海洋混合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）

眾所周知，海洋是一個多尺度動力過程共存的復雜系統，包括：大尺度環流、中尺度渦旋、亞中尺度運動、中小尺度內波、微尺度混合等。混合是通過某種或某幾種動力過程使得具有不同性質（如熱量、濃度、動量等）的海水微團緊密結合，進而通過分子擴散消除它們之間的差異，最終使海水性質趨向均勻的一種普遍運動形式。海洋混合可分為沿等密度面混合（水平方向）和跨等密度面混合（垂直方向）兩種，沿等密度面混合（約為103m2/s）要比跨等密度面混合（大洋中約為10-5m2/s）大多個量級[1][2]。通常情況下，海水性質的垂向梯度顯著大于水平梯度，因而，人們更加關注海洋的垂向混合過程。海洋中各種尺度運動的不穩定性可產生湍流，湍流具有運動旋轉性、物質擴散性及能量耗散性等特點，由海洋湍流引起的混合稱為湍流混合，它是海水混合最重要的形式。此外，雙擴散是海洋中不同水團交匯處觸發混合的重要過程，即由于分子熱傳導系數遠大于分子鹽擴散系數，當層結穩定的海洋中出現溫度或鹽度的不穩定垂向分布時，便可引起自由對流，其形式包括垂向的鹽指（暖而咸的海水位于冷而淡的海水之上）、擴散對流（冷而淡的海水位于暖而咸的海水之上）和水平方向的熱鹽入侵（兩側溫鹽差異顯著）[3-4]。

海洋混合是海洋能量由大尺度到小尺度直至耗散的級串過程中至關重要的一環，它對于維持海洋的熱力學平衡有著非常重要的作用，進而可影響大尺度的運動。從全球范圍而言，海洋混合是調控大洋經向翻轉環流的關鍵因素，同時對，海洋物質和能量輸運、生態環境及全球氣候變化具有重要作用[5][6]。基于全球能量估算，人們認為大約需要2 TW的能量來維持大洋經向翻轉環流的現有強度，即主溫躍層以下的平均混合率需達到10-4m2/s的強度。此后學者們試圖從觀測方面對10-4m2/s這一經典結果進行檢驗，然而在遠離邊界的大洋中觀測到的混合率僅為10-5m2/s，這意味著在海洋中必然存在一些強混合海區。因而尋找海洋中的強混合區、探究引起混合增強的相關機制，成了一段時期內混合研究的重點內容之一，最終通過對混合過程及其影響機制的不斷深入認知，來改進和完善混合的參數化方案，服務于環流和氣候模式[7-8]。

對于物理海洋學專業領域的研究生，海洋混合是必備的重要課程，本文提出了對海洋學課程的發散式教學初探，主要包括：在授課過程中根據課程的核心內容凝練授課思路和進程，盡可能滿足由易到難、由抽象到具象、由認知到應用的特點；基于學生已有的知識積淀出發，采用靈活多變、符合當代學生興趣點的方式進行教學引導，注重激發學生聯想思維、舉一反三；讓學生多動手真正成為課堂的主人公，注重對知識的實踐應用，而不是以往的默默旁聽，被動記憶。通過學習本課程，使學生達到掌握海洋科學中各領域的基礎知識和基本理論。培養學生具有一定海洋思維意識和海洋創新技能，掌握風、浪、流、潮汐和海水等海洋基本要素等專業知識，具備基本海洋專業素質。

一、主次明晰，合理分配學習時間

海洋混合是一門多學科體系交叉的內容十分豐富的課程，是多門類多尺度知識的有機融合，因此，對課程的核心內容進行凝練，突出主次，合理延伸對于課程的教學就變得十分重要。作者根據對海洋混合近些年來最前沿的發展動態和科研進展，以及實際對海洋混合過程開展的海上觀測研究，分析出海洋混合課程需要學生們掌握的精華，并基于對不同知識掌握程度的不同進行層次劃分，也便于讓學生集中力量學習核心要素，下面給出部分章節的提煉后的課程精華要素：

1.了解湍流觀測方式，理解波動與混合的關系、混合的過程、能量級串；掌握湍流混合通量、Kolmogorov尺度、湍能譜、湍動能耗散率的觀測及估計。

2.了解雷諾實驗和焦耳實驗，海洋表層的波動與湍流，攪拌+擴散=混合，海洋內波與湍流混合；理解湍流混合的通量，湍動能耗散率，熱耗散率，能量級串，湍能譜；掌握湍流的首次觀測，湍動能耗散率的觀測，雷諾應力的觀測，湍動能耗散率的估計方法。

3.理解海洋混合的重要作用，混合需要外界機械能維持；掌握潮汐、風等對混合的能量輸入，正壓潮，內潮；了解風應力，表面波，浮力通量；掌握平均流和中尺度渦，內波，底摩擦，地熱

4.了解內波的折射和衍射，理解內波頻散關系的物理含義、內波反射的推導、內重力波方程的求解；掌握內波頻散關系、相速度、群速度，內波反射特點，WKB近似方法。

5.了解內波與剪切流和波致流場的相互作用，理解內波破碎及相互作用機制，掌握內波的生成機制、內波相互作用的PSI機制。

二、啟發教學，言傳身教

海洋混合課程具有大量的理論前期知識需要傳授給大家，如果按照傳統的教學方式，學生聽課前期很難維持長期的集中力，一旦遇到難點不能通過，會讓學生們喪失信心甚至直接放棄。所以，授課當中應通過啟發式的教學方法，結合現實案例，提高學生的發散思維能力以及關注程度。本人在近期的海洋學授課當中嘗試了多種創新性的教學方法，主要思路就是充分發揮學生的主觀能動性，讓學生主動地解決問題，在解決問題之余就需要把課堂知識掌握，老師只需合理引導，出現本質錯誤時及時指出。

1.出海實際經驗植入教學

在講授海洋混合率觀測中，結合自身實際出海當中對混合率觀測采樣、儀器配置，數據提取、數據后續分析處理的實際情況，從湍流剖面儀實際觀測數據出發，給學生展示顯示海洋中混合率的分布，介紹混合率的觀測手段。課堂中，講解湍流剖面儀的工作原理，展示所測混合率的空間分布，詳細講解數據獲取之后的矯正與分析處理。使得學生感覺親身體驗了海洋混合率額觀測過程，從而大大提高對課程的集中度，同時，也對混合率有了更清晰的認知。物理海洋的研究基礎就是現場觀測，絕大多數的學生以后都要出海進行海上調研獲取實測數據，這對時常出海的物理海洋專業的研究生來講有莫大的幫助。一方面，有效地避免了只是書面上的文字教學，給學生帶來枯燥乏味；另一方面，開拓了同學們的視野，激發了對科學研究的興趣，以及培養他們的成就感意識，確實從課程當中的學習，有所獲益。

2.知識傳授規避次要矛盾，解決主要矛盾

海洋混合課程的學習需要以多種數學和物理知識為基礎，受限于課程設置，無法確保每一位學生都了解課程必備的基數學公式和物理定理。所以，在教授課程有關內容時，需要簡單地對這些知識和原理進行回顧。同時，如果所有知識點都詳細的講解，很可能會使學生失去興趣，導致效率降低，無論老師的教課進度還是學生掌握程度都會大大受阻。因此，在授課過程中就要避免面面俱到，規避次要矛盾，解決主要矛盾，其他矛盾鼓勵和指導學生自發研習。例如，在介紹湍動能耗散率的估計方法，重點介紹方法的應用性，學生們掌握之后在出海觀測中會用即可，而對于方法的具體原理和相關推導則不去贅述，課后引導有興趣的學生在課后通過文獻閱讀資料查找自行學習。

三、學生課堂編程分析，實踐中出真知

海洋混合這門課程是研究海洋中的小尺度動力過程，這就決定了海上觀測對這門學科的重要意義，給學生展示海洋觀測資料的分析處理以及結果，將學習到的混合理論知識應用到對實際混合觀測數據的分析處理之中，這對于研究生階段的物理海洋專業的學生培養科研興趣的培養和累計出海實操經驗至關重要。作者在教學中主要使用MATLAB進行海洋實測數據的分析處理，提供學生基本的參考程序，學生調試后分析輸出圖像，將課堂理論知識用圖像的形式再呈現，鞏固對混合動力理論的掌握。

結語

理論研究到實踐分析是科研研究的核心思路也是教學授課需要應用到的重要環節。海洋混合課程理論性很強，但對于物理海洋專業的研究生來說這門課程更傾向于實際應用，因為，出海觀測當中海洋混合率的觀測測量計算是一個非常重要的課題。因此，海洋混合單純的理論滿堂灌，對于研究生階段的學生們來說是沒有太大意義的，即便理論知識點數據于心，到了現場應用階段依舊會掌握不全面。本文根據海洋混合課程特點，提出了多項對于海洋混合課程啟發式教學的創新措施和思路。基于作者近期的教學反饋，文中的多種教學新思路實施之后，學生對于海洋混合相關知識的學習效率以及興趣度得到顯著提高，課程教學效果得到了明顯改善。