《海洋数值模式及应用》教学改革初探

白鹏　杨婧灵　谢玲玲　陈法锦

【摘 要】《海洋数值模式及应用》作为海洋科学专业本科生教育的核心课程，是教授学生数值模拟技能的基础，是培养海洋科学应用型人才的重要环节。本文基于应用型人才培养的宗旨，阐述《海洋数值模式及应用》课程建设意义和教学现状，设计筛选理论、注重编程和实践演练有机结合的教学思路，探索有效的教学改革方法，实现提高学生实践能力、培养应用型海洋人才的教学目标。

【关键词】应用型海洋人才；海洋数值模式及应用；教学改革；海洋数值模拟

中图分类号： P7-4；G434 文献标识码： A 文章编号： 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

高等教育侧重于培养掌握专业知识和技能，能够无缝衔接并服务于社会需求的人才。当前社会对应用型人才的需求迫切而量大，高等教育若只注重于培养学术理论型人才是无法满足时代要求的[1]。对于海洋科学专业，掌握较高实践和应用知识技能（如海洋数值预报技能、海洋调查技能等）的人才在就业和社会服务中具有显著优势。伴随着全球海洋科学研究的长足发展和超级计算机性能的突破提升，海洋数值模拟及其应用的发展也突飞猛进，国内外众多海洋科学家将科学研究和业务化应用相结合，积极发展海洋数值模拟预报系统[2]。当前国内诸多涉海高校陆续开设了面向本科生和研究生的海洋数值模拟的相关课程[3-8]，旨在夯实学生的海洋数值模拟预报知识储备，提高学生的实践应用技能，改善海洋科学专业海洋数值模拟方向人才短缺的现状。

《海洋数值模式及应用》是当前国内众多涉海高校面向海洋科学专业本科生开设的教授海洋数值模拟相关知识和技能的核心课程。该课程知识点多，内容晦涩，需要学生预先掌握深奥的海洋动力学理论、扎实的数理基础以及熟练的计算机编程技能。目前，该课程设课时间较短，因而教学经验较为缺乏，教学效果亟待进一步提高，这便要求在实践教学中改革探讨教学内容和教学方法，对授课教师和学生提出了挑战。

本文依托海洋科学专业本科生必修课程《海洋数值模式及应用》，以课程教学现状为基础，以培养掌握数值模拟预报技能的应用型海洋科学人才为导向，以实现激发学生学习兴趣、取得良好教学效果为目标，探讨如何改革教学内容和方法，帮助学生直观认识海洋数值模拟并熟练掌握相关知识和技能。

1 教学现状

《海洋数值模式及应用》课程包含理论讲述环节和上机实操环节，主要学习海水运动控制方程、边界条件、强迫条件等数理基础，掌握多种非线性偏微分方程的数值求解方法，并利用Fortran或Matlab等编程语言，结合实测海洋资料实现特定海水运动问题的数值求解，最终可给予相关科学问题的动力机制分析提供数值依据，亦可有力的贡献于海洋水动力环境的后报及预报。该课程知识点覆盖范围广且难度大，学生理解消化困难且周期长，此外，非线性偏微分方程的求解及数值模拟结果的可视化过程又对学生的计算机编程能力和逻辑思维能力提出巨大考验。在《海洋数值模式及应用》教学过程中，我們发现部分学生重视理论知识的学习，却抵触上机实操环节，这有碍于学生深入的理解海洋数值模拟的核心所在，更不利于学生真正的掌握海洋数值模拟技能；也有部分学生忽视理论基础的掌握，盲目的上机操作，却因对物理问题的肤浅理解导致编程错误频出，同样也无法达到好的学习效果。上述两种情形都极大的阻碍了教学计划的顺利开展，达成良好的教学效果更是无稽之谈，这便迫切需要我们通过探讨改革教学思路来改善当前教学现状。

2 教改思路

针对《海洋数值模式及应用》课程的教学现状，以培养学生掌握扎实的数值模拟理论功底和熟练的计算机编程技能为基础，开展“筛选理论、注重编程和实践演练”教学思路设计，探讨课程改革，以期实现课程的有效教学。

2.1 筛选理论

《海洋数值模式及应用》课程的核心理论内容是海水运动控制方程以及数值求解非线性偏微分方程的理解、推导和掌握，可细分为海水运动过程的动力、热力控制方程，初始、边界、强迫条件，以及差分方程的推导、稳定性、收敛性和相容性等，上述内容作为海洋数值模拟实践操作的理论基础，需要学生深刻理解，熟练掌握。在授课过程中，教师应逐步的、详细的向学生展示各数理方程的推导过程，讲解方程中每一项的物理或数学意义。要求学生熟练掌握各数理方程的推导步骤，通过随堂测试、课后作业的方式帮助学生予以加强巩固。特别的，以二维浅水运动方程及其差分方程的推导为典型案例，检验学生理论的掌握情况，教师根据学生的推导效果，进行答疑并查漏补缺。在梳理理论知识点的过程中，应积极保证教学环节的综合性和知识的连贯性，教学方式上“讲授”和“研讨”紧密结合。学生为主体，旁征博引、讨论汇报，激发学生学习兴趣，调动学生自主学习的积极性，加深学习记忆，达到教学相长的境界。

2.2 注重编程

《海洋数值模式及应用》课程落实到应用上就是上机实操环节，用编程语言实现理论和数据的可视化，从而有利于相关科学问题的动力机制分析，贡献于海洋水动力环境的后报及预报。由于当前课程考核形式为卷面考试，偏重于理论知识点，导致学生急功近利，思想上轻视上机实践编程；同时，数值模拟的实现对学生计算机编程能力要求较高，编程基础较差的学生容易对课程产生消极抵触的心态，导致无法实现培养“能动手、能实践、能应用、能创新”的教学目标。为改变这种现状，上机编程课程中可穿插进行随堂小考，计入考试总成绩；此外，编程课程先对模拟对象进行提炼分析，总结现象特征，确定动力参数，提示编程重点与难点，让学生分组讨论和相互借鉴，自主领会数值模拟过程中的技巧和要点。通过这种教学方法，可提高学生对上机实践编程的重视度和编程实施的熟练度，发挥先进同学的带动性，并激发后进同学的积极性，有助于课程的有效教学。

2.3 实践演练

学以致用是《海洋数值模式及应用》课程开设的出发点，我校海洋与气象学院“海上综合调查虚拟仿真教学系统”的建设[9]，为海洋数值模拟提供了广阔的实施平台和优良的教学条件。在虚拟仿真系统中建设海洋数值模拟模块，教师可自主编程开发教学案例模拟一些特定的海洋水动力现象，以便向学生展示海洋数值模拟的实现过程及用途，从而帮助学生直观的认识海洋数值模拟。此外，学生也可通过调整教学案例中某一水动力參数，分析不同数值试验结果的差异，并尝试从动力学角度给出机制解释。虚拟仿真系统为教师和学生提供了互动的平台，能提高课程的趣味性，从而调动学生学习积极性，有利于培养学生创新能力和实践能力、消化吸收理论知识，熟悉整个海洋数值模拟的实施流程，从而有助于良好的教学目标的实现，还可为学生毕业论文和继续深造打下坚实的基础。

3 总结

《海洋数值模式及应用》课程作为海洋科学专业本科生专业课程之一，是培养学生应用能力和创新能力的重要一环。如何调动学生学习兴趣，培养学生良好的创新应用能力，需要对教学内容、方法及思路进行不断的探索和完善。本文对该课程教学改革的探讨，需要教师不断的提升学术水平，积累教学经验，丰富教学资源，完善教学环节，引导学生熟练掌握课程理论知识的同时激发学生应用所学知识进行实践应用，实现理论与应用的有机结合，达到优良的教学效果，培养应用型海洋人才。

【参考文献】

[1]李晓光.基于应用型人才培养的教学质量监控与保障体系实践探究[J].高教论坛，2018，9：36-37.

[2]王辉，刘娜，逢仁波，等.全球海洋预报与科学大数据[J].科学通报，2015，60（5～6）：479-484.

[3]程军.《海洋数值模拟》课程实习的设置研究[J].新西部，2011，33：150+146.

[4]吕海滨，周立，张存勇.海洋数值模拟方向本科CDIO+CBE创新人才的培养[J].教育教学论坛，2014，6（24）：84-85.

[5]吕海滨.《海洋数值模拟》课程建设的探索 [J].地理空间信息，2012，10（6）：170-171.

[6]史剑.翻转课堂教学模式在大学课堂中的应用——以“海洋数值计算”课程为例[J].教育教学论坛，2015，19：164-165.

[7]张文静，史剑，王辉赞，等.研讨式教学模式在研究生《物理海洋数值计算》课程中的改革与实践[J].教育现代化，2017，4（46）：49-53.

[8]张学庆， 刘哲.以社会需求为导向进行近海环境数值模拟课程教学改革探索[J].教育教学研究，2010，5：195.

[9]杨婧灵，白鹏，张书文，等.海上综合调查虚拟仿真教学系统建设及教学改革初探[J].科技视界，2018，18：56-58.