白鵬　楊婧靈　謝玲玲　陳法錦

【摘 要】《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》作為海洋科學(xué)專業(yè)本科生教育的核心課程，是教授學(xué)生數(shù)值模擬技能的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)海洋科學(xué)應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)。本文基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的宗旨，闡述《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程建設(shè)意義和教學(xué)現(xiàn)狀，設(shè)計篩選理論、注重編程和實踐演練有機結(jié)合的教學(xué)思路，探索有效的教學(xué)改革方法，實現(xiàn)提高學(xué)生實踐能力、培養(yǎng)應(yīng)用型海洋人才的教學(xué)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)用型海洋人才；海洋數(shù)值模式及應(yīng)用；教學(xué)改革；海洋數(shù)值模擬

中圖分類號： P7-4；G434 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0103-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.049

【Abstract】As a core curriculum for graduates majoring in marine science， “Ocean Numerical Model and Application” is the basis of teaching numerical simulation skills and plays vital role in training applied talents. Aimed for cultivating their practice skills， this paper expounds the construction significance and current teaching situation of “Ocean Numerical Model and Application”， then puts forward the organic combination of screening theory， attention to programming and practice drills to explore the effective method of teaching reform， which will contribute to improving students practical ability and cultivating applied marine talents.

【Key words】Applied marine talents；Ocean Numerical Model and Application；Teaching reform；Ocean numerical simulation

0 引言

高等教育側(cè)重于培養(yǎng)掌握專業(yè)知識和技能，能夠無縫銜接并服務(wù)于社會需求的人才。當(dāng)前社會對應(yīng)用型人才的需求迫切而量大，高等教育若只注重于培養(yǎng)學(xué)術(shù)理論型人才是無法滿足時代要求的[1]。對于海洋科學(xué)專業(yè)，掌握較高實踐和應(yīng)用知識技能（如海洋數(shù)值預(yù)報技能、海洋調(diào)查技能等）的人才在就業(yè)和社會服務(wù)中具有顯著優(yōu)勢。伴隨著全球海洋科學(xué)研究的長足發(fā)展和超級計算機性能的突破提升，海洋數(shù)值模擬及其應(yīng)用的發(fā)展也突飛猛進，國內(nèi)外眾多海洋科學(xué)家將科學(xué)研究和業(yè)務(wù)化應(yīng)用相結(jié)合，積極發(fā)展海洋數(shù)值模擬預(yù)報系統(tǒng)[2]。當(dāng)前國內(nèi)諸多涉海高校陸續(xù)開設(shè)了面向本科生和研究生的海洋數(shù)值模擬的相關(guān)課程[3-8]，旨在夯實學(xué)生的海洋數(shù)值模擬預(yù)報知識儲備，提高學(xué)生的實踐應(yīng)用技能，改善海洋科學(xué)專業(yè)海洋數(shù)值模擬方向人才短缺的現(xiàn)狀。

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》是當(dāng)前國內(nèi)眾多涉海高校面向海洋科學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的教授海洋數(shù)值模擬相關(guān)知識和技能的核心課程。該課程知識點多，內(nèi)容晦澀，需要學(xué)生預(yù)先掌握深奧的海洋動力學(xué)理論、扎實的數(shù)理基礎(chǔ)以及熟練的計算機編程技能。目前，該課程設(shè)課時間較短，因而教學(xué)經(jīng)驗較為缺乏，教學(xué)效果亟待進一步提高，這便要求在實踐教學(xué)中改革探討教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，對授課教師和學(xué)生提出了挑戰(zhàn)。

本文依托海洋科學(xué)專業(yè)本科生必修課程《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》，以課程教學(xué)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)掌握數(shù)值模擬預(yù)報技能的應(yīng)用型海洋科學(xué)人才為導(dǎo)向，以實現(xiàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、取得良好教學(xué)效果為目標(biāo)，探討如何改革教學(xué)內(nèi)容和方法，幫助學(xué)生直觀認識海洋數(shù)值模擬并熟練掌握相關(guān)知識和技能。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程包含理論講述環(huán)節(jié)和上機實操環(huán)節(jié)，主要學(xué)習(xí)海水運動控制方程、邊界條件、強迫條件等數(shù)理基礎(chǔ)，掌握多種非線性偏微分方程的數(shù)值求解方法，并利用Fortran或Matlab等編程語言，結(jié)合實測海洋資料實現(xiàn)特定海水運動問題的數(shù)值求解，最終可給予相關(guān)科學(xué)問題的動力機制分析提供數(shù)值依據(jù)，亦可有力的貢獻于海洋水動力環(huán)境的后報及預(yù)報。該課程知識點覆蓋范圍廣且難度大，學(xué)生理解消化困難且周期長，此外，非線性偏微分方程的求解及數(shù)值模擬結(jié)果的可視化過程又對學(xué)生的計算機編程能力和邏輯思維能力提出巨大考驗。在《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生重視理論知識的學(xué)習(xí)，卻抵觸上機實操環(huán)節(jié)，這有礙于學(xué)生深入的理解海洋數(shù)值模擬的核心所在，更不利于學(xué)生真正的掌握海洋數(shù)值模擬技能；也有部分學(xué)生忽視理論基礎(chǔ)的掌握，盲目的上機操作，卻因?qū)ξ锢韱栴}的膚淺理解導(dǎo)致編程錯誤頻出，同樣也無法達到好的學(xué)習(xí)效果。上述兩種情形都極大的阻礙了教學(xué)計劃的順利開展，達成良好的教學(xué)效果更是無稽之談，這便迫切需要我們通過探討改革教學(xué)思路來改善當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀。

2 教改思路

針對《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程的教學(xué)現(xiàn)狀，以培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實的數(shù)值模擬理論功底和熟練的計算機編程技能為基礎(chǔ)，開展“篩選理論、注重編程和實踐演練”教學(xué)思路設(shè)計，探討課程改革，以期實現(xiàn)課程的有效教學(xué)。

2.1 篩選理論

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程的核心理論內(nèi)容是海水運動控制方程以及數(shù)值求解非線性偏微分方程的理解、推導(dǎo)和掌握，可細分為海水運動過程的動力、熱力控制方程，初始、邊界、強迫條件，以及差分方程的推導(dǎo)、穩(wěn)定性、收斂性和相容性等，上述內(nèi)容作為海洋數(shù)值模擬實踐操作的理論基礎(chǔ)，需要學(xué)生深刻理解，熟練掌握。在授課過程中，教師應(yīng)逐步的、詳細的向?qū)W生展示各數(shù)理方程的推導(dǎo)過程，講解方程中每一項的物理或數(shù)學(xué)意義。要求學(xué)生熟練掌握各數(shù)理方程的推導(dǎo)步驟，通過隨堂測試、課后作業(yè)的方式幫助學(xué)生予以加強鞏固。特別的，以二維淺水運動方程及其差分方程的推導(dǎo)為典型案例，檢驗學(xué)生理論的掌握情況，教師根據(jù)學(xué)生的推導(dǎo)效果，進行答疑并查漏補缺。在梳理理論知識點的過程中，應(yīng)積極保證教學(xué)環(huán)節(jié)的綜合性和知識的連貫性，教學(xué)方式上“講授”和“研討”緊密結(jié)合。學(xué)生為主體，旁征博引、討論匯報，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)習(xí)記憶，達到教學(xué)相長的境界。

2.2 注重編程

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程落實到應(yīng)用上就是上機實操環(huán)節(jié)，用編程語言實現(xiàn)理論和數(shù)據(jù)的可視化，從而有利于相關(guān)科學(xué)問題的動力機制分析，貢獻于海洋水動力環(huán)境的后報及預(yù)報。由于當(dāng)前課程考核形式為卷面考試，偏重于理論知識點，導(dǎo)致學(xué)生急功近利，思想上輕視上機實踐編程；同時，數(shù)值模擬的實現(xiàn)對學(xué)生計算機編程能力要求較高，編程基礎(chǔ)較差的學(xué)生容易對課程產(chǎn)生消極抵觸的心態(tài)，導(dǎo)致無法實現(xiàn)培養(yǎng)“能動手、能實踐、能應(yīng)用、能創(chuàng)新”的教學(xué)目標(biāo)。為改變這種現(xiàn)狀，上機編程課程中可穿插進行隨堂小考，計入考試總成績；此外，編程課程先對模擬對象進行提煉分析，總結(jié)現(xiàn)象特征，確定動力參數(shù)，提示編程重點與難點，讓學(xué)生分組討論和相互借鑒，自主領(lǐng)會數(shù)值模擬過程中的技巧和要點。通過這種教學(xué)方法，可提高學(xué)生對上機實踐編程的重視度和編程實施的熟練度，發(fā)揮先進同學(xué)的帶動性，并激發(fā)后進同學(xué)的積極性，有助于課程的有效教學(xué)。

2.3 實踐演練

學(xué)以致用是《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程開設(shè)的出發(fā)點，我校海洋與氣象學(xué)院“海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)”的建設(shè)[9]，為海洋數(shù)值模擬提供了廣闊的實施平臺和優(yōu)良的教學(xué)條件。在虛擬仿真系統(tǒng)中建設(shè)海洋數(shù)值模擬模塊，教師可自主編程開發(fā)教學(xué)案例模擬一些特定的海洋水動力現(xiàn)象，以便向?qū)W生展示海洋數(shù)值模擬的實現(xiàn)過程及用途，從而幫助學(xué)生直觀的認識海洋數(shù)值模擬。此外，學(xué)生也可通過調(diào)整教學(xué)案例中某一水動力參數(shù)，分析不同數(shù)值試驗結(jié)果的差異，并嘗試從動力學(xué)角度給出機制解釋。虛擬仿真系統(tǒng)為教師和學(xué)生提供了互動的平臺，能提高課程的趣味性，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力、消化吸收理論知識，熟悉整個海洋數(shù)值模擬的實施流程，從而有助于良好的教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)，還可為學(xué)生畢業(yè)論文和繼續(xù)深造打下堅實的基礎(chǔ)。

3 總結(jié)

《海洋數(shù)值模式及應(yīng)用》課程作為海洋科學(xué)專業(yè)本科生專業(yè)課程之一，是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的重要一環(huán)。如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新應(yīng)用能力，需要對教學(xué)內(nèi)容、方法及思路進行不斷的探索和完善。本文對該課程教學(xué)改革的探討，需要教師不斷的提升學(xué)術(shù)水平，積累教學(xué)經(jīng)驗，豐富教學(xué)資源，完善教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生熟練掌握課程理論知識的同時激發(fā)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識進行實踐應(yīng)用，實現(xiàn)理論與應(yīng)用的有機結(jié)合，達到優(yōu)良的教學(xué)效果，培養(yǎng)應(yīng)用型海洋人才。

【參考文獻】

[1]李曉光.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控與保障體系實踐探究[J].高教論壇，2018，9：36-37.

[2]王輝，劉娜，逢仁波，等.全球海洋預(yù)報與科學(xué)大數(shù)據(jù)[J].科學(xué)通報，2015，60（5～6）：479-484.

[3]程軍.《海洋數(shù)值模擬》課程實習(xí)的設(shè)置研究[J].新西部，2011，33：150+146.

[4]呂海濱，周立，張存勇.海洋數(shù)值模擬方向本科CDIO+CBE創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[J].教育教學(xué)論壇，2014，6（24）：84-85.

[5]呂海濱.《海洋數(shù)值模擬》課程建設(shè)的探索 [J].地理空間信息，2012，10（6）：170-171.

[6]史劍.翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在大學(xué)課堂中的應(yīng)用——以“海洋數(shù)值計算”課程為例[J].教育教學(xué)論壇，2015，19：164-165.

[7]張文靜，史劍，王輝贊，等.研討式教學(xué)模式在研究生《物理海洋數(shù)值計算》課程中的改革與實踐[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（46）：49-53.

[8]張學(xué)慶， 劉哲.以社會需求為導(dǎo)向進行近海環(huán)境數(shù)值模擬課程教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)研究，2010，5：195.

[9]楊婧靈，白鵬，張書文，等.海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)及教學(xué)改革初探[J].科技視界，2018，18：56-58.