《风沙物理学》课程教学探索

马 瑞，赵锦梅

（甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州 730070）

风沙物理学是介于沙漠科学和物理学之间的边缘学科，是沙漠学中以基础研究和应用为主的重要分支学科.该学科是以流体力学的基本原理为出发点，从力学和物理学过程研究风与各种沙质地表的相互作用机制及其风沙运动规律.国际上，一般将拜格诺在1941年出版的风沙物理学专著《风沙与荒漠沙丘物理学》作为风沙物理学诞生的标志，至今只有七十多年的历史，所以，风沙物理学是一门比较年轻的学科.1977年联合国沙漠化大会之后，沙漠化作为科学问题引起了全球范围内科学界的重视.沙漠化是以风沙活动为主要特征，以各种风沙地貌为主要景观标志，因而首先表现为风沙问题.风沙物理学作为沙漠科学的重要分支学科，在全球沙漠化研究的背景下获得了重要的发展机遇，并取得了丰硕的成果[1].因此，我们也可以说风沙物理学又是一门发展较快的学科.然而，年轻和发展快也说明着风沙物理学有不断被完善和提升的空间，尤其是自1998年中科院知识创新工程启动以来，伴随着实验手段和仪器设备的改进，风沙物理学的新观点和新理论不断推陈出新[2].一些重要的研究成果，包括对拜格诺提出的沙质床面空气动力学粗糙度1/30定律的修订、对欧文效应的从新定义、对风沙电现象的研究、对风沙边界层风沙互馈机制的研究等，被国际风沙物理学界认为是近年来风沙物理学取得的重要进展.而这些研究成果的出现对我们的教材也提出了新的挑战，如何选择授课内容，如何将这些新观点新理论融入我们的教学中来，这是一个需要认真思考和推敲的问题.

1 风沙物理学的课程性质与教学要求

风沙物理学以风沙活动为研究对象，风沙运动是气固两相流的一个重要研究分支，并作为风沙物理学研究的核心内容备受重视.风沙工程中采取的各种措施，包括封闭、固定、阻拦、输导、改向和消散等措施类型都是基于风沙运动的特征和防治目标设定的[3]，因此，学习风沙物理学对《荒漠化防治工程》等相关课程的教学至关重要.风沙物理学作为高等院校水土保持与荒漠化防治专业的重要专业基础课，通常开设于第5学期，总学时36学时，其中，课堂讲授学时为24学时，实验课为12学时，另于学期末开设综合实习.本课程主要涉及近地表风的基本特性；沙物质颗粒的起跳机制、运动规律以及风沙流的形成与结构、土壤的风蚀现象和各种风蚀风积地貌的特点、风沙运动的实验理论及研究方法等.开设该课程的主要目的是为本科生其它专业课程的学习和今后从事荒漠化防治工作、荒漠化防治科学研究及沙产业方面的工作建立牢固的理论基础及操作技能.通过对本课程的学习，要求学生达到下列基本要求：（1）掌握风沙物理学的基本概念、基本理论及应用方法；（2）能够理论联系实际，独立分析说明自然界中风沙运动的一般规律；（3）掌握风沙运动的基本原理和方法，了解风沙物理学的发展现状及发展趋势.

2 风沙物理学教学设计

目前，风沙物理学被各农林类高等院校定为水土保持与荒漠化防治专业的专业基础课，对于这样一门新兴学科，要树立怎样的学术思想？采取什么样的授课方式？授课过程中要注意哪些问题？这些问题不仅关系到学生对知识的理解和接纳程度，从长远考虑也关系到这一学科的发展.为此，我们从课堂教学、实验教学和实践教学等3个方面对风沙物理学的教学工作进行了设计和完善.

2.1 课堂教学

2.1.1 借助辅助资料，降低课程内容难度

教材是体现教学内容和教学方法的知识载体，是进行教学的基本工具，也是深化教育教学改革，全面推进素质教育，培育创新人才的重要保证.风沙物理学教材共有两版，第一版发行于1992年，共印刷了1次[4]，第二版发行于2010年9月，被定为普通高等教育“十一五”国家级规划教材和高等学校水土保持与荒漠化防治专业教材[5].与第一版相比，第二版将流体力学基础理论作为单独的一章内容列出，在此基础上，对风及其基本性质、沙及其基本性质、风沙运动、风沙地貌的形成及演变、土壤风蚀、沙尘暴及风沙物理学研究方法等知识做了详细的介绍.这一内容上的重组和改进使得风沙物理学的课堂教学得以系统化，但因部分内容难度大，比如沙粒起动机制、输沙量的计算、沙粒运动轨迹方程、沙丘形成过程中的二次流理论等，单靠本科大学物理中所学的流体力学知识及教材第一章流体力学基础理论部分的知识还不足以使学生理解.为此，就需要收集相关辅助资料，借助相邻学科和生活中的流体力学知识进行解释.比如，可以利用球类运动中的弧线球理论和扎杆球理论解释沙粒起动起跳过程中的马格努斯效应；利用绕流机翼理论解释沙粒起动机制中的压差升力学说；利用顺时针或逆时针搅动茶水时茶叶的聚集现象解释二次流理论等.通过运用这些生活中常见现象背后所折射出的流体力学知识来推演风沙物理学现象的机理，可以使教学内容的难度降低，学生的兴趣、分析问题的积极性，对机理的理解能力也都有了很大的提高.

2.1.2 重视教学策略，提升课堂教学质量

教学策略关系到教学效果的好坏.针对风沙物理学教学内容难度大、范围广的特点，我们在课堂教学中采取以下策略：首先，要对授课内容进行筛选，对课本内容不求面面俱到，而是在学生的认知能力和接受范围内讲精、讲细，既重视基础理论，又要把握学科前沿，对实践性强的内容，应结合实例，做深入浅出的讲解，做到理论与实践的统一；其次，合理安排各章节内容，既强调课程的系统性，又要有重点、难点的突破，在学时分配上，要突出重点、难点，不能平均分配；第三，要注重动态影像资料的使用，利用多媒体教学，对风沙起动、风沙流结构，涡流的形成等结合风洞模拟实验的影响资料进行讲解，实现讲播同步式教学；第四，要注重对学生兴趣的激发，可结合生活中的流体力学现象对难度较大的讲授内容做出推演，实现启发式、导向式、探究式和互动式教学，同时鼓励学生参与分析，于无形中激发学生的兴趣，活跃学生的思维，使学生产生求知的欲望.

2.1.3 培养学术思想、促进学科发展

基础物理学的教材内容是确定因素下产生的确定结论.而对于风沙物理学而言，由于涉及因子的多元化和研究者的主观判断，使得一些结论具有片面性，随着时间的推移有可能被新的研究成果取代，或甚至被证明是不正确的，且目前众多研究成果的涌现已对前学者的部分研究结论提出了质疑.正如风沙物理学工作者杨保等人[6]所认为的：“由于研究者认识水平和客观条件，尤其是实验条件和模拟手段落后的限制，使得有关风沙运动的成果基本上是半经验性质的，使用时还有很大的局限性.尤其是对宏观和微观的联系的研究起步较晚，使得风沙物理学的理论还没有形成一个完善的体系，风沙研究工作者只能提供给工程界一些经验或半经验公式，严格的说，这些经验半经验公式只能在满足他们的条件下使用，外推到其他条件下使用可能造成相当大的误差”.因此，从学科发展的角度，我们就要鼓励学生多思考，在正确学术思想的引导下，去突破和发展.作为老师，要教好这样一门课，首先要有严谨求实的科学态度，充分了解学科发展历程和现状，树立正确的学术思想，以发展的眼光看待问题，瞻前顾后，在尊重已经形成共识的研究成果的基础上重视知识的扩展.比如在各种数值模型的讲解中，应认识到多数表达式都是按一般的规律，理想的形式和典型的模式用数学方程式表示出来的，故不具有普适性，这就要求我们在教学时根据存在的问题激发学生对各种影响因素的认知和分析能力，避免生硬接受他人思想，因此在培养学生科学态度的同时也促进了学科的发展.

2.2 实验教学

实验教学是风沙物理学课程必不可少的组成部分，对于巩固学生所学的理论知识，培养学生动手能力和创新精神具有重要的作用.传统实验教学模式是学生根据指导老师的安排在实验室内按部就班的对理论知识进行验证的过程，在这种实验教学模式下，学生的主观能动性得不到发挥，思维僵化，且随着本科生的扩招，原有的按小班设计的实验室和配备的实验设备已不能满足需要，部分验证性实验也转化成了演示性实验，造成实验效果不理想.针对风沙物理学的实践性和应用性特点，我们对传统实验教学模式进行了改革，加强了设计性实验.该门课程的设计性实验主要有两个：一是沙物质休止角的测定：沙丘沙的休止角是风与沙相互作用塑造的一种动力平衡状态，是控制沙丘形态的重要因素之一，对分析沙丘的稳定性和流动性具有实际意义.休止角的设计性实验要求学生首先自行设计测定对象的属性，包括对不同粒径范围的划分、不同含水量的设定、不同磨圆度的界定等.在此基础上，对实验顺序进行设计，通过实验顺序的合理设计，可以节省不同属性沙物质的处理时间，实现沙土样的有效利用；二是动力风速风向图的绘制：风是风沙和风成地貌形成的动力因素，并不是所有的风对沙丘的形成、演化及移动起作用，因此，在风沙地貌动力学研究中，只限于统计能使沙子运动的起沙风的风速、风向，绘制动力风向风速图.动力风向风速图有多种类型，常用的有动力风玫瑰图和动力矢量图，这两种图所反映的沙丘运动的方向、速度和方式的详细特征有所不同，因此，这节内容我们就需要发挥学生的主观能动性和判断力，根据风信资料采集区的特征以及图件的用途进行类型的选取，再进行风信资料的整理与转化.

2.3 实践教学

风沙物理学属于应用性和实践性较强的课程，该课程除休止角测定、风信资料整理与转换等少数实验外，其它实验内容都要借助沙风洞完成，而全国建有用于风沙物理学现象研究的沙风洞的单位仅有中科院寒旱所、北京林业大学、北京师范大学、兰州大学等几家科研单位和高等院校.为此，风沙物理学大多实验只能借助影像资料进行演示性讲解，或在每年五月份第二个周末的中科院寒旱所开放日组织学生进行风洞参观并观看部分演示性实验，其组织难度大且效果不理想.为了改变这一现状，我们借助马路滩林场实践教学基地和民勤治沙站实践教学基地，开设了“风沙物理学野外综合实习”，将大部分风沙物理学室内实验转化为室外综合性实践教学.

马路滩林场实践教学基地和民勤治沙站实践教学基地是近年来为配合实践教学的需要，学院重点建设的两个实践基地.从抵御流沙入侵的需要和样板地建设的需要出发，两个基地均在绿洲荒漠过渡带的流动沙丘分布区铺设了多种形式和规格的麦草沙障、粘土沙障、塑料网沙障、砾石沙障等低立式沙障，还利用尼龙网、作物秸秆等设立了各种高立式沙障.作为机械沙障的辅助措施，梭梭林、移动森林等植物固沙措施被广泛应用，形成了形式多样、种类繁多的风沙灾害防治体系.此外，作为我国西北荒漠化防治的主要科研基地，民勤治沙站建立了各种输沙量监测系统、风速测定系统、沙尘暴监测系统、沙丘移动监测系统、地下水位监测系统和植被生长监测系统，无论在规模上、还是在科研力量上均占据了学科优势，满足了风沙物理学实践教学的需要.通过风沙物理学综合性实践教学，我们要求学生能够对沙质地表土壤粒度组成进行测定分析、认识和描述沙区各种风蚀和风积地貌的形态及特征、测定风速廓线和输沙量、分析风沙流结构、推算地表粗糙度、实测沙丘休止角、观测沙波纹的形成和消散过程等.通过实践教学，学生一方面可掌握蚀积地貌的形态特征、成因及发展趋势，通过切身感受风沙流，增强了对风沙物理学现象的感性认识；另一方面，可在实际操作中掌握风沙物理学野外研究的基本方法和专业常规仪器设备的使用方法，而这些知识的获取以及学生获取知识的积极性是传统实验授课方式所无法比拟的.

3 结语

风沙物理学具有发展历程短、速度快，研究范围不断扩大和研究新成果多的特点.本文基于风沙物理学的学科现状和发展特点，根据课程性质和教学要求提出了一种课堂教学、实验教学、实践教学相结合的教学设计方案，以此达到降低教学难度，提高教学效果的目的.同时，通过对学生实践技能和学术思想的培养，服务专业，促进学科发展.

〔1〕董志宝.中国风沙物理研究五十年（I）[J].中国沙漠，2005，25（3）：293-305.

〔2〕董志宝，郑晓静.中国风沙物理研究 50a（II）[J].中国沙漠，2005，25（6）：795-815.

〔3〕吴正.中国沙漠与治理研究50年[J].干旱区研究，2009，26(1)：1-7.

〔4〕朱朝云，丁国栋，杨明远.风沙物理学[D].中国林业出版社，1992.

〔5〕丁国栋.风沙物理学[D].中国林业出版社，2010.

〔6〕杨保，邹学勇，董光荣.风沙流中颗粒跃移研究中某些进展与问题 [J].中国沙漠，1999，19（2）：173-178.