淺談海洋要素計算及預(yù)報課程的實驗教學(xué)

摘 要：本文首先介紹了海洋要素計算及預(yù)報實驗課程設(shè)置的目的和意義，進而針對實驗教學(xué)內(nèi)容，提出了自主實驗的創(chuàng)新教學(xué)方法，以此調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，加深對理論知識的理解和認知，從而提高整個課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：海洋要素；計算及預(yù)報；實驗課程

海洋要素計算及預(yù)報是海洋科學(xué)和海洋技術(shù)專業(yè)重要的理論應(yīng)用課程。開設(shè)該課程的目的是幫助學(xué)生熟悉潮汐潮流、波浪和海流的基本特征及計算原理，掌握潮汐和海流的預(yù)報分析及數(shù)值計算方法。此外，通過本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生還可以掌握海水溫度和鹽度等水文資料的處理及質(zhì)量分析方法。

實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置要注重理論和實踐相結(jié)合。首先，實驗課程和理論課程是統(tǒng)一的整體而不是分裂的兩門課，實驗課程也不是理論課程簡單的重復(fù)，而是深化和拓展，這種深化和拓展不局限于知識體系，還包括研究手段。海洋動力模型是研究海洋動力要素的重要手段，是對海洋理論和觀測結(jié)果的驗證及進一步的推廣。本實驗課程的目的就是幫助學(xué)生熟悉和掌握國際通用的海洋動力模型，用于實際海域風(fēng)生海流和潮汐潮流的數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進行處理分析，培養(yǎng)學(xué)生以動力模型為手段設(shè)計數(shù)值實驗、解決實際問題的能力。上述實驗?zāi)康牡倪_成還需要學(xué)生事先掌握運用Fortran和Matlab編程語言的技能，以及對數(shù)值計算方法或流體力學(xué)計算方法有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，并且能夠熟練運用物理海洋學(xué)知識對計算結(jié)果進行分析。

一、實驗原理和實驗內(nèi)容

風(fēng)生海洋環(huán)流和潮汐潮流都是物理海洋學(xué)中重要的概念，分別揭示了在海面風(fēng)場作用下海水大規(guī)模的穩(wěn)定運動以及在天體引潮力作用下海水有規(guī)律的運動。風(fēng)生海流和潮流理論對于解釋海洋環(huán)境中的生物遷移、污染物分布等都具有指導(dǎo)作用。本實驗項目就是以海洋動力模型為研究手段，探討實際海域的風(fēng)生海洋環(huán)流和潮汐潮流的典型特征，并將理論和觀測結(jié)果進行對比分析，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

本實驗課程是對海洋要素計算及預(yù)報課程理論知識的拓展，通過理論知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對海洋動力要素有了一定的感性認識。實驗課程的內(nèi)容就是針對實際海域給出風(fēng)生海洋環(huán)流和潮汐潮流的定量描述。這不僅可以進一步加深學(xué)生對理論知識的理解，還可以幫助學(xué)生熟悉和掌握動力模型這種研究海洋的重要手段。

從這個意義上講，實驗課程的設(shè)置是很重要的，而且也是必要的。具體實驗內(nèi)容如下：

（1）幫助學(xué)生盡快掌握模型，包括熟悉模型的計算流程，海域開邊界問題的處理以及輸入輸出文件的讀取、保存等；

（2）給定風(fēng)場和潮汐邊界調(diào)和常數(shù)，讓學(xué)生針對實際海域進行風(fēng)海流和潮汐潮流的數(shù)值模擬，并對計算結(jié)果進行處理分析；

（3）確定若干實驗題目（包括必做題和選做題），讓學(xué)生自主設(shè)計相關(guān)數(shù)值實驗，包括模型參數(shù)的修改、站點斷面的選取等，完成題目所規(guī)定的研究內(nèi)容。

二、創(chuàng)新實驗教學(xué)方法

目前實驗工具為國際上最為通用的普林斯頓海洋動力模型，該模型可直接用于海洋預(yù)報等業(yè)務(wù)化工作，并成為許多水質(zhì)公司開發(fā)的商業(yè)軟件的內(nèi)核程序。本實驗課程通過計算機完成，所采用的軟件平臺包含F(xiàn)ortran（模型計算用）和Matlab（數(shù)據(jù)處理和可視化用）。實驗教學(xué)采用理論授課、動手操作和自主實驗相結(jié)合的方法。

理論授課就是請從事海洋動力模型開發(fā)和應(yīng)用的教師，給學(xué)生介紹海洋模型的結(jié)構(gòu)流程等基本特征和應(yīng)用技巧，使學(xué)生盡快熟悉模型系統(tǒng)的構(gòu)架和計算流程。

動手實驗是在教師指導(dǎo)下，讓學(xué)生進行模型程序調(diào)試和運行，掌握模型主要參數(shù)的含義，開邊界條件的處理和輸入輸出文件的讀取保存。

自主數(shù)值實驗是本實驗課程的亮點和創(chuàng)新點所在，教師事先確定一些大的實驗題目，內(nèi)容涉及海洋要素計算及預(yù)報理論課的重要知識點，學(xué)生根據(jù)自己對理論課程的掌握情況自主選擇相應(yīng)的題目進行實驗。所制定的題目包含必做題目和選做題目。必做題目相對簡單，按照老師課堂介紹的操作步驟按部就班地執(zhí)行即可完成；選做題只給題目，具體實驗方案需要學(xué)生自主設(shè)計，在實驗過程遇到困難老師可給予必要的指導(dǎo)，目的是最大限度調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)主動性。自主實驗與傳統(tǒng)實驗相比具有綜合性強的優(yōu)點，無論是從教學(xué)的方法上，還是實驗內(nèi)容設(shè)計上，都有一定的創(chuàng)新性，而且能夠最大限度地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和分析問題、解決問題的能力。

實驗教學(xué)內(nèi)容的多樣性還能夠適應(yīng)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，既保證了大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進度，也有利于拔尖學(xué)生在業(yè)務(wù)水平上的提高。

本文主要介紹了海洋要素計算及預(yù)報課程的實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。在掌握理論知識和實驗手段的基礎(chǔ)上進行自主實驗是本實驗課程的核心亮點，這樣可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)獨立思考問題和解決問題的能力，對于學(xué)生今后走上工作崗位是有幫助的。

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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。