“海洋亞中尺度過程”課程啟發式教學初探

李 成

（廣東海洋大學 海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088）

亞中尺度過程包括鋒面、渦絲、渦旋以及內波等過 程[1-2]，它們的空間尺度為幾千里到幾十千里，時間尺度為幾天到十幾天；而小尺度過程則包括小尺度的內波以及混合等過程，它們的空間尺度僅為幾米的量級。這些過程并非各自獨立，而是緊密關聯并相互作用的。能級串可以直觀地體現它們之間的關系[3-4]。能級串分為正級串和逆級串。正級串是指能量從大尺度向小尺度傳遞，例如大尺度環流可以為因斜壓不穩定而生成的中尺度渦提供能量，亞中尺度過程的增長又可以從中尺度渦汲取能量，而這些能量最終會被小尺度混合耗散。逆級串是指能量從小尺度向大尺度傳遞，例如在準地轉湍流中，中尺度渦的生成發展可以從較小尺度的過程中得到能量[5-6]。在海洋中，無時無刻不在傳遞上述能量，體現在各海洋動力過程的生成和消亡。隨著觀測手段的不斷進步以及數值模式的發展，人們對于物理海洋的研究也越來越深入，認識也越來越深刻。在過去幾十年中，基于現場觀測、衛星反演以及數值方法，學者們針對大尺度、中尺度以及小尺度過程開展了大量的研究，并取得了豐碩的成果。與之相比，對于中尺度和小尺度之間過渡的亞中尺度過程的研究一直處于空白狀態[7-8]。直到近幾年，隨著物理海洋學的發展以及模式分辨率的提高，亞中尺度過程逐漸引起學者們的重視。

作為海洋中重要的動力過程，亞中尺度過程的研究有著重要的理論意義和實際應用價值。首先，研究亞中尺度過程可以完善海洋動力過程的能級系統。目前，針對海洋中其他動力過程的研究已經取得了豐碩的成果，而目前針對亞中尺度過程的研究仍然較少。在實際海洋復雜的物理背景下，在亞中尺度過程中，大、中尺度過程的消亡以及小尺度混合的貢獻都具有重要意義。相關研究曾指出，亞中尺度過程對中尺度能量具有耗散作用，而存在強亞中尺度過程的區域混合也會增強。亞中尺度過程在能級串中起著串聯中尺度和小尺度的重要作用。其次，亞中尺度過程的研究對數值模式的參數化有著重要意義。模式參數化能夠獲得更好的模擬結果并進行預報。最后，亞中尺度表層流場存在較強的輻聚輻散，可以使浮游植物在海洋表層聚集，從而改變其在海面的水平分布，海洋表面浮游植物的條帶狀分布特征可能與亞中尺度輻聚輻散場有關。因此，掌握亞中尺度過程的時空分布規律，可以為漁業資源和環境保護提供理論指導。

該課程是針對物理海洋學專業研究生開設的專業選修課程。作為物理海洋專業的研究生，對當今物理海洋學研究領域最熱門的次中尺度過程的認知掌握以及實際的分析應用是非常重要的。本研究提出了對“海洋亞中尺度過程”課程的啟發式、課堂式教學探究，主要包括：在講課過程中精煉課程框架，由簡單到復雜，基于學生前期對海洋中尺度過程的學習和認知，運用類比延伸的教學方式進行指導；基于自身實際的科研經驗，為學生提供海洋中的現場觀測資料，讓學生自主動手編程分析，將課堂的理論知識應用于實踐；采用靈活創新的教學方式，啟發學生聯想思維、舉一反三；讓學生占領課堂，多提問、多反思、多講解、多回顧。通過學習本課程，使學生掌握最前沿海洋次中尺度過程的相關知識，培養學生現場觀測數據的提取分析能力，為后續科研道路添磚加瓦。

1 提煉課程框架

海洋亞中尺度過程是一段內容極其豐富的研究過程，牽扯到諸多數學物理知識，因此，提煉知識框架、精簡課程內容、讓學生集中力量攻克核心問題極為重要。筆者根據當下海洋亞中尺度過程的最新研究進展以及現場觀測資料，利用對海洋亞中尺度過程的分析研究以及相關科研論文的產出實踐，凝練出“海洋亞中尺度過程”課程需要學生掌握的核心要素，并對需要掌握的不同知識點進行層次劃分，方便學生合理利用和分配學習時間，下面給出部分章節的提煉結構：

（1）Ekman運動與慣性振蕩：了解Ekman漂移的發現和早期的數學描述、Ekman的歷史貢獻、漂流問題的由來，掌握控制方程及其求解，理解有限深度對Ekman螺旋和輸運的影響；

（2）理解線性層結下的Ekman層、Ekman螺旋形成過程中的慣性震蕩，掌握地形對Ekman層的影響、離岸Ekman輸運造成的定常上升流系統，了解水杯中的Ekman螺線；

（3）理解地轉坐標系的引入和Omega方程的推導與求解，了解一維鋒面演化Bugger方程及其譜性質與海洋觀測的聯系，掌握鋒面遙感觀測及其在動力學上的意義，以及鋒面附近的次級環流的觀測模擬及其伴隨的生物、化學過程；

（4）了解表面準地轉模型的建立和在海洋觀測中的應用，理解表面準地轉模型和鋒面演化之間的內在聯系，掌握海洋表面地轉流場的能量串級。

2 啟發式教學思維

海洋亞中尺度過程是十分前沿且更新興的領域，主要受到觀測技術的限制，但是其動力學理論卻是在早年間就提出的，要讓學生充分理解和掌握其動力理論，通常會使課程變得乏味，學生集中力下降，聽課效率不高，這就要求教師授課時采用的方式方法不能死板單一，應有機融合多種教學方式，通過啟發式的教學方法，提高學生發散思維能力。筆者在近期的海洋學授課過程中嘗試了多種創新性的教學方法，核心是發揮學生自身的能動性，讓學生主動挖掘知識要點，活躍課堂學習氣氛。

2.1 親身經歷啟發學生靈感

在講授海洋次中尺度現象時，結合自身實際，針對海洋次中尺度渦旋的科研論文，從論文選題出發，到觀測現象、挑選數據、設計實驗方案、分析處理結果等一系列展示實際亞中尺度過程的研究案例，講授當時科研工作中遇到的問題，以及工作結束之后對亞中尺度過程產生的新認識和后續的研究想法，這些都給學生帶來了非常好的啟示，極大地增強了他們的科研信心，同時規避了照本宣科式的教學，不讓學生感到枯燥乏味，開拓了學生的眼界，激發了其對相關研究領域的科研熱情，進而使他們產生成就感，切實從課程中獲益。

2.2 學生領導課堂

在課程中期講述完海洋次溫躍層渦旋的識別判斷準則之后，讓學生自由分組，準備好Argo浮標數據以及氣候態溫鹽資料，讓學生自己動手編程、寫程序，分成不同的小組來分別識別和判定不同大洋海區中亞中尺度次溫躍層渦旋的空間分布。隨后在課堂中，以小組匯報的形式展示編程程序代碼、渦旋識別結果圖像以及對應的海區次溫躍層渦旋空間分布特征等。其他同學則擔任答辯評委老師的角色，提出在編程、結果展示和分析方面存在的問題以及建議。一方面，在評價他人的小組工作時，自己會回顧課程的要點和框架，鞏固對次中尺度渦旋識別的認識和記憶；另一方面，組員們根據成果分析的合理意見會進一步提高自己的編程能力和圖像分析水平，切實提高研究生階段的科研水平。

3 動手能力至關重要

“海洋亞中尺度過程”這門課程涉及新興科學領域的熱點前沿，受限于觀測技術，鮮有海洋的直接觀測手段，目前絕大多數為數值模擬研究。因此，課程中直接提供給學生超高時空分辨率的模式資料，讓學生基于理論知識框架選擇自己感興趣的課題，開展一個關于亞中尺度過程的小研究，從選題到資料提取再到編程分析、結果處理形成文字分析報告，對于研究生后續階段的學習以及科研興趣的培養十分有利。科研報告作為課程評價的重要部分，學生在課堂上便可完成，大大提高了研究生的課程復習效率。

4 結語

前沿的科學問題亟待形成框架傳授給學生，但絕對不能只是理論上的教授，要讓學生學會在科研工作中應用，這對研究生尤為重要，“海洋次中尺度過程”便是這樣一門十分注重實際應用的課程。根據這門新型課程的特點，給出了“海洋亞中尺度過程”課程啟發式教學的創新思維。基于近期的教學實踐，在實施了諸多措施之后，學生對“海洋亞中尺度過程”相關知識的學習效率以及興趣得到了顯著提高，課程教學效果得到了明顯的改善，研究生的實操能力穩步提升。