《地球物理流体力学》课程的授课设想

程军

【摘 要】 针对《地球物理流体力学》课程教学中存在的问题与教学改革实践，提高该课程教学实效性的措施主要是：完善教材体系；增加课堂讨论和实践课程；改进考核方式等。

【关键词】 地球物理流体力学；教学实践；教学方法；改革设想

《地球物理流体力学》是大气、海洋科学专业研究生的主干学位课程，通过对过去1个世纪中相关理论的构建、推演及解读，旨在使相关专业研究生掌握旋转地球上大尺度大气、海洋运动的基本性质及主导控制规律，为理解及进一步研究大气、海洋中的大尺度物理过程及现象奠定理论基础。

对比研究大气、海洋大尺度运动共有特性及规律的专著在20世纪中期开始出现，如Roll在1965年出版的《海洋、大气物理学》。1979年著名海洋学家Joseph Pedlosky出版了《地球物理流体力学》一书，正式建立这一新兴交叉学科。《地球物理流体力学》作为一个专门学科，主要关注大尺度大气和海洋动力学过程的共性部分，是数学、物理学、大气科学及海洋科学的交叉，内容系统、完整。该学科由大尺度大气、海洋运动的基本过程和现象出发，建立抽象的物理模型，基于基本物理定律建立控制方程组，借助数学推导得到表征大尺度大气、海洋运动基本规律的理论公式，进一步由理论公式对大尺度大气、海洋运动的基本特征及规律进行推演，以达到深入认识大尺度大气、海洋运动基本特征及主导机制的目的。《地球物理流体力学》所关注的问题依然处于蓬勃发展的过程中，新的理论渐次被推出和验证。

一、教学效果问题及解决措施

1980年我国著名气象学家朱抱真先生的研究生王斌及翁衡毅将Joseph Pedlosky的《地球物理流体力学》翻译成中文并出版。该书中文版的出版启发了我国相关专业研究生教学中《地球物理流体力学》课程的开设，并一直作为该课程的主要参考书，近40年来为我国相关专业研究生的专业学习打下了基本的动力学基础，促进了相关学科研究的发展及与世界的同步。

近期，我们引入了美国威斯康辛大学刘征宇教授所编排的《地球物理流体力学》教材并应用于教学。该版本的《地球物理流体力学》更注重动力学分析的层次、数学推导的简洁以及理论在大气和海洋运动现象解释中的应用。应用该教材的教学效果良好，学生能够掌握《地球物理流体力学》所涉的主要理论、主要研究方法及思路。

除教材选择的影响之外，该课程的教学要求学生具有良好的大气、海洋大尺度过程的物理认识及基本的高等数学基础，能够掌握普通流体力学的基本概念及分析方法和思路。由于受到应试教育的长期影响，学生独立思考及逻辑推演的能力及主动性严重缺失，造成该课程的讲授过程相当艰难，对大多数学生的学习效果影响严重。

为改善该课程的教学效果，使学生能够系统、深入掌握该课程的基本理论，特别是掌握该课程的研究思路和分析方法，并通过课程内容的学习锻炼其分析和解决专业问题的能力，我们采取了如下更为灵活的教学方法，以最大限度地调动学生的学习积极性。

1、理论的物理图像化

该课程教材的大幅内容及授课的大部分时间基本围绕方程组的建立及数学求解等问题进行，所建立的各种理论都是以数序公式的形式呈现。学习过程中，学生容易迷失在公式的推导过程中。实际上，该课程更为注重的应是方程组建立的物理模型背景、方程组建立过程中主控要素的抓取方法和依据、数学推导过程中物理特征的对应以及基本动力参数、基本物理规律及目标理论的物理解读和现象解释。所以，该课程的讲解及推演应以大尺度大气、海洋运动的物理过程为核心，并能通过理论解对所关注现象的特征及规律有更为深入的物理认识和理解。总之，学生只有通过构建物理图像才能理解和接受各种动力学理论，进而在今后的工作中进行应用。

2、设问式教学

一个理论的建立需要通过物理建模、方程组的建立简化、数学求解等过程，中间耗费大量时间。这些中间过程对于学生认识目标理论非常重要，但教学过程中常常使得学生迷失在其中。因此，教学过程中应首先通过物理问题的提出，使清楚明确这些中间过程的目的，也有助于学生在听讲过程中进行思考和学习。对于目标理论的物理解读也需通过不通物理情景下的设问，使学生深入认识和理解目标理论的物理含义。只有这样，学生学习的理论才能在其今后的工作中进行运用。

3、增加学生的主动参与度

如《地球物理流体力学》这样的理论课程，仅仅靠听讲是无法真正掌握其内容，特别是思路和方法部分。因此，理论公式的图像化应要求学生自己动手实现。在小班教学中，应尝试学生“预习——讲解”和教师“点评——引伸”的结合，最大限度调动学生学习的积极性和主动性。

对于理论课程的教学，作业是必不可少的部分。授课只能专注于最简单和最基本理论和过程的讲解，而实際问题则更为复杂。只有通过作业的完成，学生才能深入理解课堂内容，并作进一步的深入应用。因此，作业的设置不应仅仅是课堂内容的简单重复，而应是课堂内容的进一步引伸。

4、理论与当前研究热点的结合

《地球物理流体力学》关注的是大尺度大气、海洋最基本的特征和规律，而我们对大尺度大气、海洋运动特征的认识和理解还需通过观测和模拟进行进一步的完善，这也是当前的研究热点之一。因此，课程授课过程中应将当前相关的研究热点和最新的认识加入其中，学生往往对当前研究热点有极大的兴趣。比如，我们的授课过程中就加入了近年来新引入的“热Rossby波”概念的介绍，起到了良好的效果。

5、以教学态度影响学习态度

理论课程教师的教学和学生的学习都有难度，再加上学生学习习惯及基础的影响，使得理论课程的教学效果往往不尽人意。良好的备课及授课态度对于该课程的教学效果能够起到决定性的作用。教学态度是教师惟一一个能够有效调高教学效果的途径。在我们的教学实践中发现，大部分学生能够在教师的积极态度影响下克服困难，努力学习该课程。

二、进一步改善教学效果的设想

除以上已在教学实践中实施的措施外，一些措施可以进一步改善该课程的教学效果，为学生今后的学习和工作提供更为坚实的基础。

1、完善教材

国内现有参考教材还主要是37年前的Joseph Pedlosky专著中译本。条件允许下，应在国外成熟教材或讲义的基础上编写适合我国学生基础的教材。我们正在完善中的刘征宇教授讲义的中译本是一个不错的选择，刘征宇老师的版本突破了Pedlosky专著的框架，使得内容的讲授更为简洁、明快，物理解读也更为深入。

2、增加课堂讨论

应尽可能采取小班化的教学模式，使得课堂讨论得以真正实现。课堂讨论对于提高学生学习的主动性和参与性意义重大。在本科教学改革的背景下，研究生教学的模式也应因时而变。

3、增加实验课

现有物理实验室（转盘）及计算机条件都允许对课程相关内容的物理和数值模拟。通过动手做物理实验和模拟试验，可以使学生直观地接受《地球物理流体力学》所涉现象和规律。这一点的实施需要为该课程增加课时及教学支持。

4、改进考核方式

《地球物理流体力学》课程主要是动力学分析思路和动力学观点的教授，而目标理论的记忆并不重要。因此，该课程学习效果的考察应可采取更多灵活的方式进行，如开放式的问题探究。

在当前我国大气和海洋科学研究紧追世界前沿并有所突破的背景下，培养出一批具有扎实动力学理论功底的研究生是实现我国科学研究突破和贡献世界的基础。该课程教师及学校有责任尽最大努力提高该课程的教学效果。

【作者简介】

程 军，男，南京信息工程大学副教授，主要从事气候动力学方面的研究与教学工作.endprint