海洋工程類研究生數(shù)據(jù)分析方法的教學(xué)研究

馬玉祥，唐鳴夫，董國(guó)海

（1.大連理工大學(xué) a.港航與海洋工程學(xué)院；b.建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026）

引言

我國(guó)是海洋大國(guó)，從渤海、黃海、東海到南海，海域總面積超470萬平方千米，大陸岸線長(zhǎng)達(dá)1.8萬多千米，海域分布有1.1萬多個(gè)島嶼。隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的推進(jìn)，海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及我國(guó)對(duì)外貿(mào)易、能源供應(yīng)、海洋資源開發(fā)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等都與海洋密切相關(guān)，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)是中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)的重要組成部分。要想實(shí)現(xiàn)我國(guó)由“海洋大國(guó)”向“海洋強(qiáng)國(guó)”的跨越，就一定要堅(jiān)持創(chuàng)新是第一動(dòng)力，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)。涉海專業(yè)研究生作為未來海洋領(lǐng)域科技創(chuàng)新的接班人和生力軍，在高校教學(xué)過程中培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力、堅(jiān)定創(chuàng)新自信，是我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略成功實(shí)施的重要保障。

海洋工程與陸上工程不同，一方面，海洋工程結(jié)構(gòu)面臨著復(fù)雜、多變的海洋水動(dòng)力環(huán)境；另一方面，海洋工程結(jié)構(gòu)自身具有的柔性、漂浮等特點(diǎn)，導(dǎo)致海洋工程中的數(shù)據(jù)信號(hào)具有極強(qiáng)的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性［1］。此外，當(dāng)前海洋工程正面臨著向集約型、智慧型轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)刻，海洋工程數(shù)據(jù)分析技術(shù)是該過程的重要基礎(chǔ)。海洋工程數(shù)據(jù)分析作為構(gòu)建我國(guó)海洋工程信息庫的重要組成部分，是提升經(jīng)略海洋能力、實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)共享以及挖掘海洋產(chǎn)業(yè)新需求的重要基礎(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)分析能力成為目前海洋領(lǐng)域?qū)I(yè)人才能力進(jìn)階所需的必要知識(shí)技術(shù)，數(shù)據(jù)分析思維也是新時(shí)代海工領(lǐng)域人才必備的基本素質(zhì)。然而，筆者在多年教學(xué)和科研實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)幾乎沒有與海洋工程數(shù)據(jù)分析相關(guān)的研究生課程和教材，而且涉及海洋工程的課程也十分有限，這就造成海洋工程研究方向的學(xué)生往往對(duì)海洋工程數(shù)據(jù)概念認(rèn)識(shí)不清，海洋工程數(shù)據(jù)分析方法使用訓(xùn)練不足，大大限制了學(xué)生的工程實(shí)踐能力及科學(xué)創(chuàng)新能力。基于上述原因，在“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”國(guó)家戰(zhàn)略和全球數(shù)據(jù)化浪潮的背景下，需要充分發(fā)揮課堂育人的主渠道作用，以“海洋工程數(shù)據(jù)新方法”課程為抓手，既要通過知識(shí)傳授培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力、結(jié)合工程實(shí)踐案例及行業(yè)需求為學(xué)生樹立正確的科學(xué)創(chuàng)新精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)踐研究態(tài)度，也要通過講授海洋工程數(shù)據(jù)方法的歷史發(fā)展及老一輩中國(guó)人的杰出貢獻(xiàn)，將課程思政有機(jī)融入專業(yè)教學(xué)，堅(jiān)定學(xué)生科技創(chuàng)新的自信心，加強(qiáng)學(xué)生社會(huì)主義核心價(jià)值觀的培養(yǎng)，樹立學(xué)生中華民族偉大復(fù)興的責(zé)任感和使命感。

海洋工程類研究生“海洋工程數(shù)據(jù)新方法”課程內(nèi)容涉及多種數(shù)據(jù)分析方法，具有顯著的工程應(yīng)用意義，有助于提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析思維。但該課程存在一些問題，例如課程主要目標(biāo)為知識(shí)傳授，忽視了對(duì)學(xué)生思維能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，課堂教學(xué)中學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)不強(qiáng)、分析思維缺乏、動(dòng)手能力弱，課程內(nèi)容的連貫性和吸引力不強(qiáng)，教師和學(xué)生缺乏有效互動(dòng)，評(píng)價(jià)方式單一，等等［2］。基于存在的問題，對(duì)該課程進(jìn)行了教學(xué)改革探索與實(shí)踐，通過重新設(shè)計(jì)課程內(nèi)容、設(shè)置開放性課題和采用“課上+課下”混合式教學(xué)等方式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和課程參與度，將學(xué)習(xí)從課內(nèi)延伸到課外，突破了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，使學(xué)生產(chǎn)生了較好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果。

一、“海洋工程數(shù)據(jù)新方法”課程現(xiàn)狀

“海洋工程數(shù)據(jù)新方法”課程內(nèi)容主要分為以下四個(gè)模塊：一是課程綜述和數(shù)據(jù)分析思維模塊。該模塊系統(tǒng)地介紹課程涉及的基本理論和核心概念。重點(diǎn)向?qū)W生介紹數(shù)據(jù)分析思維（分析目的、分析內(nèi)涵和分析思路）的重要性以及數(shù)據(jù)分析的步驟和作用。二是分析方法解析模塊。本模塊是課程內(nèi)容主體，對(duì)包括Fourier變換、Hilbert變換、小波變換等一系列重要的數(shù)據(jù)分析方法做了詳細(xì)全面的介紹，包括這些方法的概念、由來、推導(dǎo)、應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)等。三是綜合拓展模塊。該模塊旨在讓學(xué)生了解領(lǐng)域內(nèi)綜合使用基本數(shù)據(jù)分析方法知識(shí)，結(jié)合實(shí)際問題融合創(chuàng)新的成果。四是實(shí)踐應(yīng)用模塊。針對(duì)具體的科研或工程項(xiàng)目，在項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)、預(yù)期目標(biāo)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和呈現(xiàn)等多個(gè)流程，綜合使用本課程講授內(nèi)容。

隨著國(guó)內(nèi)高校大學(xué)生隊(duì)伍的快速壯大，高等教育正從“精英式”向“規(guī)模化”轉(zhuǎn)變，使得目前國(guó)內(nèi)各專業(yè)課程教育教學(xué)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)涉海專業(yè)開設(shè)的“海洋工程數(shù)據(jù)新方法”課程存在明顯短板，具體問題如下。

一是國(guó)內(nèi)開設(shè)海洋工程相關(guān)研究生專業(yè)方向的高校中，在研究生課程設(shè)置方面主要側(cè)重于“波浪理論”“流體力學(xué)”“波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用”等專業(yè)基礎(chǔ)課程，而與海洋工程數(shù)據(jù)分析相關(guān)的研究生課程和教材幾乎沒有。

二是國(guó)內(nèi)海洋工程本科生的培養(yǎng)大多依托于“船舶與海洋工程”一級(jí)學(xué)科，培養(yǎng)計(jì)劃一般針對(duì)“船舶”結(jié)構(gòu)對(duì)象，涉及“海洋工程”的課程十分有限。

三是國(guó)內(nèi)涉海類高校在專業(yè)課講授過程中過于側(cè)重于知識(shí)內(nèi)容的傳達(dá)和灌輸，對(duì)于國(guó)內(nèi)海工行業(yè)背景和現(xiàn)狀、海工前沿技術(shù)及目前海工結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中存在的“卡脖子”問題等方面說明較少，這樣的傳統(tǒng)教學(xué)模式對(duì)于專業(yè)學(xué)生的職業(yè)操守和行為規(guī)范培養(yǎng)、行業(yè)正確價(jià)值觀引領(lǐng)、民族和行業(yè)的自豪感提升程度明顯不足。

上述問題造成目前國(guó)內(nèi)海洋工程研究方向的學(xué)生往往對(duì)海洋工程數(shù)據(jù)概念認(rèn)識(shí)不清，海洋工程數(shù)據(jù)分析方法使用的訓(xùn)練不足，而這樣的缺陷使得涉海類高校畢業(yè)生步入工作崗位后缺乏工程常識(shí)，紙上談兵現(xiàn)象嚴(yán)重，解決常見的港口水文相關(guān)問題時(shí)出現(xiàn)無法識(shí)別波浪譜、不懂各類設(shè)計(jì)波要素統(tǒng)計(jì)方法等問題，大大限制了學(xué)生步入工作崗位后的工程實(shí)踐能力及科學(xué)創(chuàng)新能力。同時(shí)，“重知識(shí)、輕思想”的教學(xué)模式也造成了工科生普遍認(rèn)為學(xué)好專業(yè)知識(shí)就行，而忽略了自身職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)，這嚴(yán)重影響了畢業(yè)生的未來發(fā)展。

二、課程改革的措施

（一）教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

為了貫徹落實(shí)全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議精神，圍繞“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”這一教育的根本問題，落實(shí)教書育人基本職責(zé)。以培養(yǎng)有理想有本領(lǐng)有擔(dān)當(dāng)?shù)男聲r(shí)代中國(guó)青年為原則，通過調(diào)整課程授業(yè)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)職業(yè)使命、職業(yè)道德、專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)有機(jī)融合。首先，以海洋工程數(shù)據(jù)方法發(fā)展歷程為主線，為學(xué)生梳理方法的發(fā)展歷史、歷史上解決的關(guān)鍵問題以及相關(guān)中國(guó)學(xué)者在數(shù)據(jù)分析方法中的突出貢獻(xiàn)，一方面突出創(chuàng)新精神在方法進(jìn)步過程中的重要性，另一方面體現(xiàn)老一輩中國(guó)人所具有的工匠精神，樹立學(xué)生的創(chuàng)新思維意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生推動(dòng)國(guó)家科技進(jìn)步的“初心”。其次，通過解讀我國(guó)海洋工程領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)向和已取得的相關(guān)成就，增強(qiáng)學(xué)生的國(guó)家榮譽(yù)感；同時(shí)，通過介紹我國(guó)海洋工程目前面臨的“卡脖子”問題，培養(yǎng)學(xué)生的時(shí)代使命感和責(zé)任感。具體改革方式如下。

1.為講授內(nèi)容添加趣味性。為提高學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的興趣，針對(duì)所講授內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)和方法，通過講授在發(fā)展過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵人物、關(guān)鍵事件和在專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用過程，形成一個(gè)完整的故事。通過對(duì)故事的講解，增強(qiáng)講授內(nèi)容的趣味性，體現(xiàn)講授方法的實(shí)用性，以及引導(dǎo)學(xué)生面對(duì)問題時(shí)的創(chuàng)新思路。

2.在不同知識(shí)點(diǎn)之間建立聯(lián)系。把知識(shí)點(diǎn)之間存在的相互聯(lián)系梳理清楚，將碎片化的知識(shí)根據(jù)知識(shí)點(diǎn)之間存在的聯(lián)系和對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行有效串聯(lián)，標(biāo)記出知識(shí)點(diǎn)地圖，使教學(xué)內(nèi)容模塊化，使課程結(jié)構(gòu)清晰。

3.將講授的方法與專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。從科學(xué)研究和工程應(yīng)用兩方面入手，以諧波分布部分為例，在講授完傅立葉級(jí)數(shù)和分解知識(shí)后，引入Battjes的經(jīng)典試驗(yàn)，說明該試驗(yàn)為什么經(jīng)典、通過該試驗(yàn)可以揭示波浪傳播的哪些機(jī)理、這些數(shù)據(jù)如何采用傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行分析以及如何分析自己產(chǎn)生的數(shù)值模擬結(jié)果等。針對(duì)一個(gè)具體的工程科研項(xiàng)目，結(jié)合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析以及結(jié)果的呈現(xiàn)，給出一個(gè)整體的介紹，詳細(xì)說明數(shù)據(jù)分析在工程項(xiàng)目中所起到的作用。

4.引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)據(jù)分析方法應(yīng)用于實(shí)際。通過設(shè)置和講授綜合應(yīng)用專題，以具體科學(xué)和工程問題為引導(dǎo)，綜合運(yùn)用各知識(shí)點(diǎn)，使各分散的知識(shí)點(diǎn)在一個(gè)具體的問題背景下融合在一起，針對(duì)海洋工程中面臨的最新問題，鼓勵(lì)學(xué)生在課題解決中結(jié)合最新研究文獻(xiàn)，采用創(chuàng)新的數(shù)據(jù)分析方法或根據(jù)已有方法進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，從而提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生處理問題的邏輯性和系統(tǒng)性，增加學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的物理意義和實(shí)用價(jià)值的認(rèn)識(shí)，感受如何通過綜合使用“老”方法來解決“新”問題，提高學(xué)生對(duì)方法創(chuàng)新的理解和認(rèn)識(shí)。

（二）教學(xué)模式的改進(jìn)

針對(duì)開放式課題，采用線上+線下、課上+課下的混合教學(xué)模式，講授與討論互補(bǔ)，理論和實(shí)踐互饋。在線上課程講授完成之后，布置與各分析方法相對(duì)應(yīng)的課題，分配給學(xué)生，讓他們?cè)诰€下結(jié)合理論知識(shí)自主解決問題，培養(yǎng)他們對(duì)于知識(shí)的應(yīng)用能力，并達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。在課堂上，采取類似頭腦風(fēng)暴的形式，讓學(xué)生分小組討論攻克課題過程中遇到的問題，分享知識(shí)和想法，以此增強(qiáng)學(xué)生對(duì)講授的知識(shí)的理解，并拓展學(xué)生解決問題的思路。

除此之外，為學(xué)生布置我國(guó)海洋災(zāi)害數(shù)據(jù)分析的資料整理工作，旨在通過資料整理使學(xué)生深刻了解我國(guó)海洋災(zāi)害種類及時(shí)空分布特征，提高學(xué)生對(duì)我國(guó)海洋工程環(huán)境的認(rèn)識(shí)水平，樹立學(xué)生對(duì)海洋數(shù)據(jù)分析方法重要性的認(rèn)同感。

在數(shù)據(jù)分析方法教授階段，基于具體的工程案例及典型的海洋工程數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生利用對(duì)應(yīng)分析方法進(jìn)行編程和報(bào)告撰寫。通過增加工程實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，一方面夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)能力，另一方面加深學(xué)生對(duì)工程數(shù)據(jù)分析中概率、統(tǒng)計(jì)、頻率譜等抽象概念的理解。

（三）學(xué)習(xí)方式的改進(jìn)

將數(shù)據(jù)分析軟件與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，可以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用工具和編程處理數(shù)據(jù)的能力。學(xué)生除需要理解各種方法的基本原理外，還要學(xué)會(huì)應(yīng)用相關(guān)軟件來完成具體的數(shù)據(jù)分析任務(wù)，并學(xué)會(huì)編程、參數(shù)選取和繪圖的方法與技巧。“海洋工程數(shù)據(jù)新方法”課程講授的知識(shí)點(diǎn)較抽象，各種方法都是通過一大堆數(shù)學(xué)公式呈現(xiàn)的，而Matlab等數(shù)據(jù)仿真和處理軟件界面友好、編程簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理包豐富、可視化性能強(qiáng)，因此通過數(shù)值軟件的仿真和處理分析，可以幫助學(xué)生直觀且深刻地理解課程內(nèi)容。以離散小波變換方法為例，鼓勵(lì)學(xué)生使用Matlab中的小波變換命令分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算小波系數(shù)、繪制小波能譜圖等一系列操作，可以讓學(xué)生不再局限于教師課堂上所講授的理論知識(shí)，而是通過親自動(dòng)手操作來更好地理解和使用小波變換方法。

（四）考核方式的改進(jìn)

改進(jìn)考核方式的目的是提高應(yīng)用型能力在考核中所占的比重。首先，把學(xué)生分成四人一組的小組，然后針對(duì)海洋工程中面臨的最新問題，設(shè)置若干開放性的課題，以問題為引導(dǎo)，結(jié)合所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，讓每一個(gè)小組完成一個(gè)開放性的課題，鼓勵(lì)學(xué)生在課題解決中結(jié)合最新研究文獻(xiàn)，采用創(chuàng)新的數(shù)據(jù)分析方法或根據(jù)已有方法進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。然后，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上把學(xué)習(xí)成果分享給同學(xué)，讓學(xué)生在問題、概念、分析方法和解決問題的全過程中收獲并應(yīng)用知識(shí)，最后呈現(xiàn)出所獲的知識(shí)，通過這種方式使學(xué)生的學(xué)習(xí)從課內(nèi)延伸到課外，并且有效培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神、學(xué)習(xí)能力、探索能力、交流能力和邏輯能力。最終，教師會(huì)依據(jù)每名學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)對(duì)其打分，按一定比重并將其和期末考試成績(jī)一起計(jì)入學(xué)生的最終課程成績(jī)。

結(jié)語

本文針對(duì)“海洋工程數(shù)據(jù)新方法”課程存在的問題，以新時(shí)代涉海專業(yè)研究生的科技創(chuàng)新精神培養(yǎng)為主要思想，通過對(duì)“海洋工程數(shù)據(jù)新方法”的課程內(nèi)容、教學(xué)計(jì)劃和考核方法進(jìn)行改革，實(shí)現(xiàn)一方面解決目前涉海專業(yè)研究生缺乏“海洋工程數(shù)據(jù)分析”相關(guān)工程應(yīng)用訓(xùn)練的問題，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析思維，為海洋科技人才的能力進(jìn)階提供必要知識(shí)技術(shù)；另一方面，通過課程專業(yè)內(nèi)容與思政內(nèi)容有機(jī)融合，課內(nèi)外工程訓(xùn)練與思政教育的映射和融入，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)具有家國(guó)情懷、工匠精神、時(shí)代感、專業(yè)榮譽(yù)度和創(chuàng)新意識(shí)的新時(shí)代研究型人才。