《地球物理流體力學》課程的授課設想

程軍

【摘 要】 針對《地球物理流體力學》課程教學中存在的問題與教學改革實踐，提高該課程教學實效性的措施主要是：完善教材體系；增加課堂討論和實踐課程；改進考核方式等。

【關鍵詞】 地球物理流體力學；教學實踐；教學方法；改革設想

《地球物理流體力學》是大氣、海洋科學專業研究生的主干學位課程，通過對過去1個世紀中相關理論的構建、推演及解讀，旨在使相關專業研究生掌握旋轉地球上大尺度大氣、海洋運動的基本性質及主導控制規律，為理解及進一步研究大氣、海洋中的大尺度物理過程及現象奠定理論基礎。

對比研究大氣、海洋大尺度運動共有特性及規律的專著在20世紀中期開始出現，如Roll在1965年出版的《海洋、大氣物理學》。1979年著名海洋學家Joseph Pedlosky出版了《地球物理流體力學》一書，正式建立這一新興交叉學科。《地球物理流體力學》作為一個專門學科，主要關注大尺度大氣和海洋動力學過程的共性部分，是數學、物理學、大氣科學及海洋科學的交叉，內容系統、完整。該學科由大尺度大氣、海洋運動的基本過程和現象出發，建立抽象的物理模型，基于基本物理定律建立控制方程組，借助數學推導得到表征大尺度大氣、海洋運動基本規律的理論公式，進一步由理論公式對大尺度大氣、海洋運動的基本特征及規律進行推演，以達到深入認識大尺度大氣、海洋運動基本特征及主導機制的目的。《地球物理流體力學》所關注的問題依然處于蓬勃發展的過程中，新的理論漸次被推出和驗證。

一、教學效果問題及解決措施

1980年我國著名氣象學家朱抱真先生的研究生王斌及翁衡毅將Joseph Pedlosky的《地球物理流體力學》翻譯成中文并出版。該書中文版的出版啟發了我國相關專業研究生教學中《地球物理流體力學》課程的開設，并一直作為該課程的主要參考書，近40年來為我國相關專業研究生的專業學習打下了基本的動力學基礎，促進了相關學科研究的發展及與世界的同步。

近期，我們引入了美國威斯康辛大學劉征宇教授所編排的《地球物理流體力學》教材并應用于教學。該版本的《地球物理流體力學》更注重動力學分析的層次、數學推導的簡潔以及理論在大氣和海洋運動現象解釋中的應用。應用該教材的教學效果良好，學生能夠掌握《地球物理流體力學》所涉的主要理論、主要研究方法及思路。

除教材選擇的影響之外，該課程的教學要求學生具有良好的大氣、海洋大尺度過程的物理認識及基本的高等數學基礎，能夠掌握普通流體力學的基本概念及分析方法和思路。由于受到應試教育的長期影響，學生獨立思考及邏輯推演的能力及主動性嚴重缺失，造成該課程的講授過程相當艱難，對大多數學生的學習效果影響嚴重。

為改善該課程的教學效果，使學生能夠系統、深入掌握該課程的基本理論，特別是掌握該課程的研究思路和分析方法，并通過課程內容的學習鍛煉其分析和解決專業問題的能力，我們采取了如下更為靈活的教學方法，以最大限度地調動學生的學習積極性。

1、理論的物理圖像化

該課程教材的大幅內容及授課的大部分時間基本圍繞方程組的建立及數學求解等問題進行，所建立的各種理論都是以數序公式的形式呈現。學習過程中，學生容易迷失在公式的推導過程中。實際上，該課程更為注重的應是方程組建立的物理模型背景、方程組建立過程中主控要素的抓取方法和依據、數學推導過程中物理特征的對應以及基本動力參數、基本物理規律及目標理論的物理解讀和現象解釋。所以，該課程的講解及推演應以大尺度大氣、海洋運動的物理過程為核心，并能通過理論解對所關注現象的特征及規律有更為深入的物理認識和理解。總之，學生只有通過構建物理圖像才能理解和接受各種動力學理論，進而在今后的工作中進行應用。

2、設問式教學

一個理論的建立需要通過物理建模、方程組的建立簡化、數學求解等過程，中間耗費大量時間。這些中間過程對于學生認識目標理論非常重要，但教學過程中常常使得學生迷失在其中。因此，教學過程中應首先通過物理問題的提出，使清楚明確這些中間過程的目的，也有助于學生在聽講過程中進行思考和學習。對于目標理論的物理解讀也需通過不通物理情景下的設問，使學生深入認識和理解目標理論的物理含義。只有這樣，學生學習的理論才能在其今后的工作中進行運用。

3、增加學生的主動參與度

如《地球物理流體力學》這樣的理論課程，僅僅靠聽講是無法真正掌握其內容，特別是思路和方法部分。因此，理論公式的圖像化應要求學生自己動手實現。在小班教學中，應嘗試學生“預習——講解”和教師“點評——引伸”的結合，最大限度調動學生學習的積極性和主動性。

對于理論課程的教學，作業是必不可少的部分。授課只能專注于最簡單和最基本理論和過程的講解，而實際問題則更為復雜。只有通過作業的完成，學生才能深入理解課堂內容，并作進一步的深入應用。因此，作業的設置不應僅僅是課堂內容的簡單重復，而應是課堂內容的進一步引伸。

4、理論與當前研究熱點的結合

《地球物理流體力學》關注的是大尺度大氣、海洋最基本的特征和規律，而我們對大尺度大氣、海洋運動特征的認識和理解還需通過觀測和模擬進行進一步的完善，這也是當前的研究熱點之一。因此，課程授課過程中應將當前相關的研究熱點和最新的認識加入其中，學生往往對當前研究熱點有極大的興趣。比如，我們的授課過程中就加入了近年來新引入的“熱Rossby波”概念的介紹，起到了良好的效果。

5、以教學態度影響學習態度

理論課程教師的教學和學生的學習都有難度，再加上學生學習習慣及基礎的影響，使得理論課程的教學效果往往不盡人意。良好的備課及授課態度對于該課程的教學效果能夠起到決定性的作用。教學態度是教師惟一一個能夠有效調高教學效果的途徑。在我們的教學實踐中發現，大部分學生能夠在教師的積極態度影響下克服困難，努力學習該課程。

二、進一步改善教學效果的設想

除以上已在教學實踐中實施的措施外，一些措施可以進一步改善該課程的教學效果，為學生今后的學習和工作提供更為堅實的基礎。

1、完善教材

國內現有參考教材還主要是37年前的Joseph Pedlosky專著中譯本。條件允許下，應在國外成熟教材或講義的基礎上編寫適合我國學生基礎的教材。我們正在完善中的劉征宇教授講義的中譯本是一個不錯的選擇，劉征宇老師的版本突破了Pedlosky專著的框架，使得內容的講授更為簡潔、明快，物理解讀也更為深入。

2、增加課堂討論

應盡可能采取小班化的教學模式，使得課堂討論得以真正實現。課堂討論對于提高學生學習的主動性和參與性意義重大。在本科教學改革的背景下，研究生教學的模式也應因時而變。

3、增加實驗課

現有物理實驗室（轉盤）及計算機條件都允許對課程相關內容的物理和數值模擬。通過動手做物理實驗和模擬試驗，可以使學生直觀地接受《地球物理流體力學》所涉現象和規律。這一點的實施需要為該課程增加課時及教學支持。

4、改進考核方式

《地球物理流體力學》課程主要是動力學分析思路和動力學觀點的教授，而目標理論的記憶并不重要。因此，該課程學習效果的考察應可采取更多靈活的方式進行，如開放式的問題探究。

在當前我國大氣和海洋科學研究緊追世界前沿并有所突破的背景下，培養出一批具有扎實動力學理論功底的研究生是實現我國科學研究突破和貢獻世界的基礎。該課程教師及學校有責任盡最大努力提高該課程的教學效果。

【作者簡介】

程 軍，男，南京信息工程大學副教授，主要從事氣候動力學方面的研究與教學工作.endprint