物理海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計及其思政教育探討

程靈巧 初文華 胡 松

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院 上海 201306；2.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 上海 201306）

在《物理海洋學(xué)》課堂教學(xué)中，較多的公式推導(dǎo)和錯綜復(fù)雜的海洋流體結(jié)構(gòu)特征解析，讓其在學(xué)生中具有艱澀難懂、缺乏代入感、無法理論聯(lián)系實(shí)際的負(fù)面印象。因此，在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)立《物理海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)，能夠較好地彌補(bǔ)上述理論授課中的不足和問題。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里對海洋現(xiàn)象進(jìn)行模擬再現(xiàn)并觀察，具有二次理解的效果，進(jìn)而達(dá)到正確掌握理論知識，提高學(xué)習(xí)興趣的目的。

《物理海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)》與化學(xué)、生物類測量實(shí)驗(yàn)不同，重在設(shè)計模擬各種尺度海洋現(xiàn)象，或者抽離出海洋中復(fù)雜疊加信號的某一部分進(jìn)行模擬，具有典型的理想實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)。這一特點(diǎn)與該課程理論多基于理想假設(shè)有很大關(guān)系。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路和可視化再現(xiàn)方法是本課程實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。以雙擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)為例，海洋中的雙擴(kuò)散混合主要體現(xiàn)在溫鹽變化上，并不能直觀看到。而在實(shí)驗(yàn)室，水溫是較難控制要素之一，因此為了再現(xiàn)雙擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，可以利用擴(kuò)散系數(shù)約有3倍差異的鹽和糖來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用顏料進(jìn)行可視化。通過這樣情景模擬為目的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，讓學(xué)生直接觀測到類似海洋中發(fā)生的物理現(xiàn)象特征，從感官上再認(rèn)識、理解物理海洋學(xué)知識。另外，基于本實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，同時結(jié)合目前高校思政教育進(jìn)課堂的要求，從各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中提取思政素材也具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計目標(biāo)

《物理海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)》是一門對學(xué)生設(shè)計思考、團(tuán)隊協(xié)調(diào)、動手操作能力方面具有高度訓(xùn)練作用的實(shí)驗(yàn)課程。本課程設(shè)計目標(biāo)包括了：（1）通過理論結(jié)合實(shí)踐專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和動手能力練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生逐漸樹立學(xué)習(xí)物理海洋學(xué)專業(yè)應(yīng)具備的職業(yè)道德，理解誠實(shí)公正、誠信守則的職業(yè)操守和規(guī)范，并能在以后的專業(yè)學(xué)習(xí)中自覺遵守各項(xiàng)規(guī)則；（2）通過自己動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的過程，加深理解并掌握物理海洋學(xué)專業(yè)中需要用到的基礎(chǔ)知識，為后續(xù)其它專業(yè)課程學(xué)習(xí)，從事物理海洋學(xué)相關(guān)工作和進(jìn)行深入科學(xué)研究打下基礎(chǔ)；（3）在力求培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與觀察能力的同時，理論聯(lián)系實(shí)際地培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考、綜合分析能力，科學(xué)思維能力和創(chuàng)新意識，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，并培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的學(xué)風(fēng)；（4）在學(xué)習(xí)《物理海洋學(xué)》理論課的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，驗(yàn)證、加強(qiáng)理解和鞏固課堂講授所學(xué)知識，使學(xué)生深入理解物理海洋理論知識、并達(dá)到融會貫通，掌握分析海洋動力環(huán)境中各種現(xiàn)象及其機(jī)理的能力；（5）通過掌握物理海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)操作技能和知識，理解海洋流體力學(xué)和海洋運(yùn)動特征，達(dá)到認(rèn)識海洋、理解海洋、經(jīng)略海洋[1]的初步階段。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計原則

本課程實(shí)驗(yàn)多為綜合設(shè)計型實(shí)驗(yàn)，以4-6人小組的形式開展，需要遵循一定設(shè)計原則：（1）緊扣理論原則。理論知識是實(shí)驗(yàn)設(shè)計開展的基礎(chǔ)，對實(shí)驗(yàn)方法論具有指導(dǎo)和驗(yàn)證作用。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中需要深入理解對應(yīng)理論知識的框架背景及邏輯關(guān)系，進(jìn)而融會貫通地運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中。（2）團(tuán)隊協(xié)作原則。一個綜合設(shè)計類實(shí)驗(yàn)沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，留給團(tuán)隊充足的思考規(guī)劃空間，需要團(tuán)隊成員通力合作、合理分擔(dān)任務(wù)才能有效完成。（3）注重實(shí)驗(yàn)過程原則。實(shí)驗(yàn)最終分?jǐn)?shù)占比為實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)50%+實(shí)驗(yàn)報告50%。實(shí)驗(yàn)報告以小組的形式提交，因此小組內(nèi)成員的報告成績相同。而實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)分?jǐn)?shù)因人而異，根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的參與度、貢獻(xiàn)度和領(lǐng)導(dǎo)力等方面進(jìn)行客觀評分。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及思政素材提取

在能量方程實(shí)驗(yàn)中，流動著的液體往往對結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生更大的沖擊力，液體在流動過程中必然會產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換與耗散，這一點(diǎn)在生活和工程中都有著十分重要的意義，例如波浪、潮汐對結(jié)構(gòu)的沖擊等等，此外在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的其他領(lǐng)域，如城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域流體力學(xué)也是所需應(yīng)用的重要理論基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更加深刻認(rèn)識到所學(xué)專業(yè)理論基礎(chǔ)的重要性，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)榮譽(yù)感，為其今后從事相關(guān)專業(yè)工作打下重要的思想基礎(chǔ)。

在泰勒柱實(shí)驗(yàn)中，泰勒-普勞德曼定理解釋了大洋海流沿著等深面運(yùn)動趨勢的原因，其中符合這一原理的包括黑潮沿著沖繩海槽流動和黃海暖流沿著黃海海槽流動的現(xiàn)象[2]。在實(shí)驗(yàn)室中相對簡單的物理環(huán)境和操作演示，將復(fù)雜海洋中大規(guī)模的海流運(yùn)動基本特征呈現(xiàn)出來，增進(jìn)學(xué)生的理解，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生探索海洋的信心。在社會活動中，這種將復(fù)雜問題簡單化、抓住問題的核心進(jìn)行分析的能力非常重要，也是科學(xué)教育中急需培養(yǎng)的內(nèi)容。通過該實(shí)驗(yàn)的開展，有望使學(xué)生在實(shí)踐分析中培養(yǎng)該方面能力。

另外，在實(shí)際海洋中，有一種特定海域，也許海況很好，但卻可能發(fā)生船只前進(jìn)困難的情況，海洋學(xué)上將這種現(xiàn)象稱為“死水”現(xiàn)象[3]。該現(xiàn)象是一個海洋內(nèi)部界面波阻礙船舶正常行駛的典型案例。通過海洋內(nèi)部界面波模擬實(shí)驗(yàn)的操作和演示，將海表面以下的波浪狀態(tài)呈現(xiàn)出來，使學(xué)生理解海洋內(nèi)部波浪的原理、發(fā)生條件、可能影響后果。撥開現(xiàn)象看本質(zhì)是物理海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的基本思路，通過該實(shí)驗(yàn)的開展，相信能夠提高學(xué)生從本質(zhì)上分析問題、解決問題的能力。

同時，世界大洋內(nèi)部是連續(xù)層結(jié)場，來自海表風(fēng)場、潮汐能和來自海底的摩擦能，基本是通過內(nèi)波的形式傳播到海洋內(nèi)部，并在內(nèi)部通過非線性相互作用轉(zhuǎn)化為更小尺度的動能。此過程中就涉及到連續(xù)層結(jié)場中內(nèi)波的傳播方式及特征。而在這種連續(xù)層結(jié)場中，由于各層之間的聯(lián)動效應(yīng)及密度差，內(nèi)波的傳播方向與水平方向存在一定夾角。同時相位速度和群速度的傳播呈直角關(guān)系。這樣的傳播特征在沿岸、海山附近尤為重要。通過本實(shí)驗(yàn)的可視化，學(xué)生能夠非常直觀地觀察和思考這種有偏人類正常認(rèn)知的現(xiàn)象，有助學(xué)生深入理解海洋內(nèi)部物理環(huán)境狀態(tài)，拓展思維方式，增強(qiáng)進(jìn)一步探索海洋的信心，為成為新時代下有抱負(fù)和志向的海洋人打下基礎(chǔ)。

在雙擴(kuò)散對流實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的兩種海水混合形式都是在層結(jié)穩(wěn)定場中發(fā)生。鹽指對流出現(xiàn)手指狀的高鹽水下侵，擴(kuò)散型對流是高溫水上侵，兩者都有增強(qiáng)層結(jié)穩(wěn)定的效果。論其產(chǎn)生原因，這是由海水的分子熱擴(kuò)散系數(shù)是鹽擴(kuò)散系數(shù)的約100倍引起的[3]。雙擴(kuò)散對流是海洋中非常有趣且重要的自然現(xiàn)象，多發(fā)生在河流入?？?、鋒面等具有完全不同特性的水團(tuán)貫入到層結(jié)穩(wěn)定海水中的情況。通過本實(shí)驗(yàn)的開展，學(xué)生能夠觀測到非常形象的雙擴(kuò)散對流混合特征。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在驚嘆這種自然現(xiàn)象的同時，能夠意識到人類的局限性及自然世界的無窮魅力，從而引發(fā)對自然的敬畏之心，更深刻理解國家大力發(fā)展海洋事業(yè)、探知海洋的決心。

偏西風(fēng)波動實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是大氣行星波動——羅斯貝波的運(yùn)動狀態(tài)，極地低溫與熱帶高溫之間由于某種擾動作用，會觸發(fā)大規(guī)模的波動。這種大規(guī)模的大氣波動現(xiàn)象對全球亞熱帶和溫帶的氣候產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。基于相同的力學(xué)結(jié)構(gòu)，海洋也會出現(xiàn)類似的長周期波動。通過該實(shí)驗(yàn)的開展，學(xué)生觀察到只能在實(shí)驗(yàn)室中才能再現(xiàn)的行星尺度運(yùn)動，同時也能較好地理解一些全球性的氣候現(xiàn)象，有助于培養(yǎng)學(xué)生的全局意識，增強(qiáng)責(zé)任感和愛國情懷。

3 結(jié)語

在如今高等學(xué)校越來越重視實(shí)踐教學(xué)的背景下，本文針對《物理海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程設(shè)計進(jìn)行闡述，分享探討了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中思政教育融入的新思路。作為傳統(tǒng)理論教學(xué)的重要輔助，設(shè)計類實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎谜{(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性，鼓勵學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維拓展；同時，理論知識的引導(dǎo)，幫助學(xué)生往正確方向深入思考。在有實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力的情況下，摒棄紙上談兵、填鴨式教學(xué)的舊方法，通過這種理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的新模式，對啟發(fā)教學(xué)改革和學(xué)生學(xué)習(xí)方面都具有重要意義。思政教育作為目前高校教學(xué)改革的重要內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能夠脫離宣講方式，在學(xué)生自主設(shè)計、操作實(shí)驗(yàn)過程中自然融入，讓學(xué)生在潛移默化中接受教育[4]。