《風(fēng)沙物理學(xué)》課程教學(xué)探索

馬 瑞，趙錦梅

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

風(fēng)沙物理學(xué)是介于沙漠科學(xué)和物理學(xué)之間的邊緣學(xué)科，是沙漠學(xué)中以基礎(chǔ)研究和應(yīng)用為主的重要分支學(xué)科.該學(xué)科是以流體力學(xué)的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，從力學(xué)和物理學(xué)過程研究風(fēng)與各種沙質(zhì)地表的相互作用機(jī)制及其風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律.國(guó)際上，一般將拜格諾在1941年出版的風(fēng)沙物理學(xué)專著《風(fēng)沙與荒漠沙丘物理學(xué)》作為風(fēng)沙物理學(xué)誕生的標(biāo)志，至今只有七十多年的歷史，所以，風(fēng)沙物理學(xué)是一門比較年輕的學(xué)科.1977年聯(lián)合國(guó)沙漠化大會(huì)之后，沙漠化作為科學(xué)問題引起了全球范圍內(nèi)科學(xué)界的重視.沙漠化是以風(fēng)沙活動(dòng)為主要特征，以各種風(fēng)沙地貌為主要景觀標(biāo)志，因而首先表現(xiàn)為風(fēng)沙問題.風(fēng)沙物理學(xué)作為沙漠科學(xué)的重要分支學(xué)科，在全球沙漠化研究的背景下獲得了重要的發(fā)展機(jī)遇，并取得了豐碩的成果[1].因此，我們也可以說風(fēng)沙物理學(xué)又是一門發(fā)展較快的學(xué)科.然而，年輕和發(fā)展快也說明著風(fēng)沙物理學(xué)有不斷被完善和提升的空間，尤其是自1998年中科院知識(shí)創(chuàng)新工程啟動(dòng)以來，伴隨著實(shí)驗(yàn)手段和儀器設(shè)備的改進(jìn)，風(fēng)沙物理學(xué)的新觀點(diǎn)和新理論不斷推陳出新[2].一些重要的研究成果，包括對(duì)拜格諾提出的沙質(zhì)床面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度1/30定律的修訂、對(duì)歐文效應(yīng)的從新定義、對(duì)風(fēng)沙電現(xiàn)象的研究、對(duì)風(fēng)沙邊界層風(fēng)沙互饋機(jī)制的研究等，被國(guó)際風(fēng)沙物理學(xué)界認(rèn)為是近年來風(fēng)沙物理學(xué)取得的重要進(jìn)展.而這些研究成果的出現(xiàn)對(duì)我們的教材也提出了新的挑戰(zhàn)，如何選擇授課內(nèi)容，如何將這些新觀點(diǎn)新理論融入我們的教學(xué)中來，這是一個(gè)需要認(rèn)真思考和推敲的問題.

1 風(fēng)沙物理學(xué)的課程性質(zhì)與教學(xué)要求

風(fēng)沙物理學(xué)以風(fēng)沙活動(dòng)為研究對(duì)象，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是氣固兩相流的一個(gè)重要研究分支，并作為風(fēng)沙物理學(xué)研究的核心內(nèi)容備受重視.風(fēng)沙工程中采取的各種措施，包括封閉、固定、阻攔、輸導(dǎo)、改向和消散等措施類型都是基于風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的特征和防治目標(biāo)設(shè)定的[3]，因此，學(xué)習(xí)風(fēng)沙物理學(xué)對(duì)《荒漠化防治工程》等相關(guān)課程的教學(xué)至關(guān)重要.風(fēng)沙物理學(xué)作為高等院校水土保持與荒漠化防治專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，通常開設(shè)于第5學(xué)期，總學(xué)時(shí)36學(xué)時(shí)，其中，課堂講授學(xué)時(shí)為24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課為12學(xué)時(shí)，另于學(xué)期末開設(shè)綜合實(shí)習(xí).本課程主要涉及近地表風(fēng)的基本特性；沙物質(zhì)顆粒的起跳機(jī)制、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及風(fēng)沙流的形成與結(jié)構(gòu)、土壤的風(fēng)蝕現(xiàn)象和各種風(fēng)蝕風(fēng)積地貌的特點(diǎn)、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)理論及研究方法等.開設(shè)該課程的主要目的是為本科生其它專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和今后從事荒漠化防治工作、荒漠化防治科學(xué)研究及沙產(chǎn)業(yè)方面的工作建立牢固的理論基礎(chǔ)及操作技能.通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生達(dá)到下列基本要求：（1）掌握風(fēng)沙物理學(xué)的基本概念、基本理論及應(yīng)用方法；（2）能夠理論聯(lián)系實(shí)際，獨(dú)立分析說明自然界中風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律；（3）掌握風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的基本原理和方法，了解風(fēng)沙物理學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).

2 風(fēng)沙物理學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

目前，風(fēng)沙物理學(xué)被各農(nóng)林類高等院校定為水土保持與荒漠化防治專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)于這樣一門新興學(xué)科，要樹立怎樣的學(xué)術(shù)思想？采取什么樣的授課方式？授課過程中要注意哪些問題？這些問題不僅關(guān)系到學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和接納程度，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮也關(guān)系到這一學(xué)科的發(fā)展.為此，我們從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)等3個(gè)方面對(duì)風(fēng)沙物理學(xué)的教學(xué)工作進(jìn)行了設(shè)計(jì)和完善.

2.1 課堂教學(xué)

2.1.1 借助輔助資料，降低課程內(nèi)容難度

教材是體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的知識(shí)載體，是進(jìn)行教學(xué)的基本工具，也是深化教育教學(xué)改革，全面推進(jìn)素質(zhì)教育，培育創(chuàng)新人才的重要保證.風(fēng)沙物理學(xué)教材共有兩版，第一版發(fā)行于1992年，共印刷了1次[4]，第二版發(fā)行于2010年9月，被定為普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材和高等學(xué)校水土保持與荒漠化防治專業(yè)教材[5].與第一版相比，第二版將流體力學(xué)基礎(chǔ)理論作為單獨(dú)的一章內(nèi)容列出，在此基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)及其基本性質(zhì)、沙及其基本性質(zhì)、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)、風(fēng)沙地貌的形成及演變、土壤風(fēng)蝕、沙塵暴及風(fēng)沙物理學(xué)研究方法等知識(shí)做了詳細(xì)的介紹.這一內(nèi)容上的重組和改進(jìn)使得風(fēng)沙物理學(xué)的課堂教學(xué)得以系統(tǒng)化，但因部分內(nèi)容難度大，比如沙粒起動(dòng)機(jī)制、輸沙量的計(jì)算、沙粒運(yùn)動(dòng)軌跡方程、沙丘形成過程中的二次流理論等，單靠本科大學(xué)物理中所學(xué)的流體力學(xué)知識(shí)及教材第一章流體力學(xué)基礎(chǔ)理論部分的知識(shí)還不足以使學(xué)生理解.為此，就需要收集相關(guān)輔助資料，借助相鄰學(xué)科和生活中的流體力學(xué)知識(shí)進(jìn)行解釋.比如，可以利用球類運(yùn)動(dòng)中的弧線球理論和扎桿球理論解釋沙粒起動(dòng)起跳過程中的馬格努斯效應(yīng)；利用繞流機(jī)翼理論解釋沙粒起動(dòng)機(jī)制中的壓差升力學(xué)說；利用順時(shí)針或逆時(shí)針攪動(dòng)茶水時(shí)茶葉的聚集現(xiàn)象解釋二次流理論等.通過運(yùn)用這些生活中常見現(xiàn)象背后所折射出的流體力學(xué)知識(shí)來推演風(fēng)沙物理學(xué)現(xiàn)象的機(jī)理，可以使教學(xué)內(nèi)容的難度降低，學(xué)生的興趣、分析問題的積極性，對(duì)機(jī)理的理解能力也都有了很大的提高.

2.1.2 重視教學(xué)策略，提升課堂教學(xué)質(zhì)量

教學(xué)策略關(guān)系到教學(xué)效果的好壞.針對(duì)風(fēng)沙物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容難度大、范圍廣的特點(diǎn)，我們?cè)谡n堂教學(xué)中采取以下策略：首先，要對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行篩選，對(duì)課本內(nèi)容不求面面俱到，而是在學(xué)生的認(rèn)知能力和接受范圍內(nèi)講精、講細(xì)，既重視基礎(chǔ)理論，又要把握學(xué)科前沿，對(duì)實(shí)踐性強(qiáng)的內(nèi)容，應(yīng)結(jié)合實(shí)例，做深入淺出的講解，做到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一；其次，合理安排各章節(jié)內(nèi)容，既強(qiáng)調(diào)課程的系統(tǒng)性，又要有重點(diǎn)、難點(diǎn)的突破，在學(xué)時(shí)分配上，要突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，不能平均分配；第三，要注重動(dòng)態(tài)影像資料的使用，利用多媒體教學(xué)，對(duì)風(fēng)沙起動(dòng)、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，渦流的形成等結(jié)合風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)的影響資料進(jìn)行講解，實(shí)現(xiàn)講播同步式教學(xué)；第四，要注重對(duì)學(xué)生興趣的激發(fā)，可結(jié)合生活中的流體力學(xué)現(xiàn)象對(duì)難度較大的講授內(nèi)容做出推演，實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式、導(dǎo)向式、探究式和互動(dòng)式教學(xué)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生參與分析，于無形中激發(fā)學(xué)生的興趣，活躍學(xué)生的思維，使學(xué)生產(chǎn)生求知的欲望.

2.1.3 培養(yǎng)學(xué)術(shù)思想、促進(jìn)學(xué)科發(fā)展

基礎(chǔ)物理學(xué)的教材內(nèi)容是確定因素下產(chǎn)生的確定結(jié)論.而對(duì)于風(fēng)沙物理學(xué)而言，由于涉及因子的多元化和研究者的主觀判斷，使得一些結(jié)論具有片面性，隨著時(shí)間的推移有可能被新的研究成果取代，或甚至被證明是不正確的，且目前眾多研究成果的涌現(xiàn)已對(duì)前學(xué)者的部分研究結(jié)論提出了質(zhì)疑.正如風(fēng)沙物理學(xué)工作者楊保等人[6]所認(rèn)為的：“由于研究者認(rèn)識(shí)水平和客觀條件，尤其是實(shí)驗(yàn)條件和模擬手段落后的限制，使得有關(guān)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的成果基本上是半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的，使用時(shí)還有很大的局限性.尤其是對(duì)宏觀和微觀的聯(lián)系的研究起步較晚，使得風(fēng)沙物理學(xué)的理論還沒有形成一個(gè)完善的體系，風(fēng)沙研究工作者只能提供給工程界一些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，嚴(yán)格的說，這些經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)公式只能在滿足他們的條件下使用，外推到其他條件下使用可能造成相當(dāng)大的誤差”.因此，從學(xué)科發(fā)展的角度，我們就要鼓勵(lì)學(xué)生多思考，在正確學(xué)術(shù)思想的引導(dǎo)下，去突破和發(fā)展.作為老師，要教好這樣一門課，首先要有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，充分了解學(xué)科發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，樹立正確的學(xué)術(shù)思想，以發(fā)展的眼光看待問題，瞻前顧后，在尊重已經(jīng)形成共識(shí)的研究成果的基礎(chǔ)上重視知識(shí)的擴(kuò)展.比如在各種數(shù)值模型的講解中，應(yīng)認(rèn)識(shí)到多數(shù)表達(dá)式都是按一般的規(guī)律，理想的形式和典型的模式用數(shù)學(xué)方程式表示出來的，故不具有普適性，這就要求我們?cè)诮虒W(xué)時(shí)根據(jù)存在的問題激發(fā)學(xué)生對(duì)各種影響因素的認(rèn)知和分析能力，避免生硬接受他人思想，因此在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度的同時(shí)也促進(jìn)了學(xué)科的發(fā)展.

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是風(fēng)沙物理學(xué)課程必不可少的組成部分，對(duì)于鞏固學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神具有重要的作用.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)老師的安排在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按部就班的對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證的過程，在這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得不到發(fā)揮，思維僵化，且隨著本科生的擴(kuò)招，原有的按小班設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室和配備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已不能滿足需要，部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)也轉(zhuǎn)化成了演示性實(shí)驗(yàn)，造成實(shí)驗(yàn)效果不理想.針對(duì)風(fēng)沙物理學(xué)的實(shí)踐性和應(yīng)用性特點(diǎn)，我們對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了改革，加強(qiáng)了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).該門課程的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要有兩個(gè)：一是沙物質(zhì)休止角的測(cè)定：沙丘沙的休止角是風(fēng)與沙相互作用塑造的一種動(dòng)力平衡狀態(tài)，是控制沙丘形態(tài)的重要因素之一，對(duì)分析沙丘的穩(wěn)定性和流動(dòng)性具有實(shí)際意義.休止角的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生首先自行設(shè)計(jì)測(cè)定對(duì)象的屬性，包括對(duì)不同粒徑范圍的劃分、不同含水量的設(shè)定、不同磨圓度的界定等.在此基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)順序進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)順序的合理設(shè)計(jì)，可以節(jié)省不同屬性沙物質(zhì)的處理時(shí)間，實(shí)現(xiàn)沙土樣的有效利用；二是動(dòng)力風(fēng)速風(fēng)向圖的繪制：風(fēng)是風(fēng)沙和風(fēng)成地貌形成的動(dòng)力因素，并不是所有的風(fēng)對(duì)沙丘的形成、演化及移動(dòng)起作用，因此，在風(fēng)沙地貌動(dòng)力學(xué)研究中，只限于統(tǒng)計(jì)能使沙子運(yùn)動(dòng)的起沙風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向，繪制動(dòng)力風(fēng)向風(fēng)速圖.動(dòng)力風(fēng)向風(fēng)速圖有多種類型，常用的有動(dòng)力風(fēng)玫瑰圖和動(dòng)力矢量圖，這兩種圖所反映的沙丘運(yùn)動(dòng)的方向、速度和方式的詳細(xì)特征有所不同，因此，這節(jié)內(nèi)容我們就需要發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和判斷力，根據(jù)風(fēng)信資料采集區(qū)的特征以及圖件的用途進(jìn)行類型的選取，再進(jìn)行風(fēng)信資料的整理與轉(zhuǎn)化.

2.3 實(shí)踐教學(xué)

風(fēng)沙物理學(xué)屬于應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，該課程除休止角測(cè)定、風(fēng)信資料整理與轉(zhuǎn)換等少數(shù)實(shí)驗(yàn)外，其它實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都要借助沙風(fēng)洞完成，而全國(guó)建有用于風(fēng)沙物理學(xué)現(xiàn)象研究的沙風(fēng)洞的單位僅有中科院寒旱所、北京林業(yè)大學(xué)、北京師范大學(xué)、蘭州大學(xué)等幾家科研單位和高等院校.為此，風(fēng)沙物理學(xué)大多實(shí)驗(yàn)只能借助影像資料進(jìn)行演示性講解，或在每年五月份第二個(gè)周末的中科院寒旱所開放日組織學(xué)生進(jìn)行風(fēng)洞參觀并觀看部分演示性實(shí)驗(yàn)，其組織難度大且效果不理想.為了改變這一現(xiàn)狀，我們借助馬路灘林場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)基地和民勤治沙站實(shí)踐教學(xué)基地，開設(shè)了“風(fēng)沙物理學(xué)野外綜合實(shí)習(xí)”，將大部分風(fēng)沙物理學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為室外綜合性實(shí)踐教學(xué).

馬路灘林場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)基地和民勤治沙站實(shí)踐教學(xué)基地是近年來為配合實(shí)踐教學(xué)的需要，學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)的兩個(gè)實(shí)踐基地.從抵御流沙入侵的需要和樣板地建設(shè)的需要出發(fā)，兩個(gè)基地均在綠洲荒漠過渡帶的流動(dòng)沙丘分布區(qū)鋪設(shè)了多種形式和規(guī)格的麥草沙障、粘土沙障、塑料網(wǎng)沙障、礫石沙障等低立式沙障，還利用尼龍網(wǎng)、作物秸稈等設(shè)立了各種高立式沙障.作為機(jī)械沙障的輔助措施，梭梭林、移動(dòng)森林等植物固沙措施被廣泛應(yīng)用，形成了形式多樣、種類繁多的風(fēng)沙災(zāi)害防治體系.此外，作為我國(guó)西北荒漠化防治的主要科研基地，民勤治沙站建立了各種輸沙量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)速測(cè)定系統(tǒng)、沙塵暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、沙丘移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和植被生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無論在規(guī)模上、還是在科研力量上均占據(jù)了學(xué)科優(yōu)勢(shì)，滿足了風(fēng)沙物理學(xué)實(shí)踐教學(xué)的需要.通過風(fēng)沙物理學(xué)綜合性實(shí)踐教學(xué)，我們要求學(xué)生能夠?qū)ι迟|(zhì)地表土壤粒度組成進(jìn)行測(cè)定分析、認(rèn)識(shí)和描述沙區(qū)各種風(fēng)蝕和風(fēng)積地貌的形態(tài)及特征、測(cè)定風(fēng)速廓線和輸沙量、分析風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、推算地表粗糙度、實(shí)測(cè)沙丘休止角、觀測(cè)沙波紋的形成和消散過程等.通過實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生一方面可掌握蝕積地貌的形態(tài)特征、成因及發(fā)展趨勢(shì)，通過切身感受風(fēng)沙流，增強(qiáng)了對(duì)風(fēng)沙物理學(xué)現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)；另一方面，可在實(shí)際操作中掌握風(fēng)沙物理學(xué)野外研究的基本方法和專業(yè)常規(guī)儀器設(shè)備的使用方法，而這些知識(shí)的獲取以及學(xué)生獲取知識(shí)的積極性是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)授課方式所無法比擬的.

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)沙物理學(xué)具有發(fā)展歷程短、速度快，研究范圍不斷擴(kuò)大和研究新成果多的特點(diǎn).本文基于風(fēng)沙物理學(xué)的學(xué)科現(xiàn)狀和發(fā)展特點(diǎn)，根據(jù)課程性質(zhì)和教學(xué)要求提出了一種課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)方案，以此達(dá)到降低教學(xué)難度，提高教學(xué)效果的目的.同時(shí)，通過對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能和學(xué)術(shù)思想的培養(yǎng)，服務(wù)專業(yè)，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展.

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〔3〕吳正.中國(guó)沙漠與治理研究50年[J].干旱區(qū)研究，2009，26(1)：1-7.

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