研究生精品課程“海洋數值模擬”建設與探索

紀棋嚴 劉宇 林夏艷 蔡麗娜

[摘 要] 海洋數值模擬是物理海洋學研究的重要手段，在海洋科學的學科發展和國家海洋環境安全保障中起著重要的作用。以培養具有海洋數值模擬能力、物理海洋學專業海洋動力學方向的研究生為目標，對“海洋數值模擬”課程的教學內容和教學方式進行建設和探索。課程設計綜合考慮了學科方向、培養目標和要求、課程的性質和特點，以及學生不同的專業背景，通過由易到難、由淺入深的方式，將課程內容和上機實踐相結合，提升學生的理論水平和實踐操作能力，從而提高課程的教學效果。

[關鍵詞] 海洋數值模擬;研究生教育;精品課程建設

[基金項目] 2019年度浙江海洋大學研究生教育質量系列工程第一批項目“海洋數值模型”（111010641192）;2021年度浙江省第一批省級課程思政教學項目“海洋遙感分組思政課題模式教學研究”（11104080821）

[作者簡介] 紀棋嚴（1986—），男，福建三明人，物理海洋學博士，浙江海洋大學海洋科學與技術學院講師，主要從事海洋數值模擬等教學與研究;劉 宇（1981—），男（回族），吉林梅河口人，物理海洋學博士，浙江海洋大學海洋科學與技術學院副教授（通信作者），主要從事海洋數值模擬、海洋要素分析等教學與研究;林夏艷（1987—），女，浙江衢州人，港口海岸及近海工程博士，浙江海洋大學海洋科學與技術學院講師，主要從事物理海洋學、海洋中尺度渦等教學與研究。

[中圖分類號] G642?[文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0009-04 [收稿日期] 2021-09-23

引言

海洋數值模擬不僅是海洋科學，也是物理海洋學研究的重要手段，在國家海洋環境安全保障中起著重要的作用。隨著國家海洋戰略利益的拓展，國家對海洋環境安全保障的需求日益凸顯[1]。科技部在“十三五”期間資助了一系列“海洋環境安全保障”重點研發項目，其中一個重要的目標就是提高我國對風暴潮、海浪、赤潮等海洋災害的預報預警能力。研發擁有自主知識產權的海洋數值模型、發展先進的海洋數值模擬預報技術顯得格外重要。因此，無論從科學研究及學科發展角度，還是從國家和社會發展需要角度來看，都急需海洋數值模擬方面的高端人才。目前，海洋數值模擬方向的高端人才培養主要集中在碩士研究生和博士研究生階段，一般是科研院所或者高校的科研團隊根據科研需要，對碩士和博士研究生進行專門的與海洋數值模擬相關的教學和實踐訓練。

國內一些涉海高校，比如中國海洋大學環境科學與工程學院以社會需求為導向，對“近海環境數值模擬”課程進行了教學改革探討[2]。南京信息工程大學則對“海洋數值模擬”課程的實習方面展開教學改革，以提高學生對該課程的熟悉程度和數值模擬動手能力[3]。淮海工學院（現更名為江蘇海洋大學）也開設了“海洋數值模擬”課程并將課程設置為理論和實驗兩部分，對課程內容的安排和設置進行了探索[4]。解放軍理工大學（國防科技大學）則采用翻轉課堂方式圍繞“篩選知識點，考核全過程，討論多樣式”的主線對“海洋數值計算”課程開展教學設計[5]、廣州海洋大學開設的“海洋數值模式及應用”課程也包括了理論講述環節和上機實操環節，以實現提高學生實踐能力、培養應用型海洋人才的教學目標[6]。中國地質大學為海洋工程專業研究生開設了“海洋環境數值模擬”課程，通過對海洋環境數值模式的安裝、測試、運行、修改等強化研究生的專業實踐技能，提高研究生用數值模擬手段解決相關問題的能力[7]等，已經在本科和碩士研究生培養計劃中開設了“海洋數值模擬”相關課程，還在不斷探索和建設階段。如何開展普適性的“海洋數值模擬”教學，如何提高學生數值模擬實踐能力，仍待進一步探索和研究。

“海洋數值模擬”是浙江海洋大學物理海洋學專業本科生的專業選修課、研究生的專業必修課。與本科教學的要求相比，研究生課程不僅要求學生學習數值模擬的相關理論，更加注重培養學生的實踐操作能力。該課程的學習要求學生掌握如何利用個人電腦和大型計算機，實現海洋數值模型的安裝和運行，引導學生能夠應用數值模擬方法去解決在實際海洋科學研究中遇到的問題。本文依托浙江海洋大學研究生精品課程“海洋數值模擬”，以培養海洋數值模擬方向的碩士研究生為目標，以提高學生海洋數值模擬能力為導向，探討如何改革“海洋數值模擬”課程的教學內容和授課方式。幫助學生掌握課程的理論知識，培養學生的實踐能力，做到理論與實踐相結合，以期學生能夠更好地利用海洋數值模擬知識完成各項科研任務。

一、課程教學設計

“海洋數值模擬”課程主要面向物理海洋學專業（海洋動力方向）的研究生開設。依據學科方向、培養目標和要求、課程的性質和特點、結合學生不同的專業背景，設計了該課程的教學思路，并選定合適的教學內容、學時分配和教學方式。

（一）學科方向

物理海洋學專業（海洋動力學方向）主要研究全球及近海的動力學過程與機制，以及海洋要素變化對生態環境、海水養殖和漁業資源的影響。本學科研究方向涉及海水的溫度、鹽度和密度等海洋水文狀態參數的分布和變化，還有潮波、海流和波浪等動力過程，以及它們之間相互作用的機制。以海洋調查和海洋數值模擬為基礎研究手段，綜合運用各種統計方法和數值模擬技術研究全球及近海海洋動力過程的規律和機制，開展海洋預報為海洋防災減災提供技術支撐。

（二）培養目標和要求

物理海洋學專業（海洋動力學方向）旨在培養掌握物理海洋學的基礎理論、專業知識、專業技能和方法，能從事本專業及相關領域教學、科研和管理等工作的高級專業學術型人才。該專業碩士研究生的主要就業去向，主要為國內外海洋類高校及科研院所深造或工作，在自然資源部下屬的海洋環境業務化預報部門，以及海洋災害應急部門等涉海單位從事預報、預警和管理等方面工作。物理海洋學專業（海洋動力學方向）要求學生掌握物理海洋學的基礎理論和專業知識，了解本學科的發展方向和研究前沿，熟悉所從事領域的新進展和新動向;也要求學生具有一定的出海調查能力、海洋數據處理能力、海洋數值模擬能力等相關的專業能力，能夠勝任物理海洋學相關領域的教學、科研和管理等工作。1F87BFFA-CE42-438A-A135-AB01DB4D7D86

（三）課程的性質和特點

“海洋數值模擬”是一門專業性較強的課程，所涉及的基礎知識包括計算地球流體力學、數學計算方法、計算機編程、數據可視化等相關知識。首先，海洋數值模型的建立依賴于計算地球流體力學，需要在地球旋轉坐標系下求解納維-斯托克斯方程，但該方程目前只能通過特定的假設，通過數值差分的方法求得近似的數值解。這部分內容涉及繁雜的公式推導，對大多數學生而言，內容顯得枯燥難懂，不易掌握。其次，在方程求解過程中，需要用到各種計算方法，比如有限差分法和有限體積法等，而理解這部分內容需要學生有良好的數學基礎。再次，應用計算方法進行求解是借助計算機編程語言實現的，海洋數值模型一般采用Fortran語言進行編寫，并在Linux或者Unix系統上運行，該部分內容需要學生熟悉編程語言，并掌握相關的計算操作技巧。最后，數值模擬結果需要用畫圖軟件等可視化工具進行繪圖處理，該部分內容需要學生運用相關軟件進行操作和編程。

總之，“海洋數值模擬”課程不僅具有很強的專業性，還具有很強的綜合性，同時也是一門理論和實踐并重的課程。對于物理海洋專業的研究生而言，在選修“海洋數值模擬”課程之前，先學習流體力學、物理海洋學、Fortran、海洋數據可視化處理等課程，會有助于本課程的順利學習。

（四）課程設計思路

目前，物理海洋學方面的碩士研究生并非完全是海洋科學類的畢業生，一部分學生是來自非涉海類專業，物理海洋學的基礎理論薄弱，僅僅依靠課堂教學，很難在短時間內幫助該部分學生培養并構建物理海洋學的理論體系，以及實際海洋數值模擬能力。因此，本課程的設計思路主要基于以下幾點：（1）現場教學和視頻學習相結合。這樣可大幅度延長有效授課時長，學生在課下通過反復觀看授課錄像，能夠加深對數值模擬相關知識的理解。（2）理論與實踐并重。從簡單物理模型計算到實際海洋數值模型運行算例，既有理論部分的講解，也有實踐操作的演練和解說，隨堂錄制的數值模擬試驗的演練視頻及講解，可以解決學生對實際操作步驟不熟練這一難題。（3）教學和科研相結合。將數值模擬和科研方向相結合，可以幫助檢驗學生對課程的學習情況，有助于鞏固已掌握的知識點，讓學生覺得自己學有所用，提升學習熱情。（4）課堂學習和線下互動結合。通過線下師生互動，可進一步拓展教學的外延，討論內容不設限，鼓勵學生打開思維，提高自主學習能力。

二、課程教學內容

通過以上課程設計思路，將課程內容由淺入深、由易到難的形式設置為7個章節。除部分章節外，多數章節都按先理論后實踐的方式進行教學，以期學生可以更好地掌握內容。秉承從概括到詳細、從簡單到復雜的學習特點，以此安排具體的章節內容、掌握要點及學時分配，具體設置如下。

第一，緒論。介紹海洋數值模擬的含義、對象及其基本特征，了解和認識海洋數值模擬的必要性和重要性、數值模型的發展歷史，以及數值模擬在科研和實際生活中的應用。該章節主要目的是讓學生對海洋數值模擬有大概的認識，本章節理論2個學時。

第二，海洋數值模擬的軟硬件基礎。介紹海洋數值模擬需要的軟件和硬件基礎。軟件方面：海洋數值模擬大多數采用Linux系統。要求學生熟悉Linux系統安裝及相關操作命令;數值模型大多采用Fortran語言來編寫，要求學生了解Fortran編譯器的類型、安裝過程、MPI并行軟件安裝等;海洋數值模擬結果一般以NetCDF格式輸出，要求學生安裝NetCDF軟件，并利用可視化軟件，如Python等軟件進行處理和繪圖。硬件方面：一般海洋數值模擬需要超級計算機，不過性能較好的臺式機和筆記本電腦也可以實現簡單或者粗分辨率數值模型的計算，因此，學生可以在個人電腦上通過安裝Win10的Linux子系統或者虛擬機安裝Linux系統等來實現軟件方面的實踐練習。本章節的學習為后面幾個章節的實踐打下基礎，其中理論部分主要是軟硬件介紹，分配2學時，實踐部分是多個軟件的安裝，分配4學時。

第三，簡易數值模型求解和運行。介紹數值模擬的一般流程和模型代碼組成。數值模擬一般流程包括物理數學問題的提出、模型代碼編寫（數值求解過程）、模型調試運行和計算、模型結果處理和分析。理論部分主要介紹簡單物理問題（比如物質衰減、浮力變化等），如何通過數值計算方法求解并建立模型，如何根據算法編寫模型代碼、組織代碼結構、如何調試及運行模型。學生需要在第二章實踐的基礎上，在Linux系統運行簡單的數學模型，并畫圖比較利用數值計算方法求的數值解和數學上的解析解有何差異。本章節理論分配2學時，實踐分配2學時。

第四，海洋數值模擬的方程、空間坐標系、數值格式等基本內容。介紹海洋數值模擬的方程、空間坐標系、數值格式等。要求學生重點掌握海洋數值的基本方程，以及在各種坐標系的格式、數值求解方法包括有限體積、有限元方法等的簡介。該章節是理論部分，起承上啟下的作用，將復雜的海洋數值模型和簡單物理問題的數學模型進行了比較，又為后面章節做了鋪墊，本章節理論4學時。

第五，海浪模式SWAN的簡介和運行。海浪數值模擬是研究和預報臺風浪的重要工具，SWAN是目前常見的海浪模式，理論主要介紹SWAN海浪模式方程、特征及下載方法、編譯、運行及后處理。實踐部分要求學生能夠下載SWAN模式代碼，根據SWAN的相關Manual進行安裝，運行1～2個SWAN官方網站提供的測試算例，并得到模式運行結果文件。本章節理論分配2學時，實踐分配2學時。

第六，三維海洋數值模式ROMS的簡介和運行。ROMS模型是常見的三維區域環流模型，可以模擬區域海洋的潮汐、溫鹽、環流等。理論部分主要介紹ROMS模型的基本方程組、模型特征及下載方法、編譯、運行及后處理方法。實踐部分要求學生能夠下載ROMS模型代碼，根據ROMS的相關Manual在個人電腦和大型機安裝ROMS模型，運行模型的測試例子，并得到模型運行結果文件。本章節理論分配2學時，實踐分配2學時。1F87BFFA-CE42-438A-A135-AB01DB4D7D86

第七，海洋數值模擬結果可視化及處理過程。利用Python等軟件對SWAN海浪模式模擬結果、ROMS模擬結果進行可視化處理。本章節理論分配2學時，實踐分配2學時。

結語

從課程安排看，內容比較全面，理論和實踐都有涉及，且海浪模型和環流模型的介紹和實踐與科研聯系緊密。通過本課程的學習，研究生在海洋數值模擬方面可以快速入門，尤其對本科非海洋科學類專業的學生。課程開設后，部分學生反映在理論方面較難理解，在實踐方面一開始也難以入手，但可以參考教學視頻照葫蘆畫瓢，基本都能完成。針對該問題筆者認為原因主要有：（1）學生專業基礎不同，對理論部分理解和接受能力不同。（2）課程綜合性強、難度較大，課程涉及物理海洋學、計算流體力學、計算機編程、軟件繪圖等各方面。（3）與實際模擬應用還存在差距，僅通過本課程要想在實際科研中利用海洋模型建模仍有一定的難度，模型算例和實際復雜的建模差距較大。

“海洋數值模擬”課程具有較強的綜合性，除了要求學生有一定物理海洋學基礎外，還要求學生具有計算機編程基礎和相關的動手能力。通過本課程的教學和實踐，其教學模式基本得到學生的認可，學生的學習興趣普遍提高，教學效果比單純講理論知識效果要好。在今后教學過程中，將根據學生的基礎和能力差異，對教學內容、授課方式及課程作業等方面，作出針對性的調整和完善，使“海洋數值模擬”課程的教學更適合當前學科的發展，以及國家和社會的需求。

參考文獻

[1]劉娜，王輝，凌鐵軍，等.一個基于MOM的全球海洋數值同化預報系統[J].海洋通報，2018，37（2）：139-148.

[2]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討[J].人力資源管理，2010（5）：195.

[3]程軍.《海洋數值模擬》課程實習的設置研究[J].新西部（下旬.理論版），2011（13）：150.

[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（24）：84-85.

[5]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.

[6]白鵬，楊婧靈，謝玲玲，等.《海洋數值模式及應用》教學改革初探[J].科技視界，2018（31）：103-104.

[7]蔣浩宇，趙恩金，程飛，等.海洋環境數值模擬在海洋工程專業研究生教育中的應用[J].教育教學論壇，2019（5）：147-149.

Construction and Exploration of the Excellent Course of Oceanic Numerical Simulation for Postgraduates

JI Qi-yan， LIU Yu， LIN Xia-yan， CAI Li-na

（Marine Science and Technology College， Zhejiang Ocean University， Zhoushan，

Zhejiang 316022， China）

Abstract： Oceanic numerical simulation is an important method in physical oceanography. It plays an important role in the development of marine science and the security of national marine environment. This paper tries to cultivate postgraduate students who major in ocean dynamic of physical oceanography with the ability of oceanic numerical simulation. The teaching contents and teaching methods of Oceanic Numerical Simulation course are constructed and explored in this paper. The course design comprehensively considers the discipline direction， the objectives and requirements of the cultivation， the properties and characteristics of the course， and the students different professional backgrounds. By combining the course contents with the students practice on computers， and guiding them to learn from the easy parts to the more advanced parts， we have improved students theoretical levels and practical ability， as well as the teaching effect of the course.

Key words： Oceanic Numerical Simulation; education of postgraduates; construction of excellent courses1F87BFFA-CE42-438A-A135-AB01DB4D7D86