物理海洋學(xué)的課堂教學(xué)研究

摘 要：本文介紹了廣義和狹義的物理海洋學(xué)，在此基礎(chǔ)上提出了有關(guān)物理海洋學(xué)課程教學(xué)方面應(yīng)該注意的事項(xiàng)，并結(jié)合筆者在本門課程教學(xué)實(shí)踐上的經(jīng)驗(yàn)，著重分析如何針對重要知識點(diǎn)采取切實(shí)可行的教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：物理海洋學(xué)；學(xué)科課程；教學(xué)方法

一、 物理海洋學(xué)的含義

從廣義上講，物理海洋學(xué)指的是海洋科學(xué)領(lǐng)域的一個學(xué)科方向，它主要是通過數(shù)學(xué)和物理的方法來研究海洋，尤其關(guān)注海洋中的物理過程，以及伴隨各種動力過程的海水的運(yùn)動形式。無論是在研究方法還是在研究內(nèi)容上，它都有別于海洋化學(xué)、海洋生物學(xué)以及海洋地質(zhì)學(xué)等其他海洋分支學(xué)科。眾所周知，海洋是一個復(fù)雜的綜合體，一方面，海洋中的各種過程都不可能孤立存在，比如沉積物的沖淤、海洋生物的遷徙、營養(yǎng)鹽的分布等，這些發(fā)生在海洋中的生物地球化學(xué)過程都會受到海流、波浪、潮汐等海洋物理過程的顯著影響。另一方面，地質(zhì)生物過程也可能改變局地的水動力過程，比如海底地震引發(fā)的海嘯，魚群遷移引發(fā)水體結(jié)構(gòu)的改變等。但是從時空的總體效果看，海洋物理過程對地球生物化學(xué)過程的影響還是最主要的。因此，物理海洋學(xué)科也被認(rèn)為是海洋學(xué)領(lǐng)域最基礎(chǔ)的學(xué)科。

從狹義上講，物理海洋學(xué)又是一門課程。根據(jù)現(xiàn)有的教學(xué)大綱和課程安排，該課程的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)基本涵蓋了和物理海洋過程相關(guān)的所有知識點(diǎn)，如海水的性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、海流理論、潮汐現(xiàn)象、海浪特征以及內(nèi)波理論等，從而構(gòu)成了物理海洋學(xué)這個學(xué)科的重要知識基礎(chǔ)。但是受限于學(xué)時安排，講師不可能把所涉及的知識點(diǎn)都一一講到，因此在教學(xué)安排時，有必要根據(jù)授課班級的專業(yè)特點(diǎn)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有針對性的取舍，以保證學(xué)生學(xué)有所得，學(xué)能所用。

二、課程的特點(diǎn)

物理海洋學(xué)課程一般是在大學(xué)三年級開設(shè)，在此之前學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、數(shù)值分析以及海洋科學(xué)導(dǎo)論等先導(dǎo)課程。通過先導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)熟悉了微積分公式的基本求解和推導(dǎo)技巧，并對伴隨物理海洋過程的各種現(xiàn)象和特征有了一定的認(rèn)識。如果說先導(dǎo)課程是幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)專業(yè)知識的方法和手段，那么后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)就是運(yùn)用這些工具深入領(lǐng)會專業(yè)知識的內(nèi)涵，即運(yùn)用數(shù)學(xué)物理的方法了解海水是如何運(yùn)動的，以及為什么如此運(yùn)動。本門課程的設(shè)計(jì)安排就是教會學(xué)生如何建立并求解海水運(yùn)動方程。但是由于原始海水運(yùn)動方程自身具有非線性的特點(diǎn)，要想求得其解析解是比較困難的。因此學(xué)生還要掌握尺度分析的方法，這樣可以簡化原始海水運(yùn)動方程，使得獲取方程的解析解成為可能。更為重要的是，盡管海水運(yùn)動方程簡化了，但是獲取的解析解所揭示海水運(yùn)動的基本規(guī)律已經(jīng)被廣泛地觀測所證實(shí)。因此，“構(gòu)建不同形式下的海水運(yùn)動方程——求解方程——用方程的解來闡明海水的運(yùn)動規(guī)律”就成為本課程最為核心的知識脈絡(luò)。

海洋約占地球表面積的70%，不同海域的陸海分布、地形地貌、動力條件都不相同，這就決定了物理海洋過程具有顯著的地域性特征。因此講師在授課時要把可能影響海區(qū)動力過程的環(huán)境要素進(jìn)行充分細(xì)致的介紹，這可以幫助學(xué)生領(lǐng)會如何抓住關(guān)鍵因素建立簡化、便于求解的海水運(yùn)動方程。海水運(yùn)動方程的求解和分析是高年級大學(xué)生數(shù)學(xué)物理能力的應(yīng)用。海水運(yùn)動方程實(shí)際上是海水真實(shí)運(yùn)動的定量化描述，因此建立和求解方程不是單純的數(shù)學(xué)問題，需要學(xué)生對方程中的數(shù)學(xué)符號所代表的物理意義能夠有比較清晰的認(rèn)識。本課程的這些特點(diǎn)都決定了學(xué)好先導(dǎo)課程對于本門課程學(xué)習(xí)的重要性。

三、課堂教學(xué)可能遇到的問題和解決措施

如前所述，物理海洋學(xué)是一門專業(yè)性非常強(qiáng)的課程，而且對學(xué)生之前的數(shù)學(xué)物理及海洋學(xué)科的知識積累要求也比較高。即便如此，教師在介紹各種物理海洋過程之前還需要花費(fèi)一定的學(xué)時對引起海水運(yùn)動的各種力進(jìn)行充分分析，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式，幫助學(xué)生認(rèn)清各種力的性質(zhì)以及由此引起的各種海水運(yùn)動的形式和特征。

海水運(yùn)動方程的建立和求解本身是抽象而枯燥的，往往不能喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因此教師在教學(xué)過程中要重視教學(xué)方法和形式上的改變，充分利用多媒體教學(xué)手段，借助MODIS衛(wèi)星圖片和其他可視化手段，把特定海域現(xiàn)場調(diào)查或模型計(jì)算的溫度、鹽度和流場展現(xiàn)出來，通過直觀的圖片和視頻信息，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)消化理論知識。課堂提問和答疑是督促學(xué)生課堂聽講以及課后復(fù)習(xí)的有效手段。同時，安排一定學(xué)時的討論課，讓學(xué)生針對某一專題進(jìn)行討論，也可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動性。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，這些措施對于提高教學(xué)質(zhì)量都是切實(shí)有效的。

四、結(jié)論

本文主要介紹了物理海洋學(xué)的學(xué)科含義和課程教學(xué)特點(diǎn)， 著重闡述了物理海洋學(xué)課程的重要知識點(diǎn)以及在教和學(xué)過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)，對該課程在教學(xué)中所出現(xiàn)的問題提出有針對性的解決措施，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量。

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作者簡介：劉浩（1972- ），男，博士，副教授，主要從事物理海洋學(xué)方面的教學(xué)和科研工作。