，研究領(lǐng)域要盡量貼近學(xué)生的日常生活以及之前專業(yè)課中接觸過的相關(guān)內(nèi)容。然后，將篩選得到的成果，以圖文的形式添加到授課課件中，在講授時，用描述性的語言，讓學(xué)生對最新的研究成果有所了解。例如，我校地處廣東湛江，夏秋季節(jié)遭受臺風(fēng)災(zāi)害頻繁，因此，在授課過程中加入了一些海洋數(shù)值模式在臺風(fēng)預(yù)報領(lǐng)域中的最新研究成果[10]，這樣既能讓學(xué)生了解到相關(guān)領(lǐng)域的最新研究進展，又能讓學(xué)生直觀地體會到所學(xué)知識在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用。第二，廣泛調(diào)研，選擇本科生接受范圍內(nèi)的最新研究方法，并將之引入到授課內(nèi)容中。例如，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，最近幾年人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法成功應(yīng)用于諸多領(lǐng)域海洋數(shù)值模式設(shè)計，其原理簡單易懂，不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而且應(yīng)用場景廣泛，所涉及軟件可視化程度高，容易操作，理論和實際操作難度完全在本科生接受范圍之內(nèi)。

4.對于實踐課程課時不足的問題。第一，在實踐課的課堂上，挑選最具有代表性、最能提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力的實踐案例作為實踐課程的內(nèi)容，以點帶面，利用有限的課堂時間，讓學(xué)生熟悉使用海洋數(shù)值模式的普遍操作過程，即數(shù)值實驗設(shè)計——制作模型輸入文件——模型調(diào)試與運行——模式輸出文件處理的操作過程。例如，在時間教學(xué)過程中，選取了代碼簡短，操作簡單，在海洋科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的1.5層約化重力模型，以模擬西北太平洋上層環(huán)流的典型案例為例，詳細演示了完成一次完整數(shù)值實驗的整個操作過程，給同學(xué)們建立了使用數(shù)值模式解決專業(yè)問題的思維模式。這樣在有限的實踐課時中，讓同學(xué)們切身體驗了一次完整運行模式的過程，用簡單模型的案例為復(fù)雜模型的使用打下了基礎(chǔ)。第二，通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生在課下完成更多的實踐內(nèi)容，通過平時的實踐，尋找自身的問題，并在課上進行點評和答疑。例如，在完成1.5層約化重力模式的課上演示教學(xué)之后，為學(xué)生們布置了修改模擬區(qū)域，修改模擬時間，修改科氏參量和修改約化重力參數(shù)四組數(shù)值實驗，同學(xué)們分組在課下獨立完成，以大作業(yè)的形式提交數(shù)值實驗結(jié)果。

結(jié)語

本文主要對“海洋數(shù)值模式及應(yīng)用”的理論和實踐課程教學(xué)中遇到的問題進行了梳理，并針對問題提出了相應(yīng)的教學(xué)改革思路。教改思路要求根據(jù)授課內(nèi)容有完整而合理課程設(shè)計，設(shè)計方案貫穿整個教學(xué)過程，用課程設(shè)計來降低交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)難度;教學(xué)手段進一步豐富，課前預(yù)習(xí)、課堂講授與課后實踐相結(jié)合，同時理論課內(nèi)容緊密聯(lián)系專業(yè)實際和生活實際，突出理論課的重要性，提高理論課的趣味性;合理篩選教材章節(jié)，多種教材綜合使用，將不同教材內(nèi)容進行有機整合，完善課程體系，緊跟學(xué)術(shù)前沿，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;重視實踐能力，課堂教學(xué)合理選取授課案例，利用翻轉(zhuǎn)課堂等方法，解決實踐課課時不足的問題。

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Research on Teaching Reform of Ocean Numerical Model and Its Application

LIANG Peng， YANG Li-na

（College of Ocean and Meteorology， Guangdong Ocean University， Zhanjiang，

Guangdong 524088， China）

Abstract： As the one of the core courses of the marine science major， Ocean Numerical Model and Its Application is set forth to teach the students how to design and apply the ocean numerical model. The teaching of this course focuses on both theory and application of the ocean numerical model to aim at providing comprehensive talents for China’s maritime power and strategy. Based on the real teaching experience， problems in teaching of this course are pointed out， and the corresponding plans of teaching reform are made and applied in the process of teaching. These teaching reforms consummate the contents of the course and make this course more interesting， which motivates the students’ enthusiasm and increases their effective study. The exploration and application of teaching reforms contribute to achieving the goal of this course and some proposals for training comprehensive talents of oceanography are put forward.

Key words： Ocean Numerical Model and Its Application; teaching reform; comprehensive talents of oceanography