馬 瑞，趙錦梅

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

風(fēng)沙物理學(xué)是介于沙漠科學(xué)和物理學(xué)之間的邊緣學(xué)科，是沙漠學(xué)中以基礎(chǔ)研究和應(yīng)用為主的重要分支學(xué)科.該學(xué)科是以流體力學(xué)的基本原理為出發(fā)點，從力學(xué)和物理學(xué)過程研究風(fēng)與各種沙質(zhì)地表的相互作用機制及其風(fēng)沙運動規(guī)律.國際上，一般將拜格諾在1941年出版的風(fēng)沙物理學(xué)專著《風(fēng)沙與荒漠沙丘物理學(xué)》作為風(fēng)沙物理學(xué)誕生的標(biāo)志，至今只有七十多年的歷史，所以，風(fēng)沙物理學(xué)是一門比較年輕的學(xué)科.1977年聯(lián)合國沙漠化大會之后，沙漠化作為科學(xué)問題引起了全球范圍內(nèi)科學(xué)界的重視.沙漠化是以風(fēng)沙活動為主要特征，以各種風(fēng)沙地貌為主要景觀標(biāo)志，因而首先表現(xiàn)為風(fēng)沙問題.風(fēng)沙物理學(xué)作為沙漠科學(xué)的重要分支學(xué)科，在全球沙漠化研究的背景下獲得了重要的發(fā)展機遇，并取得了豐碩的成果[1].因此，我們也可以說風(fēng)沙物理學(xué)又是一門發(fā)展較快的學(xué)科.然而，年輕和發(fā)展快也說明著風(fēng)沙物理學(xué)有不斷被完善和提升的空間，尤其是自1998年中科院知識創(chuàng)新工程啟動以來，伴隨著實驗手段和儀器設(shè)備的改進，風(fēng)沙物理學(xué)的新觀點和新理論不斷推陳出新[2].一些重要的研究成果，包括對拜格諾提出的沙質(zhì)床面空氣動力學(xué)粗糙度1/30定律的修訂、對歐文效應(yīng)的從新定義、對風(fēng)沙電現(xiàn)象的研究、對風(fēng)沙邊界層風(fēng)沙互饋機制的研究等，被國際風(fēng)沙物理學(xué)界認為是近年來風(fēng)沙物理學(xué)取得的重要進展.而這些研究成果的出現(xiàn)對我們的教材也提出了新的挑戰(zhàn)，如何選擇授課內(nèi)容，如何將這些新觀點新理論融入我們的教學(xué)中來，這是一個需要認真思考和推敲的問題.

1 風(fēng)沙物理學(xué)的課程性質(zhì)與教學(xué)要求

風(fēng)沙物理學(xué)以風(fēng)沙活動為研究對象，風(fēng)沙運動是氣固兩相流的一個重要研究分支，并作為風(fēng)沙物理學(xué)研究的核心內(nèi)容備受重視.風(fēng)沙工程中采取的各種措施，包括封閉、固定、阻攔、輸導(dǎo)、改向和消散等措施類型都是基于風(fēng)沙運動的特征和防治目標(biāo)設(shè)定的[3]，因此，學(xué)習(xí)風(fēng)沙物理學(xué)對《荒漠化防治工程》等相關(guān)課程的教學(xué)至關(guān)重要.風(fēng)沙物理學(xué)作為高等院校水土保持與荒漠化防治專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，通常開設(shè)于第5學(xué)期，總學(xué)時36學(xué)時，其中，課堂講授學(xué)時為24學(xué)時，實驗課為12學(xué)時，另于學(xué)期末開設(shè)綜合實習(xí).本課程主要涉及近地表風(fēng)的基本特性；沙物質(zhì)顆粒的起跳機制、運動規(guī)律以及風(fēng)沙流的形成與結(jié)構(gòu)、土壤的風(fēng)蝕現(xiàn)象和各種風(fēng)蝕風(fēng)積地貌的特點、風(fēng)沙運動的實驗理論及研究方法等.開設(shè)該課程的主要目的是為本科生其它專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和今后從事荒漠化防治工作、荒漠化防治科學(xué)研究及沙產(chǎn)業(yè)方面的工作建立牢固的理論基礎(chǔ)及操作技能.通過對本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生達到下列基本要求：（1）掌握風(fēng)沙物理學(xué)的基本概念、基本理論及應(yīng)用方法；（2）能夠理論聯(lián)系實際，獨立分析說明自然界中風(fēng)沙運動的一般規(guī)律；（3）掌握風(fēng)沙運動的基本原理和方法，了解風(fēng)沙物理學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.

2 風(fēng)沙物理學(xué)教學(xué)設(shè)計

目前，風(fēng)沙物理學(xué)被各農(nóng)林類高等院校定為水土保持與荒漠化防治專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，對于這樣一門新興學(xué)科，要樹立怎樣的學(xué)術(shù)思想？采取什么樣的授課方式？授課過程中要注意哪些問題？這些問題不僅關(guān)系到學(xué)生對知識的理解和接納程度，從長遠考慮也關(guān)系到這一學(xué)科的發(fā)展.為此，我們從課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和實踐教學(xué)等3個方面對風(fēng)沙物理學(xué)的教學(xué)工作進行了設(shè)計和完善.

2.1 課堂教學(xué)

2.1.1 借助輔助資料，降低課程內(nèi)容難度

教材是體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的知識載體，是進行教學(xué)的基本工具，也是深化教育教學(xué)改革，全面推進素質(zhì)教育，培育創(chuàng)新人才的重要保證.風(fēng)沙物理學(xué)教材共有兩版，第一版發(fā)行于1992年，共印刷了1次[4]，第二版發(fā)行于2010年9月，被定為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材和高等學(xué)校水土保持與荒漠化防治專業(yè)教材[5].與第一版相比，第二版將流體力學(xué)基礎(chǔ)理論作為單獨的一章內(nèi)容列出，在此基礎(chǔ)上，對風(fēng)及其基本性質(zhì)、沙及其基本性質(zhì)、風(fēng)沙運動、風(fēng)沙地貌的形成及演變、土壤風(fēng)蝕、沙塵暴及風(fēng)沙物理學(xué)研究方法等知識做了詳細的介紹.這一內(nèi)容上的重組和改進使得風(fēng)沙物理學(xué)的課堂教學(xué)得以系統(tǒng)化，但因部分內(nèi)容難度大，比如沙粒起動機制、輸沙量的計算、沙粒運動軌跡方程、沙丘形成過程中的二次流理論等，單靠本科大學(xué)物理中所學(xué)的流體力學(xué)知識及教材第一章流體力學(xué)基礎(chǔ)理論部分的知識還不足以使學(xué)生理解.為此，就需要收集相關(guān)輔助資料，借助相鄰學(xué)科和生活中的流體力學(xué)知識進行解釋.比如，可以利用球類運動中的弧線球理論和扎桿球理論解釋沙粒起動起跳過程中的馬格努斯效應(yīng)；利用繞流機翼理論解釋沙粒起動機制中的壓差升力學(xué)說；利用順時針或逆時針攪動茶水時茶葉的聚集現(xiàn)象解釋二次流理論等.通過運用這些生活中常見現(xiàn)象背后所折射出的流體力學(xué)知識來推演風(fēng)沙物理學(xué)現(xiàn)象的機理，可以使教學(xué)內(nèi)容的難度降低，學(xué)生的興趣、分析問題的積極性，對機理的理解能力也都有了很大的提高.

2.1.2 重視教學(xué)策略，提升課堂教學(xué)質(zhì)量

教學(xué)策略關(guān)系到教學(xué)效果的好壞.針對風(fēng)沙物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容難度大、范圍廣的特點，我們在課堂教學(xué)中采取以下策略：首先，要對授課內(nèi)容進行篩選，對課本內(nèi)容不求面面俱到，而是在學(xué)生的認知能力和接受范圍內(nèi)講精、講細，既重視基礎(chǔ)理論，又要把握學(xué)科前沿，對實踐性強的內(nèi)容，應(yīng)結(jié)合實例，做深入淺出的講解，做到理論與實踐的統(tǒng)一；其次，合理安排各章節(jié)內(nèi)容，既強調(diào)課程的系統(tǒng)性，又要有重點、難點的突破，在學(xué)時分配上，要突出重點、難點，不能平均分配；第三，要注重動態(tài)影像資料的使用，利用多媒體教學(xué)，對風(fēng)沙起動、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，渦流的形成等結(jié)合風(fēng)洞模擬實驗的影響資料進行講解，實現(xiàn)講播同步式教學(xué)；第四，要注重對學(xué)生興趣的激發(fā)，可結(jié)合生活中的流體力學(xué)現(xiàn)象對難度較大的講授內(nèi)容做出推演，實現(xiàn)啟發(fā)式、導(dǎo)向式、探究式和互動式教學(xué)，同時鼓勵學(xué)生參與分析，于無形中激發(fā)學(xué)生的興趣，活躍學(xué)生的思維，使學(xué)生產(chǎn)生求知的欲望.

2.1.3 培養(yǎng)學(xué)術(shù)思想、促進學(xué)科發(fā)展

基礎(chǔ)物理學(xué)的教材內(nèi)容是確定因素下產(chǎn)生的確定結(jié)論.而對于風(fēng)沙物理學(xué)而言，由于涉及因子的多元化和研究者的主觀判斷，使得一些結(jié)論具有片面性，隨著時間的推移有可能被新的研究成果取代，或甚至被證明是不正確的，且目前眾多研究成果的涌現(xiàn)已對前學(xué)者的部分研究結(jié)論提出了質(zhì)疑.正如風(fēng)沙物理學(xué)工作者楊保等人[6]所認為的：“由于研究者認識水平和客觀條件，尤其是實驗條件和模擬手段落后的限制，使得有關(guān)風(fēng)沙運動的成果基本上是半經(jīng)驗性質(zhì)的，使用時還有很大的局限性.尤其是對宏觀和微觀的聯(lián)系的研究起步較晚，使得風(fēng)沙物理學(xué)的理論還沒有形成一個完善的體系，風(fēng)沙研究工作者只能提供給工程界一些經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式，嚴格的說，這些經(jīng)驗半經(jīng)驗公式只能在滿足他們的條件下使用，外推到其他條件下使用可能造成相當(dāng)大的誤差”.因此，從學(xué)科發(fā)展的角度，我們就要鼓勵學(xué)生多思考，在正確學(xué)術(shù)思想的引導(dǎo)下，去突破和發(fā)展.作為老師，要教好這樣一門課，首先要有嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度，充分了解學(xué)科發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，樹立正確的學(xué)術(shù)思想，以發(fā)展的眼光看待問題，瞻前顧后，在尊重已經(jīng)形成共識的研究成果的基礎(chǔ)上重視知識的擴展.比如在各種數(shù)值模型的講解中，應(yīng)認識到多數(shù)表達式都是按一般的規(guī)律，理想的形式和典型的模式用數(shù)學(xué)方程式表示出來的，故不具有普適性，這就要求我們在教學(xué)時根據(jù)存在的問題激發(fā)學(xué)生對各種影響因素的認知和分析能力，避免生硬接受他人思想，因此在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度的同時也促進了學(xué)科的發(fā)展.

2.2 實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是風(fēng)沙物理學(xué)課程必不可少的組成部分，對于鞏固學(xué)生所學(xué)的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新精神具有重要的作用.傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式是學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)老師的安排在實驗室內(nèi)按部就班的對理論知識進行驗證的過程，在這種實驗教學(xué)模式下，學(xué)生的主觀能動性得不到發(fā)揮，思維僵化，且隨著本科生的擴招，原有的按小班設(shè)計的實驗室和配備的實驗設(shè)備已不能滿足需要，部分驗證性實驗也轉(zhuǎn)化成了演示性實驗，造成實驗效果不理想.針對風(fēng)沙物理學(xué)的實踐性和應(yīng)用性特點，我們對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式進行了改革，加強了設(shè)計性實驗.該門課程的設(shè)計性實驗主要有兩個：一是沙物質(zhì)休止角的測定：沙丘沙的休止角是風(fēng)與沙相互作用塑造的一種動力平衡狀態(tài)，是控制沙丘形態(tài)的重要因素之一，對分析沙丘的穩(wěn)定性和流動性具有實際意義.休止角的設(shè)計性實驗要求學(xué)生首先自行設(shè)計測定對象的屬性，包括對不同粒徑范圍的劃分、不同含水量的設(shè)定、不同磨圓度的界定等.在此基礎(chǔ)上，對實驗順序進行設(shè)計，通過實驗順序的合理設(shè)計，可以節(jié)省不同屬性沙物質(zhì)的處理時間，實現(xiàn)沙土樣的有效利用；二是動力風(fēng)速風(fēng)向圖的繪制：風(fēng)是風(fēng)沙和風(fēng)成地貌形成的動力因素，并不是所有的風(fēng)對沙丘的形成、演化及移動起作用，因此，在風(fēng)沙地貌動力學(xué)研究中，只限于統(tǒng)計能使沙子運動的起沙風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向，繪制動力風(fēng)向風(fēng)速圖.動力風(fēng)向風(fēng)速圖有多種類型，常用的有動力風(fēng)玫瑰圖和動力矢量圖，這兩種圖所反映的沙丘運動的方向、速度和方式的詳細特征有所不同，因此，這節(jié)內(nèi)容我們就需要發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和判斷力，根據(jù)風(fēng)信資料采集區(qū)的特征以及圖件的用途進行類型的選取，再進行風(fēng)信資料的整理與轉(zhuǎn)化.

2.3 實踐教學(xué)

風(fēng)沙物理學(xué)屬于應(yīng)用性和實踐性較強的課程，該課程除休止角測定、風(fēng)信資料整理與轉(zhuǎn)換等少數(shù)實驗外，其它實驗內(nèi)容都要借助沙風(fēng)洞完成，而全國建有用于風(fēng)沙物理學(xué)現(xiàn)象研究的沙風(fēng)洞的單位僅有中科院寒旱所、北京林業(yè)大學(xué)、北京師范大學(xué)、蘭州大學(xué)等幾家科研單位和高等院校.為此，風(fēng)沙物理學(xué)大多實驗只能借助影像資料進行演示性講解，或在每年五月份第二個周末的中科院寒旱所開放日組織學(xué)生進行風(fēng)洞參觀并觀看部分演示性實驗，其組織難度大且效果不理想.為了改變這一現(xiàn)狀，我們借助馬路灘林場實踐教學(xué)基地和民勤治沙站實踐教學(xué)基地，開設(shè)了“風(fēng)沙物理學(xué)野外綜合實習(xí)”，將大部分風(fēng)沙物理學(xué)室內(nèi)實驗轉(zhuǎn)化為室外綜合性實踐教學(xué).

馬路灘林場實踐教學(xué)基地和民勤治沙站實踐教學(xué)基地是近年來為配合實踐教學(xué)的需要，學(xué)院重點建設(shè)的兩個實踐基地.從抵御流沙入侵的需要和樣板地建設(shè)的需要出發(fā)，兩個基地均在綠洲荒漠過渡帶的流動沙丘分布區(qū)鋪設(shè)了多種形式和規(guī)格的麥草沙障、粘土沙障、塑料網(wǎng)沙障、礫石沙障等低立式沙障，還利用尼龍網(wǎng)、作物秸稈等設(shè)立了各種高立式沙障.作為機械沙障的輔助措施，梭梭林、移動森林等植物固沙措施被廣泛應(yīng)用，形成了形式多樣、種類繁多的風(fēng)沙災(zāi)害防治體系.此外，作為我國西北荒漠化防治的主要科研基地，民勤治沙站建立了各種輸沙量監(jiān)測系統(tǒng)、風(fēng)速測定系統(tǒng)、沙塵暴監(jiān)測系統(tǒng)、沙丘移動監(jiān)測系統(tǒng)、地下水位監(jiān)測系統(tǒng)和植被生長監(jiān)測系統(tǒng)，無論在規(guī)模上、還是在科研力量上均占據(jù)了學(xué)科優(yōu)勢，滿足了風(fēng)沙物理學(xué)實踐教學(xué)的需要.通過風(fēng)沙物理學(xué)綜合性實踐教學(xué)，我們要求學(xué)生能夠?qū)ι迟|(zhì)地表土壤粒度組成進行測定分析、認識和描述沙區(qū)各種風(fēng)蝕和風(fēng)積地貌的形態(tài)及特征、測定風(fēng)速廓線和輸沙量、分析風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、推算地表粗糙度、實測沙丘休止角、觀測沙波紋的形成和消散過程等.通過實踐教學(xué)，學(xué)生一方面可掌握蝕積地貌的形態(tài)特征、成因及發(fā)展趨勢，通過切身感受風(fēng)沙流，增強了對風(fēng)沙物理學(xué)現(xiàn)象的感性認識；另一方面，可在實際操作中掌握風(fēng)沙物理學(xué)野外研究的基本方法和專業(yè)常規(guī)儀器設(shè)備的使用方法，而這些知識的獲取以及學(xué)生獲取知識的積極性是傳統(tǒng)實驗授課方式所無法比擬的.

3 結(jié)語

風(fēng)沙物理學(xué)具有發(fā)展歷程短、速度快，研究范圍不斷擴大和研究新成果多的特點.本文基于風(fēng)沙物理學(xué)的學(xué)科現(xiàn)狀和發(fā)展特點，根據(jù)課程性質(zhì)和教學(xué)要求提出了一種課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、實踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計方案，以此達到降低教學(xué)難度，提高教學(xué)效果的目的.同時，通過對學(xué)生實踐技能和學(xué)術(shù)思想的培養(yǎng)，服務(wù)專業(yè)，促進學(xué)科發(fā)展.

〔1〕董志寶.中國風(fēng)沙物理研究五十年（I）[J].中國沙漠，2005，25（3）：293-305.

〔2〕董志寶，鄭曉靜.中國風(fēng)沙物理研究 50a（II）[J].中國沙漠，2005，25（6）：795-815.

〔3〕吳正.中國沙漠與治理研究50年[J].干旱區(qū)研究，2009，26(1)：1-7.

〔4〕朱朝云，丁國棟，楊明遠.風(fēng)沙物理學(xué)[D].中國林業(yè)出版社，1992.

〔5〕丁國棟.風(fēng)沙物理學(xué)[D].中國林業(yè)出版社，2010.

〔6〕楊保，鄒學(xué)勇，董光榮.風(fēng)沙流中顆粒躍移研究中某些進展與問題 [J].中國沙漠，1999，19（2）：173-178.