學科交叉背景下應用海洋學課程教學改革與實踐

摘 要：近年來，隨著人工智能時代的到來和海洋強國戰略的實施，傳統的海洋科學人才培養方法已經無法滿足時代和國家的需求。社會對于既懂科學、又懂技術的，具備可用性、復合型、有成長性的海洋科學人才的需求日益迫切。為了滿足這一需求，深圳大學應用海洋學教學體系針對以往存在的教學問題和短板，實施專業交叉融合和人才培養體系優化。具體措施包括針對海洋科學與人工智能領域的交叉，更新和擴充教學內容;采用項目驅動、問題導向、學生中心的教學方法;采用多元化的課程評價方式;促進產學研融合實踐教學。通過這些措施，深圳大學應用海洋學教學體系實現“寬口徑、厚基礎、強能力、全面發展”的海洋人才培養目標。這種綜合性、交叉性和實踐性的教學模式不僅可以滿足當前社會和國家的需求，也能夠為學生提供更廣闊的發展空間，培養更具創新精神和實踐能力的海洋科學人才。

關鍵詞：學科交叉;海洋科學;人工智能;改革對策;海洋強國戰略

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）27-0011-06

Abstract： In recent years， the rise of artificial intelligence（AI） and China's maritime power strategy have made it clear that traditional methods of cultivating marine science talent are no longer sufficient to meet the country's development needs. There is an urgent demand from society for ocean scientists who possess not only scientific and technological expertise， but also usability， versatility， and growth potential. To address the shortcomings of previous teaching systems， the Applied Oceanography teaching group at Shenzhen University has implemented interdisciplinary education and optimized the talent training system. The strategies adopted include updating teaching content to incorporate the application of AI in oceanography， using project-driven， problem-oriented， and student-centered teaching methods， employing diversified curriculum evaluation methods， and promoting the integration of enterprises， universities， and research institutes in practical teaching. Through these measures， Shenzhen University's Applied Oceanography teaching system has achieved the goal of cultivating ocean talents with "wide caliber， solid foundation， strong ability， and comprehensive development". This comprehensive， interdisciplinary， and practical teaching mode can not only meet the country's needs but also provide students with greater potential for development， and cultivate ocean science talents with a more innovative spirit and practical ability.

Keywords： interdisciplinary; Oceanography; artificial intelligence; reform strategies; maritime power strategy

我國國務院于2021年底發布批復，原則同意了《“十四五”海洋經濟發展規劃》，明確開發與保護海洋資源的相關戰略，協調資源開發與保護的關系，切實維護我國海洋資源權益，構建海陸連通，有效提高我國海洋競爭力，發展合作共贏、人海和諧、依海強國富國。在信息化的時代背景下，如何尋求積極有效的教學模式，準備體系化的教學素材，培養既懂科學又懂技術的、可用的、復合型的、有成長性的海洋科學人才，對海洋科學專業教師提出了新的挑戰。

學科交叉是當前科研、教學發展的趨勢之一，其在海洋科學領域的應用也日益受到重視[1-2]。隨著人工智能技術的發展，深度學習方法在海洋數據挖掘任務中表現出色，特別是在海洋動力災害的短期預報和應急響應方面具有很大的潛力[3-4]。傳統數值模型計算所需時間較長，限制了其在突發性海洋動力災害的預報上的應用。而深度學習模型在處理大規模數據時具有很高的計算效率，并且在預測結果時效性方面具有優勢[5]。因此，人工智能技術在海洋科學領域的應用將有助于實現海洋災害預報的時空精細化和預報要素的多樣化、定量化和時效性等方面的需求。隨著新技術與課程教學改革的不斷融合，海洋科學專業教師需要更新多學科專業技術，積極將最新的信息技術應用到教育教學改革中。這將有助于提高學生的綜合素質和創新能力，培養更多具備跨學科知識和技能的綜合型人才，進而推動海洋科學領域的發展，提升國家核心競爭力。

深圳大學海洋科學專業建立于2011年，歷經10年發展，于2021年形成較完備的應用海洋學教學體系，其建設強調學科的交叉性、應用性與綜合性（圖1）。然而，從計算機技術發展適應角度看，該教學體系仍存在內容呆板落后，不具備適應現代海洋學發展的時代性與前沿性;當前的應用海洋學教育側重于海洋災害的動力機制介紹及傳統計算流體力學基礎知識講解，在基于人工智能的海洋災害預警預報上還沒有建立起相對成熟的縱向布局;此外，海洋教學在實踐方面仍停留在計算機實驗和傳統流體力學實驗上，無法有效地提升學生的科技創新能力和拓寬學生的專業領域知識。因此，現有的人工智能在應用海洋學教學體系和教學方式方面不能適應建設中國特色海洋強國的戰略發展目標，應有效創新升級應用海洋學課程教學內容，豐富教學形式，開發更高效先進的教學方式和模式。

一 應用海洋學教學內容與教學目的

（一） 教學內容

應用海洋學的主要研究方向是應用海洋科學原理和方法解決海洋問題，特別是與海洋環境、資源和災害相關的問題。應用海洋學當前的課程教學內容涉及海洋生物學、海洋氣象、海洋資源利用及開發、海洋環境保護、海洋災害和海洋工程等[6]。其主要教學內容如下所述。

1）海洋災害是應用海洋學的重要教學內容之一。現階段，海洋災害涵蓋海洋生物、海洋地質、海洋氣象和海洋污染災害等[7]。海洋災害學的教學目標是研究這些災害的成因、特征、演變規律和影響，研究海洋災害的預測和預警技術，通過建立數學模型和計算機模擬，模擬海洋環境中的物理、化學和生物過程，預測和評估不同海洋災害的發生、演化和影響，提高海洋災害的預測和預警能力，為海洋災害防治和應急響應提供科學依據。

2）海洋環境保護的教學內容涉及海洋生態環境、海洋生物多樣性、海洋資源三大方面的保護，以及海洋污染防治、海洋環境監測和評估及海洋法律和政策[8]。通過研究海洋污染的來源、類型、特點和影響，海洋生物多樣性的分布、變化和保護措施，海洋生態系統的結構、功能和演化規律，海洋資源的分布、利用和管理，海洋環境監測和評估的方法、技術和標準，以及國際海洋法律和政策，保護海洋環境，促進海洋可持續發展。

3）海洋氣象是研究海洋大氣相互作用及其對海洋環境和人類活動的影響的學科。海洋氣象教學內容通常包括海洋氣象、海洋天氣現象、海洋氣象要素、大氣環流、海洋氣象預報、海洋氣象應用[9]。通過學習海洋氣象，學生能夠了解海洋大氣系統的基本特征，掌握海洋氣象要素的測量和分析方法，了解海洋氣象現象的成因和影響，掌握海洋氣象預報的基本原理和方法，并能夠將所學知識應用于海洋資源開發、航運、漁業、海上救援和海洋環境保護等方面。

4）海洋生物學是研究海洋中各種生物的起源、結構、功能、分布、分類、生態和演化等方面的學科[10]。教學內容包括海洋生態學、海洋生物的生理學、形態學與分類學、海洋生物的分布與生態環境、海洋生物的演化與多樣性、海洋生物的保護與利用及海洋生物技術。通過相關學習，了解海洋生態系統的結構和功能，并為生態環境保護提供科學依據。

5）海洋工程是研究海洋環境下的建筑、機械和電氣工程問題的學科，其教學內容通常包括海洋工程基礎、海洋工程設計、海洋機械、海洋電氣、海洋結構安全及海洋資源開發[11]。通過學習工程力學、材料力學、結構力學等工程學基礎知識，海洋工程設計的基本原理和方法，海洋電氣系統的設計和制造，海洋能源開發和利用的技術和方法，掌握如何設計和建造安全的海洋結構。

綜上所述，應用海洋學是一門涉及面廣、內容抽象、技能要求高的學科，涉及海洋科學、工程學、環境科學、生物學、地球物理學、地質學、化學和氣象學等多個領域的知識。它研究如何利用海洋資源，保護海洋環境，以及在海洋中開展各種人類活動。應用海洋學的教學目的就是讓學生掌握基礎知識和技能，為保護海洋環境、利用海洋資源、提高海洋災害的預測和治理能力做出貢獻。

（二） 教學目的

深入了解行業動向和需求，堅持“立足深圳，服務南海沿海，面向全國”的服務面向定位，切入行業主流，緊密結合行業需求，建成與國家戰略和地方海洋經濟社會發展相適應的特色應用海洋學專業教學體系。秉承“既要頂天，又能立地”的海洋人才培養理念，理論與應用并重，科研與實踐并舉，著力培養既懂科學、又懂技術的可用的、復合型的、有成長性的人才，既能滿足廣東省、粵港澳大灣區和深圳市海洋發展的需求，同時也能滿足各涉海部委的需求，實現“寬口徑、厚基礎、強能力、全面發展”的海洋人才深圳本土培養目標，將思想政治教育貫穿在研究生教育全程，體現在管理與培養研究生的所有環節，并通過與實踐活動有機結合的方式深入思想政治教育，培養具有良好的思想道德和較高的人文科學素養的海洋科學專業高級人才。

二 當前應用海洋學教學存在問題

（一） 教學內容陳舊，教學中難以體現最新成果

在人工智能技術高速發展的背景下，應用海洋學課程知識點涉及面廣，包括物理海洋學、化學海洋學、生物海洋學及海洋地質等基礎知識;同時，涉及計算流體力學、地理信息系統、人工智能等經典與現代技術學習，包括網格劃分策略和數值方法、程序設計和調試、數值解的顯示和評估、知識表示、問題搜索、機器學習、遺傳算法等。此外，海洋災害預警預報技術從最初的基于超級計算機的數值預報模型，發展到基于人工智能的部分量化預報模型，特別是針對圖像處理的深度學習技術，目前已被廣泛應用于海浪、海溫、風暴潮等海洋要素的中短期預報[3-5]，海洋三維溫鹽結構的快速反演[12]，中尺度渦、綠潮等海洋生態災害的智能識別[13-14]等。但是，當前應用海洋學教育存在和前沿實踐技術脫節的現象，海洋應用學教育無法及時追溯到海洋科學領域中人工智能技術的最新運用進展，這也在一定程度上導致教育活動與專業性實踐化人才培養的脫節，無法真正促進海洋科學的進步發展，也無法使學生掌握最前沿的海洋應用技術。所以，怎樣發展橫向教育系統、實現多學科交融，幫助學生及時了解海洋應用前沿技術，促進學生更好地將海洋理論知識運用到戰略實踐之中，亟需教育工作者全面改革教學大綱，進行完善的學科設計。

（二） 教學方法傳統，與國家及社會需求脫節

現階段，傳統海洋科學理論教學仍占據高校海洋應用教學的主導，講授內容仍側重于各種海洋環境災害動力機制介紹及傳統計算流體力學基礎知識，教學模式仍停留在課堂灌輸層面，采用傳統的“填鴨式”授課模式，嚴重禁錮學生的創新思維。同時，部分教師本身的專業方向缺少交叉學科的理論知識，無法支撐起掌握交叉學科教育理念，更無法充分利用現階段高速發展的人工智能技術融匯至教育模式中，禁錮了教育思路的拓展和學生培養方式的創新。然而，隨著大數據時代的到來，許多線上網絡課程被開發出來，為學生豐富了知識學習方式，更滿足了許多學生的個性化學習需求。與此同時，高校培養的人才與實際社會需要的人才無法有效接軌的問題日益突出，成為目前國家和社會亟需解決的問題[15]。現階段，許多高校教師停留在象牙塔中，未能充分了解當前海洋類企業人才需求和未來發展趨勢，無法及時調整變革教學內容，導致學校人才培養與社會人才需求無法有效匹配。當前亟需正確認知社會與國家人才的實際需求情況，調整教學內容，創新教學模式，從學生的角度出發，進行更加豐富完善的個性化人才建設。

（三） 評價方式單一，無法體現學生綜合素質

為有效培養人才、推動海洋科學教育的長效發展，科學的課程評價體系建設尤為重要。應用海洋學課程考核體系課程大多采用傳統的單一的教學評價模式，限制了課程評價的內源認知與多元化發展，無法有效促進教學體系的升級。以深圳大學應用海洋學、海洋災害的成因與數值預報等課程的評價體系為例，由日常課堂表現評價和期末考試成績作為課程評價指標（比例為4∶6），日常課堂表現采用隨堂測試、課后作業、文獻翻譯等形式為主。期末考試的試卷往往以客觀題為主，評價學生對課程大綱要求的理論知識的學習情況，缺乏對學生課程理論應用實踐、科研創新能力的評價。考察過程未考慮到學生的興趣愛好和學習特點，造成客觀性差，缺乏多樣性和靈活性，不能準確反映學生的學習水平，難以發掘學生的潛力和優點。同時，傳統教學評價方法大多以紙質方式進行，反饋及時性較差，往往無法及時發現學習過程中的問題，從而及時調整教學策略，影響教學效果。對應用海洋學教育內容應構建起科學全面、系統完善的評價體系，充分發揮其對課程建設的積極指導價值，有效研發學科交叉背景下應用海洋學教育特色課程評價系統，踐行教育評價體系的深入改革創新。

（四） 課程脫節，難以適應我國海洋經濟發展需求

應用海洋學各課程涉及海洋科學、計算機科學的多種先進技術，難度較大。在教師綜合素質有待提升、實驗教學計劃落后、教學資源不足的現狀下，目前實踐教學普遍薄弱，局限于潮汐調和分析預報、環境流體動力學模型（the Environmental Fluid Dynamics Code）等設計簡單的實驗編程與模型應用，所涉及的均為已被淘汰的老舊應用技術，導致學生在課程內容掌握方面缺少主動性和創造性，使學生缺乏實踐經驗和與行業接軌的能力。與此同時，人工智能技術和思維邏輯還未充分運用到實踐課程教學中，教師采用給予學生特定的基礎程序，讓學生在此基礎上進行簡單的設計與修改，限制了學生的開拓創新思維培養，更桎梏了學生實踐創新能力的開發，這種教育模式與“寬口徑、厚基礎、強能力、全面發展”的海洋人才的培養目標不匹配，無法有效培養出滿足我國海洋科學發展需求的人才。怎樣將先進的人工智能技術有效運用到海洋科學實踐課程之中，使學生將理論知識融會貫通到實踐工作方面，是相關教育研究領域亟需解決的問題。

三 課程教學改革創新探討

（一） 更新教學內容，構建學科交叉融合縱橫向知識體系

深圳大學應用海洋學教學體系包含應用海洋學、海洋災害的成因與數值預報、海洋管理概論、智慧海洋技術與應用和海洋法等專業特色課程（圖1），其課程教學內容需要與海洋科學導論、物理海洋學、化學海洋學等基礎課程有顯著的差異，需要體現出教學的特色和高度。課程具有學科交叉特性顯著，專業知識點繁多，學習難度較大的特點。其中，交叉學科教育理念已經成為給學科賦能、促進現代科技發展的重要源動力，國內外高校越來越重視課程的多學科綜合一體化。深圳大學充分利用學科綜合優勢，集合計算機與軟件學院、生命與海洋科學學院優秀教師力量，推進應用海洋學課程體系教學內容改革，使學科理論教學與實踐教學緊跟人工智能發展前沿。例如，在海洋大數據的背景下，應用遺傳算法、關聯規則法等算法，挖掘提取有價值的信息，從而更有效地了解海洋環境要素間的時空關聯;在海浪預報方法講授中，在講授數值求解海浪能量方程的第三代海浪模型的基礎上，進一步介紹基于貝葉斯網絡、長短期記憶人工神經網絡等深度學習模型的有效波高智能化預報方法;在講授基于海流-生態耦合模型對赤潮等生態災害的預報方法基礎上，進一步介紹基于循環神經網絡、多層感知器等深度模型的智能化預方法，讓學生牢固樹立“科學為技術服務，技術需要以科學為依托”的思想，深刻理解多學科交叉聯合應用的優勢。

（二） 改革教學方法，啟發式教學培養學生科研能力

亟需轉變傳統的灌輸式課堂教育模式，由“以教師為中心”向“教師-學生”研討式教學方式轉變。根據現代學生自主學習能力不斷提升的現象，開發我國MOOC特色線上教學模式，引導學生通過自學方式學習自己感興趣的課程，并在線進行隨堂測試評價知識掌握情況，由此，教師能夠實時掌握學生對課程內容的掌握情況，并進行探究式課程設計，了解學生的興趣點，引導課堂討論，提高學生的參與度，為學生進行高效的答疑解惑，總結概括學生學習的實際情況。此外，MOOC的發展也對教師提出了更高的專業要求，教師需要具備隨時擴展補充MOOC線上課程中所缺少理論知識的能力。同時，在教學過程中使用案例法，利用豐富的多媒體資源，使教學內容形象化，增強課程的實用性。例如，以針對黃海綠潮災害建立的“黃海綠潮災害應急遙感監測與預測預警系統”為經典案例，系統介紹海洋生態災害的遙感監測技術、實時同化預報技術、智能化預警預報技術，提高知識點的趣味性和課堂學習的主動性。與此同時，隨著人工智能技術的不斷創新，其在海洋科學中的應用也無法被全面地在課堂教學中傳授給學生。因此，應用海洋學的課堂學習人數應限制在20～30人，以便于開展“翻轉課堂”教學與學術研討。教師可以讓學生分組，完成科學選題、資料調研、文獻綜述及小組匯報，使所有學術都能參與到自主學習與個性化學習中，激發學生對人工智能背景下應用海洋學的濃厚興趣，對學生的綜合能力培養具有積極促進作用。

（三） 完善評價機制，采用多元化課程評價方式

由于應用海洋學多學科內容交叉、應用實踐要求高的特點，單純通過一張試卷和幾個實驗進行考核，很難體現出培養“既要頂天，又能立地”的海洋人才教學目標。采用綜合考察的方式，兼顧基礎知識掌握、實踐能力和專業素養三個方面，通過學生與教師互評、線上線下有機結合、定性定量分析評價、過程與總結性考核科學結合的評價體系，培養優質的海洋科學人才。所以，深圳大學積極促進教學評價方式的多元化發展，增加專題討論論壇、企業課堂研究評價、口頭匯報展示評價、小組項目評價等方式，提高過程性考核占比。積極開展編程類計算機實踐課程，開拓更多具有交叉學科特性的應用課題研究項目，補充海洋類課程的評價體系，有效培養創新型人才，從而加強對學生綜合素質的評價。同時，在期末考試試卷中引入部分開放性題目，要求學生針對政府及社會需求，自主設計海洋災害預警預報系統（如自主設計，可應用于臺風影響下的粵港澳大灣區海洋動力災害的智能預警預報系統），通過多維度的課程評價體系，對學生的自主創新能力、自主學習能力、團隊合作能力、動手實踐能力進行綜合評價，充分考核學生的海洋專業素養和運用人工智能等高科技技術解決海洋應用難題的能力。

（四） 產學研協同育人，強化實踐教學環節

社會經濟的發展離不開科技的進步與革新，優化人才培養模式和科技成果轉化是國家重要的發展戰略。產教融合和校企合作能夠使學生直接參與到企業的研究項目之中，將企業的工程案例及其處理方案納入海洋科學教育范疇，提高學生案例分析與問題處理能力、創新及團隊合作能力，是海洋科學教育的重要發展趨勢之一。同時，《全國海洋經濟發展“十三五”規劃》《粵港澳大灣區發展規劃綱要》《中共中央、國務院關于支持深圳建設中國特色社會主義先行示范區的意見》強調支持深圳建設全球海洋中心城市，深圳在國家海洋戰略領域的地位不斷提升。在此背景下，深圳大學積極了解最新的行業動態和企業需求，探索校企合作教學模式，與深圳市海洋發展研究促進中心、中海油信息科技有限公司、深圳市朗誠科技股份有限公司等國家高新技術企業積極合作，共建實習實訓基地，將基于人工智能的海洋觀測數據質量控制與智能分析、海洋災害預警預報等技術引入課程實踐環節，形成產學研深度融合。積極開展學術論壇、學術講座、學術會議等活動，增強大學與企業間的學術交流;通過討論反思，讓學生在實踐中結合理論、發現問題、解決問題。此類教學模式激發了學生的學習熱情，培養了學生的實踐能力，激勵學生自主思考，挖掘學生的潛能，同時培養學生的科研能力和自主創新能力。

四 結束語

當前以人工智能、大數據、物聯網、互聯網及虛擬仿真技術等為代表的信息技術不斷取得突破，世界正處于新一輪科技革命的孕育興起時期[16]。時代對高校教師的教學改革基礎新的要求，各高校正大力開展學科交叉課程建設工作[17-18]。本文以深圳大學應用海洋學教學體系的教學改革為例，針對課程目標和特色，面對當前教育方面的問題，亟需全面探索和創新教育的內容、模式、評價體系和實踐教學方法等（圖2）。在學科交叉的大背景下，教學內容前沿化與學科交叉綜合化、采用“翻轉課堂”等激發學生自主創新性的教學方法、注重考察學生的綜合素質、加強基于產學研教學實踐，實現滿足建設我國海洋強國戰略目標的實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質、復合型海洋科學人才要求。

隨著國家對海洋經濟的重視和發展需求，海洋科學專業教師需要積極探索新的教學模式和教育手段，以適應信息化時代的需求。其中，一些具有應用價值和前瞻性的技術，如人工智能、云計算、大數據等，已經在海洋科學領域得到廣泛應用。教師可以結合這些新技術和工具，開展創新的課程設計和實踐活動，提高學生的創新思維和實踐能力。同時，教師還需要根據新的教育需求和目標，建立更加完善的教學體系和教材體系，包括課程設置、課程內容、課程評價等方面的優化和調整，以培養更具綜合素質和競爭力的海洋科學人才。此外，海洋科學專業教師還應積極參與科研工作，不斷更新自身的學術知識和技能，緊密結合海洋科學研究的前沿和實踐需求，引領學科交叉和創新，為培養具有較強應用實踐與創新能力的新時代海洋科學人才提供學術支撐和指導。

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基金項目：廣東省高等學校特色專業建設項目“深圳大學海洋科學專業”（839-0000027162）;深圳大學學科交叉課程建設項目“海洋災害的成因與數值預報”（860-000001022115）;深圳大學教學改革研究項目“海洋強國戰略視野下海洋管理概論課程思政建設與融合創新”（JG2022124）

第一作者簡介：牛茜如（1989-），女，漢族，山東青島人，博士，副研究員，碩士研究生導師。研究方向為物理海洋學。

*通信作者：牟林（1977-），男，漢族，山東青島人，博士，二級教授。研究方向為物理海洋學。