海洋環(huán)境數(shù)值模擬在海洋工程專業(yè)研究生教育中的應(yīng)用

蔣浩宇 趙恩金 程飛 牟林

摘要：在海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的背景下，國內(nèi)各高校開始增設(shè)海洋工程等涉海專業(yè)。海洋工程專業(yè)為工科專業(yè)，需要更多的實(shí)踐提高技術(shù)及創(chuàng)新能力。筆者針對海洋工程專業(yè)研究生培養(yǎng)的要求和研究生教學(xué)的特點(diǎn)，提出利用海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)，從實(shí)際問題入手，通過海洋環(huán)境數(shù)值模式的安裝、測試、運(yùn)行、修改強(qiáng)化研究生的專業(yè)實(shí)踐技能，提高研究生用數(shù)值模擬手段解決相關(guān)問題的能力。同時(shí)，通過相應(yīng)模擬結(jié)果的可視化反饋提升研究生對海洋科學(xué)、海洋工程相關(guān)問題的認(rèn)識(shí)和理解，提升相關(guān)理論課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；數(shù)值模擬；海洋工程；研究生教育；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）05-0147-03

一、研究背景

隨著“海洋強(qiáng)國”上升為國家戰(zhàn)略以及“一帶一路”倡議的實(shí)施，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國已經(jīng)明確寫入了黨的十九大報(bào)告。海洋強(qiáng)國需要海洋科學(xué)、海洋技術(shù)、海洋工程的協(xié)同發(fā)展作為支撐，這一目標(biāo)對高等教育提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，努力培養(yǎng)適應(yīng)海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才、技術(shù)型人才和應(yīng)用型人才，已成為我國海洋領(lǐng)域高等教育的一項(xiàng)重大任務(wù)。在這一背景下，以浙江大學(xué)、河海大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)為代表的國內(nèi)眾多知名重點(diǎn)高校在近年來都逐漸成立了海洋學(xué)院，以響應(yīng)時(shí)代對于培養(yǎng)海洋領(lǐng)域?qū)ｉT技術(shù)人才的需求[1]。

海洋工程專業(yè)的研究生是海洋領(lǐng)域?qū)ｉT技術(shù)人才的重要組成部分。作為工科專業(yè)，研究生既需要良好的專業(yè)理論基礎(chǔ)，同時(shí)也需要較多的實(shí)踐訓(xùn)練以提升相關(guān)的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力。但海洋工程的大部分實(shí)踐，尤其是現(xiàn)場實(shí)踐具有高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)、高投入等特點(diǎn)。例如，一次外海水文觀測所需要的船費(fèi)和燃油費(fèi)動(dòng)輒以數(shù)十萬計(jì)算，而且出海具有較大的危險(xiǎn)性。雖然這類現(xiàn)場實(shí)踐的培養(yǎng)為研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)的必須，但讓研究生在學(xué)習(xí)階段大量實(shí)際地接觸海洋工程結(jié)構(gòu)物或直觀地觀測海洋環(huán)境對于大部分培養(yǎng)單位來說都是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，在海洋工程專業(yè)的研究生培養(yǎng)階段，大部分專業(yè)知識(shí)仍然是通過課堂講述的方法進(jìn)行傳授，教學(xué)方式略顯單一。盡管科技的發(fā)展將多媒體技術(shù)逐漸大量應(yīng)用于課堂，借助視頻和動(dòng)畫，研究生能夠較為直觀地了解海洋工程設(shè)計(jì)、建造、安裝等過程以及海洋水文氣象的觀測過程，但這些技術(shù)仍然無法真正有效彌補(bǔ)當(dāng)前海洋工程研究生培養(yǎng)中實(shí)踐環(huán)節(jié)的缺失。

在海洋工程實(shí)地實(shí)踐受限的情況下，如何提高海洋工程專業(yè)研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力是海洋工程專業(yè)研究生教學(xué)體系的系統(tǒng)化問題，也是海洋工程專業(yè)研究生教學(xué)改革的重要研究內(nèi)容。針對海洋工程專業(yè)研究生教學(xué)實(shí)踐的這一現(xiàn)存問題，本文在海洋工程專業(yè)研究生培養(yǎng)中引入海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)，從而加強(qiáng)研究生對海洋工程的實(shí)踐能力，提高學(xué)生科研素質(zhì)和業(yè)務(wù)能力，使我國未來海洋工程領(lǐng)域的人才更好地適應(yīng)市場和社會(huì)發(fā)展，成為合格的海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施者。

二、海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展，許多過去需要超級計(jì)算機(jī)才能夠進(jìn)行模擬的風(fēng)、浪、潮、流等現(xiàn)象逐漸也可以通過價(jià)格相對較低的高性能服務(wù)器進(jìn)行模擬。作為現(xiàn)代工程學(xué)科“理論分析”、“數(shù)值模擬”和“虛擬實(shí)驗(yàn)”中的三大支點(diǎn)之一，海洋環(huán)境數(shù)值模擬是海洋工程技術(shù)發(fā)展的有機(jī)組成部分[2]。這一技術(shù)借助海洋模式，從海洋中基本的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒出發(fā)，以離散和有限元方法對海洋中的現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算，詮釋海洋中的物理規(guī)律，模擬海水的運(yùn)動(dòng)過程。

一套完整的海洋數(shù)值模型會(huì)有數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)值計(jì)算分析和數(shù)據(jù)后處理三個(gè)組成部分。前處理為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（邊界條件）的搜集，例如區(qū)域海洋的水深、潮汐調(diào)和常數(shù)、海岸線、網(wǎng)格劃分、初始場等等。計(jì)算分析的主要內(nèi)容是物理方程的離散化求解過程，例如水動(dòng)力模式下的三大守恒方程，通過對離散網(wǎng)格不同位置偏微分方程的求解，得到模擬區(qū)域流速、流向、水位、溫度等信息。后處理則是對模擬得到的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析或是可視化等，以直觀的方式展現(xiàn)海洋環(huán)境的時(shí)空結(jié)構(gòu)和變異規(guī)律。

海洋工程領(lǐng)域較為經(jīng)典的海洋環(huán)境數(shù)值模式包括大氣模型WRF（Weather Research and Forecasting）、水動(dòng)力模型FVCOM（Finite-Volume，primitive equation Community Ocean Model）、波浪模型SWAN（Simulating WAves Nearshore）等。以FVCOM為例，其綜合了多種物理、生態(tài)、水質(zhì)、工程、水動(dòng)力功能模塊，模式的輸入基于標(biāo)準(zhǔn)化的NetCDF格式，能夠?qū)崿F(xiàn)多平臺(tái)的通用兼容。數(shù)值的計(jì)算方面，模型基于Fortran 90/95標(biāo)準(zhǔn)，利用對水平三角網(wǎng)格控制體進(jìn)行各類通量的有限體積積分，從而對模式的各控制方程進(jìn)行離散求解[3]。模型在信息傳遞接口框架下實(shí)現(xiàn)并行化，可以在共享或分布式內(nèi)存的多計(jì)算節(jié)點(diǎn)HPC（High Performance Computer）上實(shí)現(xiàn)模擬。這一模式因?qū)?shù)值處理方法的先進(jìn)性和三角網(wǎng)格對岸線地形擬合以及可變分辨率的優(yōu)勢，并能使用VISIT軟件進(jìn)行輸入輸出非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的快速2D/3D可視化[4]，在河口海岸地區(qū)的海洋工程計(jì)算以及環(huán)境平衡等領(lǐng)域中具有較為普遍的應(yīng)用[5]。

三、海洋環(huán)境數(shù)值模擬在教學(xué)中的應(yīng)用

海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)能模擬不同條件下的海洋水文狀況，在海洋工程中應(yīng)用廣泛，通過海洋環(huán)境數(shù)值模擬在教學(xué)中的應(yīng)用，可以讓研究生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行不同參數(shù)、不同條件下的實(shí)驗(yàn)，加深對海洋中各類現(xiàn)象的感知和對相關(guān)物理過程與理論的理解。其在海洋工程教學(xué)中的應(yīng)用可以體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1.加強(qiáng)海洋工程研究生的學(xué)習(xí)效果：學(xué)生往往對實(shí)際的海洋工程環(huán)境缺乏直觀地了解，在學(xué)習(xí)中容易產(chǎn)生困惑。對于研究生，雖然經(jīng)過本科階段的積累，可能對相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生了基本的認(rèn)識(shí)，但由于很少有機(jī)會(huì)能夠?qū)嶋H參與海洋觀測，因此對相關(guān)的專業(yè)知識(shí)的理解往往依然不足。上述原因更是導(dǎo)致研究生們對相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性的缺乏，增加了專業(yè)課程的教學(xué)困難。通過數(shù)值模擬技術(shù)，可以通過讓學(xué)生在實(shí)踐中加深對相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解[6]。特別地，利用數(shù)值模擬進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)有較好的反饋性，能夠迅速給予學(xué)生實(shí)驗(yàn)階段性成功的反饋，有助于提高研究生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性。

2.加強(qiáng)海洋工程研究生的實(shí)踐能力：當(dāng)前國內(nèi)的海洋工程研究生培養(yǎng)注重基礎(chǔ)素質(zhì)的培養(yǎng)，對教材內(nèi)容中理論闡述的部分較為充分，但與工程實(shí)踐結(jié)合不夠充分，對于研究生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)仍然存在較大的缺陷，導(dǎo)致研究生的理論知識(shí)和工程實(shí)踐結(jié)合不夠充分。通過對學(xué)生數(shù)值模擬能力的培養(yǎng)，全面提高研究生利用數(shù)值模式解決海洋工程中實(shí)際問題的能力，同時(shí)有效提高其代碼編寫、數(shù)據(jù)分析、資料處理等工科學(xué)生通用的動(dòng)手實(shí)踐能力，在與社會(huì)需求接軌的同時(shí)提高海洋工程專業(yè)研究生的跨學(xué)科和交叉學(xué)科的實(shí)踐能力，同時(shí)有效提升本專業(yè)研究生的就業(yè)競爭力。

3.加強(qiáng)海洋工程研究生的創(chuàng)新能力：數(shù)值模擬技術(shù)是海洋工程研究的重要話題之一，也是海洋工程的科學(xué)前沿方向之一。在利用海洋環(huán)境數(shù)值模擬對研究生進(jìn)行培養(yǎng)的過程中，可以利用搭建好的計(jì)算機(jī)工作環(huán)境，為研究生提供科研平臺(tái)，并指導(dǎo)和組織研究生開展物理海洋學(xué)、工程海洋學(xué)、工程水文學(xué)等學(xué)科的理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、數(shù)值敏感性實(shí)驗(yàn)以及技術(shù)研究開發(fā)工作。同時(shí)，由于數(shù)值模擬的過程需要大量的程序編寫，因此在環(huán)境的搭建過程中，本身也可以讓研究生參與到不同數(shù)值模型的開發(fā)中。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和模型開發(fā)均是開放問題，能夠讓研究生發(fā)揮創(chuàng)新能力并摸索科學(xué)研究的方法與規(guī)律，進(jìn)一步提升研究生的科研潛力[7]。

4.加強(qiáng)海洋工程研究生教學(xué)體系的完善：在利用海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)開展研究與實(shí)踐的過程中，相關(guān)的高校將完善具有海洋學(xué)特色的海洋工程專業(yè)研究生多層次實(shí)踐教學(xué)體系，探索利用數(shù)值模擬提高研究生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的機(jī)制。通過最大程度上利用學(xué)校的教學(xué)、科研資源，培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新能力且和社會(huì)需求接軌程度高的海洋工程專業(yè)研究生。

四、總結(jié)

海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)能夠在海洋工程專業(yè)研究生教育教學(xué)的過程中發(fā)揮巨大的作用。通過對海洋環(huán)境數(shù)值模式相關(guān)的模型前處理、數(shù)據(jù)處理、代碼分析、模式運(yùn)行、數(shù)據(jù)的可視化等環(huán)節(jié)的實(shí)踐操作，將極大地提高海洋工程專業(yè)研究生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)力和學(xué)習(xí)效果，同時(shí)將有效提高研究生的動(dòng)手能力。通過理論學(xué)習(xí)與數(shù)值模擬實(shí)踐的結(jié)合，能夠?qū)?fù)雜的海洋環(huán)境產(chǎn)生更為直觀且深刻的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而使專業(yè)中的相關(guān)基礎(chǔ)理論能夠得以應(yīng)用，并將海洋工程中偏微分方程等大量抽象的問題形象化。從教師的角度講，通過理論教學(xué)與實(shí)踐指導(dǎo)的結(jié)合，教師可以不斷改進(jìn)教學(xué)、指導(dǎo)方法，從而提高研究生培養(yǎng)的質(zhì)量。而從研究生的角度，通過參加海洋環(huán)境數(shù)值模擬方面的實(shí)踐，將有效提高自身創(chuàng)新與發(fā)散思維，更好地洞見海洋工程問題中的物理含義，強(qiáng)化課本知識(shí)的理解，并加強(qiáng)對計(jì)算機(jī)的使用能力，更好地應(yīng)對時(shí)代對于計(jì)算機(jī)科學(xué)人才的需求。因此，海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)在海洋工程研究生教育教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，將為我國海洋工程領(lǐng)域的建設(shè)和發(fā)展培養(yǎng)出具有實(shí)踐和創(chuàng)新能力的技術(shù)人才，支撐當(dāng)前“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的有效實(shí)施。

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