《海洋數值模式及應用》教學改革初探

白鵬　楊婧靈　謝玲玲　陳法錦

【摘 要】《海洋數值模式及應用》作為海洋科學專業本科生教育的核心課程，是教授學生數值模擬技能的基礎，是培養海洋科學應用型人才的重要環節。本文基于應用型人才培養的宗旨，闡述《海洋數值模式及應用》課程建設意義和教學現狀，設計篩選理論、注重編程和實踐演練有機結合的教學思路，探索有效的教學改革方法，實現提高學生實踐能力、培養應用型海洋人才的教學目標。

【關鍵詞】應用型海洋人才；海洋數值模式及應用；教學改革；海洋數值模擬

中圖分類號： P7-4；G434 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0103-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.049

【Abstract】As a core curriculum for graduates majoring in marine science， “Ocean Numerical Model and Application” is the basis of teaching numerical simulation skills and plays vital role in training applied talents. Aimed for cultivating their practice skills， this paper expounds the construction significance and current teaching situation of “Ocean Numerical Model and Application”， then puts forward the organic combination of screening theory， attention to programming and practice drills to explore the effective method of teaching reform， which will contribute to improving students practical ability and cultivating applied marine talents.

【Key words】Applied marine talents；Ocean Numerical Model and Application；Teaching reform；Ocean numerical simulation

0 引言

高等教育側重于培養掌握專業知識和技能，能夠無縫銜接并服務于社會需求的人才。當前社會對應用型人才的需求迫切而量大，高等教育若只注重于培養學術理論型人才是無法滿足時代要求的[1]。對于海洋科學專業，掌握較高實踐和應用知識技能（如海洋數值預報技能、海洋調查技能等）的人才在就業和社會服務中具有顯著優勢。伴隨著全球海洋科學研究的長足發展和超級計算機性能的突破提升，海洋數值模擬及其應用的發展也突飛猛進，國內外眾多海洋科學家將科學研究和業務化應用相結合，積極發展海洋數值模擬預報系統[2]。當前國內諸多涉海高校陸續開設了面向本科生和研究生的海洋數值模擬的相關課程[3-8]，旨在夯實學生的海洋數值模擬預報知識儲備，提高學生的實踐應用技能，改善海洋科學專業海洋數值模擬方向人才短缺的現狀。

《海洋數值模式及應用》是當前國內眾多涉海高校面向海洋科學專業本科生開設的教授海洋數值模擬相關知識和技能的核心課程。該課程知識點多，內容晦澀，需要學生預先掌握深奧的海洋動力學理論、扎實的數理基礎以及熟練的計算機編程技能。目前，該課程設課時間較短，因而教學經驗較為缺乏，教學效果亟待進一步提高，這便要求在實踐教學中改革探討教學內容和教學方法，對授課教師和學生提出了挑戰。

本文依托海洋科學專業本科生必修課程《海洋數值模式及應用》，以課程教學現狀為基礎，以培養掌握數值模擬預報技能的應用型海洋科學人才為導向，以實現激發學生學習興趣、取得良好教學效果為目標，探討如何改革教學內容和方法，幫助學生直觀認識海洋數值模擬并熟練掌握相關知識和技能。

1 教學現狀

《海洋數值模式及應用》課程包含理論講述環節和上機實操環節，主要學習海水運動控制方程、邊界條件、強迫條件等數理基礎，掌握多種非線性偏微分方程的數值求解方法，并利用Fortran或Matlab等編程語言，結合實測海洋資料實現特定海水運動問題的數值求解，最終可給予相關科學問題的動力機制分析提供數值依據，亦可有力的貢獻于海洋水動力環境的后報及預報。該課程知識點覆蓋范圍廣且難度大，學生理解消化困難且周期長，此外，非線性偏微分方程的求解及數值模擬結果的可視化過程又對學生的計算機編程能力和邏輯思維能力提出巨大考驗。在《海洋數值模式及應用》教學過程中，我們發現部分學生重視理論知識的學習，卻抵觸上機實操環節，這有礙于學生深入的理解海洋數值模擬的核心所在，更不利于學生真正的掌握海洋數值模擬技能；也有部分學生忽視理論基礎的掌握，盲目的上機操作，卻因對物理問題的膚淺理解導致編程錯誤頻出，同樣也無法達到好的學習效果。上述兩種情形都極大的阻礙了教學計劃的順利開展，達成良好的教學效果更是無稽之談，這便迫切需要我們通過探討改革教學思路來改善當前教學現狀。

2 教改思路

針對《海洋數值模式及應用》課程的教學現狀，以培養學生掌握扎實的數值模擬理論功底和熟練的計算機編程技能為基礎，開展“篩選理論、注重編程和實踐演練”教學思路設計，探討課程改革，以期實現課程的有效教學。

2.1 篩選理論

《海洋數值模式及應用》課程的核心理論內容是海水運動控制方程以及數值求解非線性偏微分方程的理解、推導和掌握，可細分為海水運動過程的動力、熱力控制方程，初始、邊界、強迫條件，以及差分方程的推導、穩定性、收斂性和相容性等，上述內容作為海洋數值模擬實踐操作的理論基礎，需要學生深刻理解，熟練掌握。在授課過程中，教師應逐步的、詳細的向學生展示各數理方程的推導過程，講解方程中每一項的物理或數學意義。要求學生熟練掌握各數理方程的推導步驟，通過隨堂測試、課后作業的方式幫助學生予以加強鞏固。特別的，以二維淺水運動方程及其差分方程的推導為典型案例，檢驗學生理論的掌握情況，教師根據學生的推導效果，進行答疑并查漏補缺。在梳理理論知識點的過程中，應積極保證教學環節的綜合性和知識的連貫性，教學方式上“講授”和“研討”緊密結合。學生為主體，旁征博引、討論匯報，激發學生學習興趣，調動學生自主學習的積極性，加深學習記憶，達到教學相長的境界。

2.2 注重編程

《海洋數值模式及應用》課程落實到應用上就是上機實操環節，用編程語言實現理論和數據的可視化，從而有利于相關科學問題的動力機制分析，貢獻于海洋水動力環境的后報及預報。由于當前課程考核形式為卷面考試，偏重于理論知識點，導致學生急功近利，思想上輕視上機實踐編程；同時，數值模擬的實現對學生計算機編程能力要求較高，編程基礎較差的學生容易對課程產生消極抵觸的心態，導致無法實現培養“能動手、能實踐、能應用、能創新”的教學目標。為改變這種現狀，上機編程課程中可穿插進行隨堂小考，計入考試總成績；此外，編程課程先對模擬對象進行提煉分析，總結現象特征，確定動力參數，提示編程重點與難點，讓學生分組討論和相互借鑒，自主領會數值模擬過程中的技巧和要點。通過這種教學方法，可提高學生對上機實踐編程的重視度和編程實施的熟練度，發揮先進同學的帶動性，并激發后進同學的積極性，有助于課程的有效教學。

2.3 實踐演練

學以致用是《海洋數值模式及應用》課程開設的出發點，我校海洋與氣象學院“海上綜合調查虛擬仿真教學系統”的建設[9]，為海洋數值模擬提供了廣闊的實施平臺和優良的教學條件。在虛擬仿真系統中建設海洋數值模擬模塊，教師可自主編程開發教學案例模擬一些特定的海洋水動力現象，以便向學生展示海洋數值模擬的實現過程及用途，從而幫助學生直觀的認識海洋數值模擬。此外，學生也可通過調整教學案例中某一水動力參數，分析不同數值試驗結果的差異，并嘗試從動力學角度給出機制解釋。虛擬仿真系統為教師和學生提供了互動的平臺，能提高課程的趣味性，從而調動學生學習積極性，有利于培養學生創新能力和實踐能力、消化吸收理論知識，熟悉整個海洋數值模擬的實施流程，從而有助于良好的教學目標的實現，還可為學生畢業論文和繼續深造打下堅實的基礎。

3 總結

《海洋數值模式及應用》課程作為海洋科學專業本科生專業課程之一，是培養學生應用能力和創新能力的重要一環。如何調動學生學習興趣，培養學生良好的創新應用能力，需要對教學內容、方法及思路進行不斷的探索和完善。本文對該課程教學改革的探討，需要教師不斷的提升學術水平，積累教學經驗，豐富教學資源，完善教學環節，引導學生熟練掌握課程理論知識的同時激發學生應用所學知識進行實踐應用，實現理論與應用的有機結合，達到優良的教學效果，培養應用型海洋人才。

【參考文獻】

[1]李曉光.基于應用型人才培養的教學質量監控與保障體系實踐探究[J].高教論壇，2018，9：36-37.

[2]王輝，劉娜，逢仁波，等.全球海洋預報與科學大數據[J].科學通報，2015，60（5～6）：479-484.

[3]程軍.《海洋數值模擬》課程實習的設置研究[J].新西部，2011，33：150+146.

[4]呂海濱，周立，張存勇.海洋數值模擬方向本科CDIO+CBE創新人才的培養[J].教育教學論壇，2014，6（24）：84-85.

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[6]史劍.翻轉課堂教學模式在大學課堂中的應用——以“海洋數值計算”課程為例[J].教育教學論壇，2015，19：164-165.

[7]張文靜，史劍，王輝贊，等.研討式教學模式在研究生《物理海洋數值計算》課程中的改革與實踐[J].教育現代化，2017，4（46）：49-53.

[8]張學慶， 劉哲.以社會需求為導向進行近海環境數值模擬課程教學改革探索[J].教育教學研究，2010，5：195.

[9]楊婧靈，白鵬，張書文，等.海上綜合調查虛擬仿真教學系統建設及教學改革初探[J].科技視界，2018，18：56-58.