跨專業(yè)研究生計算海洋聲學(xué)課程理論教學(xué)方法思考

馬樹青 包長春 王一博 吳艷群

摘要：根據(jù)《計算海洋聲學(xué)》課程理論教學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合近年來在教學(xué)過程中的一些思考，在課程建設(shè)、教學(xué)目標(biāo)、理論講授方法等方面進(jìn)行了總結(jié)，為該課程的建設(shè)、提高教學(xué)質(zhì)量等方面提供了部分思路，文中方法也可對理論相關(guān)的課程教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：計算海洋聲學(xué);理論教學(xué);講授方法

中圖分類號：G642.4 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）42-0167-02

一、概述

國防科技大學(xué)水聲工程碩士點(diǎn)成立于2003年，2004年開始招收碩士研究生。這是湖南省也是國防科大涉及海洋技術(shù)具有碩士學(xué)位授予權(quán)的唯一專業(yè)。多年來逐步建成《水聲學(xué)原理》、《聲納信號處理》、《計算海洋聲學(xué)》及《專門水聲實驗》四門課程，構(gòu)成水聲工程學(xué)科的較完整的學(xué)科專業(yè)課程體系。其中，《計算海洋聲學(xué)》課程于2011年開始論證建設(shè)，并于2013年春季學(xué)期開始授課，面向?qū)ο鬄檠芯可荒昙壱约安┦可荒昙墝W(xué)生，至今已開設(shè)課程四次。

2015年1月國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)成立海洋科學(xué)與工程研究院，并將水聲工程學(xué)科納入研究院下，這兩年來，選課學(xué)生人數(shù)逐步增加，同時學(xué)生的專業(yè)包含了水聲工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、光學(xué)工程、軟件工程等多個專業(yè)的碩士與博士研究生。學(xué)生們本科學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同，數(shù)理功底差異明顯，因此在課程講述過程中，需要考慮學(xué)生對不同基礎(chǔ)知識點(diǎn)的覆蓋面，并不斷優(yōu)化教學(xué)課件與講授方式，才能有效提高教學(xué)質(zhì)量。

二、課程介紹

《計算海洋聲學(xué)》課程授課目的是深入探索海洋中聲傳播規(guī)律所形成的物理機(jī)理，通過建立海洋聲場理論模型，通過理論推導(dǎo)及數(shù)值計算的方式研究海洋聲場的物理現(xiàn)象與規(guī)律，具有較深的數(shù)學(xué)性、物理性，并著重培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)值計算能力。同時也承擔(dān)著高素質(zhì)創(chuàng)新型水聲工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)的任務(wù)。課程要求學(xué)生能深刻理解水聲物理規(guī)律，具備深厚的水聲數(shù)理計算素養(yǎng)，能夠靈活運(yùn)用水聲計算方法，因而對理論教學(xué)方法提出了更新更高的要求。

計算海洋聲學(xué)從聲學(xué)理論基礎(chǔ)中的波動方程出發(fā)，推導(dǎo)出頻域內(nèi)亥姆霍茲方程，該方程屬于數(shù)學(xué)物理方程中泊松方程的一種特殊類型。通過不同的數(shù)學(xué)與數(shù)值求解方法，可以得到海洋中聲波傳播的數(shù)值模擬仿真。通過近年來的教學(xué)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生需要綜合利用本科時期所學(xué)習(xí)的多門數(shù)理知識，同時，非相關(guān)專業(yè)的研究生需要補(bǔ)充相當(dāng)一部分額外的知識體系，這些基礎(chǔ)知識體系為較好地掌握該門課程提出了很高的要求，也為教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)。

三、理論教學(xué)方法思考

1.明確理論教學(xué)目標(biāo)。任何一門理論課的學(xué)習(xí)目標(biāo)包括整體學(xué)習(xí)目標(biāo)與各章的分支學(xué)習(xí)目標(biāo)。整體學(xué)習(xí)目標(biāo)是對課程的整體內(nèi)容而言的，各分支學(xué)習(xí)目標(biāo)是從屬和服務(wù)于整體學(xué)習(xí)目標(biāo)的。在學(xué)習(xí)過程中，只有讓學(xué)生首先明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，解決為什么學(xué)的問題，才能使學(xué)生抓住學(xué)習(xí)的主動權(quán)，積極主動地投入學(xué)習(xí)，避免或減少學(xué)習(xí)的盲目性，從而獲得理想的學(xué)習(xí)效果。（1）整體學(xué)習(xí)目標(biāo)。教科書的前言中講到：“本書試圖介紹用于求解非均勻液態(tài)—固態(tài)介質(zhì)中波動方程的現(xiàn)代數(shù)值技術(shù)。重點(diǎn)在于闡述對于實際海洋環(huán)境能直接得出數(shù)值實現(xiàn)方法的理論基礎(chǔ)。”該段文字在教科書前言中第四段的中部，點(diǎn)明了該課程的主要內(nèi)容及目的，在近兩年的教學(xué)過程中，在第一節(jié)課中，通過擴(kuò)充該段內(nèi)容，并進(jìn)行詳細(xì)解釋，使學(xué)生進(jìn)一步了解課程的整體學(xué)習(xí)目標(biāo)，為后續(xù)的教學(xué)提供了一個主線。（2）分支學(xué)習(xí)目標(biāo)。課程中每個章節(jié)均具備明確的分支學(xué)習(xí)目標(biāo)。具體來說，或通過某種方法得到海洋中聲傳播的規(guī)律，或通過規(guī)律研究海洋中的某種特殊現(xiàn)象。在每章學(xué)習(xí)中，首先給出該章內(nèi)容的總體目錄，之后通過備課時的分析，給出該章內(nèi)容的章節(jié)結(jié)構(gòu)圖，引導(dǎo)學(xué)生初步了解該章的各個小節(jié)的分支學(xué)習(xí)目標(biāo)，進(jìn)而掌握章節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)，為學(xué)習(xí)提供一條流水線。章節(jié)結(jié)構(gòu)圖在每次課程的開始、結(jié)束前及下次課程開始的復(fù)習(xí)中出現(xiàn)，通過三次分析，使學(xué)生形成明確的學(xué)習(xí)思路，加深學(xué)生印象。如圖1給出課程第二章中的章節(jié)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)然，在備課中也發(fā)現(xiàn)，很多小的知識點(diǎn)并非是串行分布，存在多類并行現(xiàn)象，這就需要在規(guī)劃章節(jié)結(jié)構(gòu)圖時，一方面復(fù)雜化圖形結(jié)構(gòu)，另一方面，通過兼顧主線，有所取舍，盡量使結(jié)構(gòu)圖簡明扼要，便于學(xué)生掌握。

2.多樣化理論講授方法。理論教學(xué)尤其是公式推導(dǎo)，對學(xué)生而言是一個十分枯燥并且難以理解的過程，應(yīng)盡量減少公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。但對于計算海洋聲學(xué)這門課程，理論性較強(qiáng)，因此有些重點(diǎn)的理論講解必不可少。為了提高理論教學(xué)質(zhì)量，筆者在近年來的教學(xué)中有以下三點(diǎn)體會。（1）教學(xué)重點(diǎn)體系化理論講授。針對章節(jié)中重點(diǎn)的理論知識，無法弱化過多的理論講授過程。此時，盡量采用體系化思路對公式進(jìn)行講解。類似于章節(jié)結(jié)構(gòu)圖，首先給出理論推導(dǎo)的全過程結(jié)構(gòu)的文字流程圖，使學(xué)生了解大體思路，之后按照順序逐一講解。當(dāng)講解完成后，給出理論推導(dǎo)過程的公式流程圖，進(jìn)一步加深學(xué)生學(xué)習(xí)印象。這樣以結(jié)構(gòu)圖為主線，進(jìn)行體系化理論講授，一方面使學(xué)生了解理論推導(dǎo)的目標(biāo)，另一方面不會陷入到理論中，從而影響總體理解。如教學(xué)中第五章簡正波法的主要推導(dǎo)過程，首先給出簡正波法的整體推導(dǎo)文字流程思路，然后分部講解該方法的理論推導(dǎo)過程，講解完成后，再次給出文字流程圖，并給出公式流程圖，通過文字流程與公式流程，使學(xué)生建立起該方法的分析體系，從而可以深入思考體系中各部分難點(diǎn)。（2）教學(xué)非重點(diǎn)物理概念講授。理論教學(xué)中針對非重點(diǎn)的理論推導(dǎo)，盡量采取以物理概念為主體的講授方法。首先弱化理論推導(dǎo)過程，只針對思路與難點(diǎn)進(jìn)行講解，另一方面以物理概念為主，配合圖形講述理論公式給出的具體含義。通過讓學(xué)生了解公式的目的、物理含義及結(jié)果顯示，可以極大減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，并且物理概念、圖形等信息直觀且容易理解和記憶，學(xué)生通過學(xué)習(xí)可以獲得直觀的印象。如果學(xué)生將來有需要，可以通過再次學(xué)習(xí)掌握相關(guān)內(nèi)容。（3）結(jié)合編程的實踐化理論講授。本課程雖然以理論教學(xué)為主，但培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力也是課程的重要任務(wù)之一。由于條件所限，目前課程以編程仿真作為主要的實踐內(nèi)容。一方面使抽象的公式轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗蠡膱D形顯示，另一方面，使學(xué)生通過課程掌握部分編程實現(xiàn)方法，為后續(xù)的研究生畢業(yè)課題打下基礎(chǔ)。在授課過程中，在每章節(jié)的講述過程中均加入了程序仿真的內(nèi)容，在課堂中進(jìn)行講解與仿真運(yùn)行，并對仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)解釋，通過學(xué)生反饋來看，這樣的授課效果取得學(xué)生的一致認(rèn)可;在授課完成后，預(yù)留仿真問題，讓學(xué)生親自動手進(jìn)行仿真，通過這種方法回顧課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，并近一步掌握理論知識。

四、總結(jié)

針對跨專業(yè)研究生而言，《計算海洋聲學(xué)》課程存在理論艱深、基礎(chǔ)門檻高等特點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)有所側(cè)重，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。本文根據(jù)近年來教學(xué)過程中的一些思考，在教學(xué)目標(biāo)、講授方法等方面進(jìn)行了總結(jié)，為該課程的建設(shè)提供了部分思路，也可對理論教學(xué)相關(guān)的課程提供參考。由于筆者教學(xué)經(jīng)驗尚淺，課程建設(shè)時間有限，在教學(xué)教具、課程實驗等方面還存在大量欠缺，需要在后續(xù)的教學(xué)過程中近一步進(jìn)行研究與實踐。

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Thought on Theory Teaching Method of Computational Ocean Acoustic Course for Cross-specialty Graduate Students

MA Shu-qing，BAO Chang-chun，WANG Yi-bo，WU Yan-qun

（Academy of ocean science and engineering，National University of Defense Technology，Changsha，Hunan 410073，China）

Abstract：According to the characteristics of theory teaching on Computational Ocean Acoustics course，combined with some thoughts in the process of teaching，this article summarized curriculum development，teaching objectives and the theoretical teaching methods. It can provide some information to the construction of course and improving the quality of teaching，and can provide some references to theory dependent courses.

Key words：Computational Ocean Acoustics;Theory Teaching;Teaching Methods