《海洋要素计算与预报》的课程特点与教学建议

【摘 要】 针对《海洋要素计算与预报》课程特点及教学实践中存在的问题，提高该课程教学质量和授课效果的对策主要为：加快正式教材的編辑出版，克服当前“无教材”可用的尴尬局面;通过理论内容物理图像化，增强学生课堂参与度，展示当前热点研究成果;积极保持良好的备课、授课态度，采用多种手段充分调动毕业班学生对该课程的学习积极性。

【关键词】 《海洋要素计算与预报》;课程特点;教学方法;困境;对策

《海洋要素计算与预报》（以下简称《海洋要素》）是绝大多数中国高等院校海洋科学类专业本科生培养方案中设置的一门重要的专业必修课程，其总学时一般不少于48个学时。海洋要素的分析、计算与预报是各涉海专业和涉海行业在具体业务工作中共同关心的问题，也是海洋科学类专业本科生务必掌握的一门基本的专业技能。随着中国海洋科技的迅猛发展，特别是近年来海洋强国战略的提出，使得海洋环境要素预报中应用的各种要素计算方法取得了长足的进步。尽管如此，《海洋要素》课程内容有着其自身的特点和特殊性，在现阶段教学实践环节中也暴露出一些问题亟待合理有效地解决。

一、《海洋要素》课程特点与教学困境

1、课程特点

该课程重点介绍基本海洋环境要素包括潮汐、海流、温盐特征、海浪、海冰等的分析与预报方法，其与另一门海洋科学类专业必修课《物理海洋学》比较，前者重应用方法学习，后者重基本理论学习。此外，每一种海洋要素的讲授都需要注意其各自的特点，结合我们自身教学经验归纳概括如下：

潮汐部分主要讲授长期、中期、短期资料分析以及潮汐特征值计算，掌握这些分析、计算方法的前提就是要真正理解潮汐各引潮力势的理论导出及调和分析，亦即调和常数的物理含义，而这将涉及到大量且繁琐的理论推导，因此成为潮汐预报这一章的难点。

海流部分重点介绍各类海洋学问题对应的动力学方程（组）及其数值求解方法，其中数值求解方法将涉及到对动力学方程的差分近似和多种开边界条件的定义与设置，而这又将涉及较为复杂的数学推演过程，由此成为这一章的难点。

海水温盐主要是围绕以下诸多方面展开，包括中国近海海洋季节的划分，海水温盐密度预报方法，其中又包括经验预报法、统计预报法和数值预报法，此外还有海洋水团的定义、强度、变性、形成过程及其判断方法，海洋跃层与锋面动力结构，最后是海水温盐度资料处理及温盐图解法的应用等等。由此可见，该章所要讲授的内容之多，如何讲得详略得当，且让学生融会贯通是这一章的教学难点。

海浪这章主要讲授波浪理论及其统计特征，海浪生成与传播机制，海浪分析与预报之图解法。本章的难点之一在于讲授波浪统计特征中海浪谱的概念，尽管其物理含义明确但非常抽象，对于本科生的认知水平不易于理解。另一个难点在于海浪图解法，其过程较为繁琐，涉及到如何利用风场信息反推波高，以及需要考虑波浪传播过程当中的浅水变形、折射与底摩擦作用，这些因素都将使波高的计算复杂化。

海冰这部分内容虽不属于原教材内容，是额外增设的教学内容，但由于两极冰情与全球气候变化、海平面上升，进而与人类活动息息相关。因此，海洋科学类专业的本科生对海冰科学有必要掌握以下基本内容，包括全球海冰基本状况，海冰的特征及其对环境的影响，海冰变化的热力学与动力学过程，以及海冰预报与海冰预报系统等。本章讲授的难点在于，由于当下所使用的教材并没有涵盖海冰，因此对这部分内容的讲授需要在授课前作好充分的准备工作，包括课件的设计与制作，讲义的构思与撰写，而这依赖于授课教师在课前所作的大量相关文献资料的收集、整理与总结工作。

综上所述，《海洋要素》课程内容较多，难度较大，其不单纯是应用方法的学习，其中还涉及各类基本理论知识的掌握。不仅如此，除上述特点之外，该课程自身还存在一些特殊性，由此可能导致一些教学困境，进而加大了该课程的教学难度。

2、教学困境

结合以往教学实践，《海洋要素》课程教学过程中概括起来主要会遇到以下两个方面困境：

一方面，当前凡是设有海洋科学类专业的高等院校在讲授《海洋要素》这门课程时普遍使用的是由现就职于浙江海洋大学海洋科学与技术学院的左军成教授于2006年编写的《海洋水文环境要素的分析原理与预报》，其内容涵盖了上述除海冰外的全部课程内容。全书内容编排合理，便于授课教师备课，难度适中，利于本科生接受，因此一直沿用至今。然而，不像其他海洋科学类专业课程，比如《海洋科学导论》、《物理海洋学》、《海洋调查方法》等，都有相应的正式出版的对口图书，《海洋水文环境要素的分析原理与预报》一直未正式出版成书，往届学生使用的都是教材的影印材料，加之内容繁多，且没有得到专业、合理的排版，导致教材十分厚重，不便于携带和翻阅。此外，书中还存在不少涉及到公式推导的物理变量符号错误（常见于“第二章 潮汐分析与预报”），容易误导师生教学。部分内容也不够完善，存在明显的前后不连贯（常见于“第五章 海浪预报分析”），影响学生课后查阅和复习。此外，该教材自问世以来至今已有近20年，期间并没有进行一次改版对其内容进行修正、更新，课程中介绍的计算方法虽然经典，但有些已被当今更为先进、前沿的科学方法所取代，加之市面上又无其他可供选择的与《海洋要素》课程对口的正式出版物，进而导致了该课程教学过程中在教材使用方面长期处于“青黄不接”的尴尬局面。

另一方面，《海洋要素》课程属于海洋科学类本科专业的高年级专业课程，以南京信息工程大学海洋科学专业为例，该专业培养方案将其开设在了大四第一学期，究其原因为：《海洋要素》课程涉及到潮汐、海浪、海流、海水温盐等诸多海洋环境动力要素的分析、计算与预报，实属于应用科学领域，理应将其设置于该专业基础知识（比如《海洋科学导论》课程）和理论知识（比如《物理海洋学》课程）学习之后。此外，该课程教学过程中还将涉及其他领域知识的储备。比如，“潮汐分析和预报”一章调和常数的求解就要用到《数值分析》课程中最小二乘法拟合的相关知识。“海流数值计算和资料分析”一章中大量内容涉及到差分方程的推导与求解，而这正是需要《计算流体力学》课程在前期为本科生作非线性微分方程数值求解知识的储备。另外，“海水温盐密分析方法”一章开设了“准平稳时间序列的建立与分析预报方法”的上机实习，这完全依赖于学生在低年级时通过《FORTRAN语言程序设计》和《计算机绘图软件应用》等公共基础课的学习所掌握的编程与计算机绘图技能。然而，尽管将《海洋要素》课程开设在本科最后一个学年客观上是合理的，但是同开设在毕业班的其他课程一样，《海洋要素》课程的教学也将面临毕业班学生听课状态懈怠的局面。他们中有些已经找到了工作或正处于实习阶段，有些又疲于考研前的冲刺，又有些存在大学时代即将结束倾于应付了事的消极心态等等，再加上《海洋要素》课程本身内容多，难度大，更加剧了毕业班学生的这种听课懈怠状态，进而严重影响了该课程的教学活动。

上述两个困境倘若得不到合理有效地解决，将直接影响《海洋要素》课程的教学质量与授课效果，最终达不到该课程的教学目的。

二、《海洋要素》课程的教学建议

1、打破“无教材”的尴尬局面

面对此困境，首先希望各相关院校能够通过采取积极有效的措施，大力推动《海洋要素》课程对口教材的正式出版，比如，可考虑设立专门的教材建设基金，鼓励在该课程有着丰富教学经验的老教师以及掌握该课程相关前沿科学与先进技术的青年教师共同参与教材的编写，完成教材编写后为其正式出版开辟绿色通道，促成《海洋要素》课程对口教材的问世，最终走进相关院校的课堂。但在这之前，授课教师应该不拘于现有书本，并将视野始终置于该课程相关研究动态的最前沿，凭此积极努力更新扩充现有教学内容。同时，有选择地引进国外相关教材的先进内容也不失为一种有效的补救措施。否则，故步自封最终可能导致毕业生在寻求相关行业工作时缺乏竞争力，进一步可能还会影响院校自身的声誉。

2、多手段调动毕业班学生学习积极性

首先，将该课程中涉及到大量数学推导的教学内容从重公式推演转变为侧重介绍方程组建立的物理背景，方程组各项所对应的物理特征，以及最终反映出的物理现象的科学解释等，这将有利于学生通过构建有趣的物理图像，加深理解和接受这部分教学内容，从枯燥乏味的数学推导中挣脱出来，更直接地认清隐藏在推导背后公式所包含的物理现象。此外，在进行必要的公式推导时，还要积极创造与之相关的物理问题，采用设问式教学，提高学生听课的专注度和积极性。

其次，如《海洋要素》这样的重应用科学的专业课程，仅靠听是无法完成教学目标的。因此，在课堂上要积极主动地设置出题环节，让学生走上讲台，在黑板上展示解题过程，教师随后点评引申，借此可增加学生的主动参与度，调动学生的听课积极性。此外，对于重应用课程的教学，作业是必不可少的。课堂上的授课内容十分有限，而实际问题更为复杂。通过完成作业，学生将更加深入地理解课上所学，且所学知识又得到了进一步的应用，进而加深了印象不易于遗忘。

另外，将授课内容尽可能与当前研究热点相结合，利用多媒体课件尽可能多地以图片或者视频的形式展示与该课程相关的前沿科研成果。这些生动的物理图像往往能够吸引学生眼球，激发其好奇心，进而引起他们对于该课程学习的兴趣。比如，我们在讲授海冰这部分内容时，引入了大量的两极实地考察图片和一些栩栩如生的数值模式结果视频，学生的课堂活跃度明显提高，起到了良好的教学效果。

事实上，每一次《海洋要素》课程的教学对于学生与老师来说都是一次挑战。授课教师积极的备课、授课态度对于该课程的教学效果至關重要。在我们的教学实践中发现，教师的积极态度能够使大部分学生克服在该课程学习过程中的困难，最终学有所成。此外，尽可能地采用小班化教学模式，增强课堂讨论;走出课堂，走进相关科研单位参观实践，加深课堂所学;采用更加灵活地考核方式，比如一些开放式习题的设置，以激发学生在该课程学习过程中的创新思维等都是一些切实可行地能充分调动毕业班学生对该课程学习积极性的有效措施。

三、结语

综上所述，要想上好《海洋要素》这门课程，需要授课教师能够正确把握该课程的特点，总结教学经验，改进教学技巧，充分认识该课程的教学困境。通过完善该课程教材，多途径调动毕业班学生学习积极性，方能冲破教学困境，提高该课程的教学质量与授课效果，达到该课程的教学目的。

【参考文献】

[1] 冯士筰，李凤岐，李少菁.海洋科学导论[M].北京：高等教育出版社，1999.6.

[2] 吕华庆.物理海洋学基础[M].北京：海洋出版社，2012.6.

[3] 侍茂崇，高郭平，鲍献文.海洋调查方法[M].青岛：中国海洋大学出版社，2016.8.

【作者简介】

程 晨（1985—）男，汉族，江苏南京人，博士，南京信息工程大学海洋科学学院讲师，主要从事物理海洋学研究.

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