《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》教學(xué)改革初探

白鵬　楊婧靈　謝玲玲　陳法錦

【摘 要】《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》作為海洋科學(xué)專業(yè)本科生教育的核心課程，是教授學(xué)生數(shù)值模擬技能的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)海洋科學(xué)應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)。本文基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的宗旨，闡述《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程建設(shè)意義和教學(xué)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)篩選理論、注重編程和實(shí)踐演練有機(jī)結(jié)合的教學(xué)思路，探索有效的教學(xué)改革方法，實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生實(shí)踐能力、培養(yǎng)應(yīng)用型海洋人才的教學(xué)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)用型海洋人才；海洋數(shù)值模式及應(yīng)用；教學(xué)改革；海洋數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： P7-4；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）31-0103-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.049

【Abstract】As a core curriculum for graduates majoring in marine science， “Ocean Numerical Model and Application” is the basis of teaching numerical simulation skills and plays vital role in training applied talents. Aimed for cultivating their practice skills， this paper expounds the construction significance and current teaching situation of “Ocean Numerical Model and Application”， then puts forward the organic combination of screening theory， attention to programming and practice drills to explore the effective method of teaching reform， which will contribute to improving students practical ability and cultivating applied marine talents.

【Key words】Applied marine talents；Ocean Numerical Model and Application；Teaching reform；Ocean numerical simulation

0 引言

高等教育側(cè)重于培養(yǎng)掌握專業(yè)知識(shí)和技能，能夠無(wú)縫銜接并服務(wù)于社會(huì)需求的人才。當(dāng)前社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求迫切而量大，高等教育若只注重于培養(yǎng)學(xué)術(shù)理論型人才是無(wú)法滿足時(shí)代要求的[1]。對(duì)于海洋科學(xué)專業(yè)，掌握較高實(shí)踐和應(yīng)用知識(shí)技能（如海洋數(shù)值預(yù)報(bào)技能、海洋調(diào)查技能等）的人才在就業(yè)和社會(huì)服務(wù)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。伴隨著全球海洋科學(xué)研究的長(zhǎng)足發(fā)展和超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的突破提升，海洋數(shù)值模擬及其應(yīng)用的發(fā)展也突飛猛進(jìn)，國(guó)內(nèi)外眾多海洋科學(xué)家將科學(xué)研究和業(yè)務(wù)化應(yīng)用相結(jié)合，積極發(fā)展海洋數(shù)值模擬預(yù)報(bào)系統(tǒng)[2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)諸多涉海高校陸續(xù)開(kāi)設(shè)了面向本科生和研究生的海洋數(shù)值模擬的相關(guān)課程[3-8]，旨在夯實(shí)學(xué)生的海洋數(shù)值模擬預(yù)報(bào)知識(shí)儲(chǔ)備，提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用技能，改善海洋科學(xué)專業(yè)海洋數(shù)值模擬方向人才短缺的現(xiàn)狀。

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》是當(dāng)前國(guó)內(nèi)眾多涉海高校面向海洋科學(xué)專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的教授海洋數(shù)值模擬相關(guān)知識(shí)和技能的核心課程。該課程知識(shí)點(diǎn)多，內(nèi)容晦澀，需要學(xué)生預(yù)先掌握深?yuàn)W的海洋動(dòng)力學(xué)理論、扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)以及熟練的計(jì)算機(jī)編程技能。目前，該課程設(shè)課時(shí)間較短，因而教學(xué)經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，教學(xué)效果亟待進(jìn)一步提高，這便要求在實(shí)踐教學(xué)中改革探討教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，對(duì)授課教師和學(xué)生提出了挑戰(zhàn)。

本文依托海洋科學(xué)專業(yè)本科生必修課程《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》，以課程教學(xué)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)掌握數(shù)值模擬預(yù)報(bào)技能的應(yīng)用型海洋科學(xué)人才為導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、取得良好教學(xué)效果為目標(biāo)，探討如何改革教學(xué)內(nèi)容和方法，幫助學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)海洋數(shù)值模擬并熟練掌握相關(guān)知識(shí)和技能。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程包含理論講述環(huán)節(jié)和上機(jī)實(shí)操環(huán)節(jié)，主要學(xué)習(xí)海水運(yùn)動(dòng)控制方程、邊界條件、強(qiáng)迫條件等數(shù)理基礎(chǔ)，掌握多種非線性偏微分方程的數(shù)值求解方法，并利用Fortran或Matlab等編程語(yǔ)言，結(jié)合實(shí)測(cè)海洋資料實(shí)現(xiàn)特定海水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的數(shù)值求解，最終可給予相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的動(dòng)力機(jī)制分析提供數(shù)值依據(jù)，亦可有力的貢獻(xiàn)于海洋水動(dòng)力環(huán)境的后報(bào)及預(yù)報(bào)。該課程知識(shí)點(diǎn)覆蓋范圍廣且難度大，學(xué)生理解消化困難且周期長(zhǎng)，此外，非線性偏微分方程的求解及數(shù)值模擬結(jié)果的可視化過(guò)程又對(duì)學(xué)生的計(jì)算機(jī)編程能力和邏輯思維能力提出巨大考驗(yàn)。在《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生重視理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，卻抵觸上機(jī)實(shí)操環(huán)節(jié)，這有礙于學(xué)生深入的理解海洋數(shù)值模擬的核心所在，更不利于學(xué)生真正的掌握海洋數(shù)值模擬技能；也有部分學(xué)生忽視理論基礎(chǔ)的掌握，盲目的上機(jī)操作，卻因?qū)ξ锢韱?wèn)題的膚淺理解導(dǎo)致編程錯(cuò)誤頻出，同樣也無(wú)法達(dá)到好的學(xué)習(xí)效果。上述兩種情形都極大的阻礙了教學(xué)計(jì)劃的順利開(kāi)展，達(dá)成良好的教學(xué)效果更是無(wú)稽之談，這便迫切需要我們通過(guò)探討改革教學(xué)思路來(lái)改善當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀。

2 教改思路

針對(duì)《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程的教學(xué)現(xiàn)狀，以培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的數(shù)值模擬理論功底和熟練的計(jì)算機(jī)編程技能為基礎(chǔ)，開(kāi)展“篩選理論、注重編程和實(shí)踐演練”教學(xué)思路設(shè)計(jì)，探討課程改革，以期實(shí)現(xiàn)課程的有效教學(xué)。

2.1 篩選理論

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程的核心理論內(nèi)容是海水運(yùn)動(dòng)控制方程以及數(shù)值求解非線性偏微分方程的理解、推導(dǎo)和掌握，可細(xì)分為海水運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)力、熱力控制方程，初始、邊界、強(qiáng)迫條件，以及差分方程的推導(dǎo)、穩(wěn)定性、收斂性和相容性等，上述內(nèi)容作為海洋數(shù)值模擬實(shí)踐操作的理論基礎(chǔ)，需要學(xué)生深刻理解，熟練掌握。在授課過(guò)程中，教師應(yīng)逐步的、詳細(xì)的向?qū)W生展示各數(shù)理方程的推導(dǎo)過(guò)程，講解方程中每一項(xiàng)的物理或數(shù)學(xué)意義。要求學(xué)生熟練掌握各數(shù)理方程的推導(dǎo)步驟，通過(guò)隨堂測(cè)試、課后作業(yè)的方式幫助學(xué)生予以加強(qiáng)鞏固。特別的，以二維淺水運(yùn)動(dòng)方程及其差分方程的推導(dǎo)為典型案例，檢驗(yàn)學(xué)生理論的掌握情況，教師根據(jù)學(xué)生的推導(dǎo)效果，進(jìn)行答疑并查漏補(bǔ)缺。在梳理理論知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中，應(yīng)積極保證教學(xué)環(huán)節(jié)的綜合性和知識(shí)的連貫性，教學(xué)方式上“講授”和“研討”緊密結(jié)合。學(xué)生為主體，旁征博引、討論匯報(bào)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)習(xí)記憶，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的境界。

2.2 注重編程

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程落實(shí)到應(yīng)用上就是上機(jī)實(shí)操環(huán)節(jié)，用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)理論和數(shù)據(jù)的可視化，從而有利于相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的動(dòng)力機(jī)制分析，貢獻(xiàn)于海洋水動(dòng)力環(huán)境的后報(bào)及預(yù)報(bào)。由于當(dāng)前課程考核形式為卷面考試，偏重于理論知識(shí)點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生急功近利，思想上輕視上機(jī)實(shí)踐編程；同時(shí)，數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)編程能力要求較高，編程基礎(chǔ)較差的學(xué)生容易對(duì)課程產(chǎn)生消極抵觸的心態(tài)，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)“能動(dòng)手、能實(shí)踐、能應(yīng)用、能創(chuàng)新”的教學(xué)目標(biāo)。為改變這種現(xiàn)狀，上機(jī)編程課程中可穿插進(jìn)行隨堂小考，計(jì)入考試總成績(jī)；此外，編程課程先對(duì)模擬對(duì)象進(jìn)行提煉分析，總結(jié)現(xiàn)象特征，確定動(dòng)力參數(shù)，提示編程重點(diǎn)與難點(diǎn)，讓學(xué)生分組討論和相互借鑒，自主領(lǐng)會(huì)數(shù)值模擬過(guò)程中的技巧和要點(diǎn)。通過(guò)這種教學(xué)方法，可提高學(xué)生對(duì)上機(jī)實(shí)踐編程的重視度和編程實(shí)施的熟練度，發(fā)揮先進(jìn)同學(xué)的帶動(dòng)性，并激發(fā)后進(jìn)同學(xué)的積極性，有助于課程的有效教學(xué)。

2.3 實(shí)踐演練

學(xué)以致用是《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程開(kāi)設(shè)的出發(fā)點(diǎn)，我校海洋與氣象學(xué)院“海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)”的建設(shè)[9]，為海洋數(shù)值模擬提供了廣闊的實(shí)施平臺(tái)和優(yōu)良的教學(xué)條件。在虛擬仿真系統(tǒng)中建設(shè)海洋數(shù)值模擬模塊，教師可自主編程開(kāi)發(fā)教學(xué)案例模擬一些特定的海洋水動(dòng)力現(xiàn)象，以便向?qū)W生展示海洋數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及用途，從而幫助學(xué)生直觀的認(rèn)識(shí)海洋數(shù)值模擬。此外，學(xué)生也可通過(guò)調(diào)整教學(xué)案例中某一水動(dòng)力參數(shù)，分析不同數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的差異，并嘗試從動(dòng)力學(xué)角度給出機(jī)制解釋。虛擬仿真系統(tǒng)為教師和學(xué)生提供了互動(dòng)的平臺(tái)，能提高課程的趣味性，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力、消化吸收理論知識(shí)，熟悉整個(gè)海洋數(shù)值模擬的實(shí)施流程，從而有助于良好的教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，還可為學(xué)生畢業(yè)論文和繼續(xù)深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 總結(jié)

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程作為海洋科學(xué)專業(yè)本科生專業(yè)課程之一，是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的重要一環(huán)。如何調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新應(yīng)用能力，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容、方法及思路進(jìn)行不斷的探索和完善。本文對(duì)該課程教學(xué)改革的探討，需要教師不斷的提升學(xué)術(shù)水平，積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，豐富教學(xué)資源，完善教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生熟練掌握課程理論知識(shí)的同時(shí)激發(fā)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)理論與應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到優(yōu)良的教學(xué)效果，培養(yǎng)應(yīng)用型海洋人才。

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