数值仿真技术在物理海洋课程教学中的应用

牟林　赵恩金　蒋浩宇　郑好

摘要：物理海洋学课程是海洋技术相关专业本科生的基础课程，笔者针对该课程的研究内容和课程特点并结合教学实践提出了理论与实践并重的教学方法。本文提出一种既注重学生基础理论的学习又注重借助计算机数值模拟解决实际问题能力的方法。在此基础上笔者提出了有关物理海洋学课程教学方面应该注意的事项，并结合笔者在本门课程教学实践上的经验，着重分析如何针对重要知识点采取切实可行的教学方法、提高学生的学习兴趣和改进教学质量。

关键词：物理海洋学；数值仿真；教学方法；课程建设；教学质量

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）50-0118-03

一、研究背景

随着国家把海洋的研究和开发上升到国家战略高度，我国海洋发展迅速，海洋人才的需求也不断增加。国内一些和海洋研究领域联系比较紧密的高等院校，为海洋人才的培养做出了巨大的贡献，但是根据社会的普遍需求来看，海洋专业人才的培养水平还可以再提高。如果只是通过理论的方式进行海洋学课程教学，很大程度上限制了学生的眼界，同时，学生对海洋的了解程度也会受到一定的限制。众所周知，地球上的海洋浩瀚辽阔，是一座丰富的资源宝藏，可以为沿海和内陆居民提供众多的资源。与此同时，海洋也蕴藏巨大的能量。一方面，人类可以借助海洋的巨大能量来进行对人类有利的生产和生活活动，比如说潮汐发电和冲浪等，另一方面，海洋每年都给人类带来了一系列的自然灾害，给人类带来了数量巨大的财产和生命损失。中国的海岸线长达1.8万千米，众多的经济发达城市分布在沿海地区，是世界上遭受海洋自然灾害影响最为严重的国家之一。由于人类对于海洋的认知和研究水平有限，上述的海洋物理现象很难直接运用理论知识解释清楚，尤其是赤潮以及有害藻华的形成机制，并且全部通过现场的方式进行观测也难以实现的。综上所述，人类不管是充分探索利用海洋资源和海洋能量，还是想规避和预测海洋自然灾害对于沿海地区的影响，对于海洋运动方式等方面的认知还有待提高。而只是通过理论知识来了解这些内容是远远不够的，同时直接进行现场实习也是不现实的。针对物理海洋学的课程特点，在本文中提出了把数值仿真技术应用到物理海洋课程教学中。

二、学科教学特点

物理海洋学课程群主要是以海洋环境中的各种水动力过程作为研究对象的，介绍和描述物理海洋现象，强调基础知识的实际应用，揭示海洋环境中各种水文物理要素的变化规律。在本课程中，研究海洋环境中的物理要素，了解其长期的变化规律非常重要，比如在课程中出现的一些基本的物理海洋要素如潮汐、潮流、海流、温度、盐度以及海浪等。与此同时，海洋的水动力过程并不是一个孤立的过程，往往与大气现象息息相关，所以了解海洋大气的平均状态、海洋上的天气系统和海洋—大气相互作用也相当重要。值得一提的是，物理海洋学课程群的教学不能简单的停留在理论层面，还需要借助一些Fortran、Gambit、Tecplot和Matlab等数值计算、插值、画网格和可视化工具来进行数值仿真技术在物理海洋学课程群教学上的实现。因此，物理海洋学课程群的教学需要理论结合实践，不仅注重于关注海洋环境中的各种水动力过程的基础理论知识，还需要借助一定的数值仿真实际技术来模拟预测海洋水动力过程以解决工程实际问题。

三、数值仿真介绍

近年来，随着科学创新技术水平进步，人们对物理海洋环境的性质和运动规律的研究，也在不断深入。做好物理海洋学课程群的规划工作，首先需要界定物理海洋学体系的核心内容，确定物理海洋学课程群所涵盖的知识。对物理海洋学知识体系进行初步划分，以及确定与物理海洋学相互联系的课程。依据物理海洋学课程群的建设目标及物理海洋学知识体系的主要内容，确定基本的学习方案及数值模拟方法。在海洋中存在着大量的边界形状复杂的流体流动，对这种流体流动进行实时测量困难很大，应用数学模型开展数值模拟能给出相关流场区域内的具体信息，相比起只能给出总流参数的物理模型试验而言，数值模拟具有较多的优势。

数学模型理论经过多年的探索与发展，不断成熟，逐步成为研究海洋运动规律的重要手段。数模技术在物理海洋学科得到了广泛的应用。现在的物理海洋数值模型一般具备以下几个特点。

1.具有强大的水文数据分析处理功能，可以对多年的潮位资料，温、盐资料，波浪资料，气象资料，进行科学的处理和分析，有利于促进基层涉海单位对现有监测数据的利用。

2.可利用卫星反演的外海潮位数据，一般需要采用多重海流模型嵌套方式，获取特征季节评价小区的海流状况，计算区域水位边界条件由大区计算结果插值后给出。

3.计算结果通过后处理可以得到直观的图件，从而方便进行海洋工程前后流场变化的对比分析。数值模拟技术与可视化技术结合，可得到直观生动的实时动画，有助于對模拟可靠度的评价与工程问题分析。

物理海洋学课程群教学中实现数值仿真技术主要应用FVCOM模型和ECOM模式。

在数值计算上，FVCOM模型利用对水平三角形控制体进行通量有限体积积分的方式对控制方程进行离散求解。FVCOM模型对数值处理方法和岸线地形拟合上的优势使其在河口海岸地带得到了广泛应用。FVCOM包含了多种物理、水质、生态计算模块，FVCOM模型输入输出基于标准化NETCDF格式，具有平台通用兼容性，并能使用VISIT可视化软件是输入输出结构进行快速二维/三维可视化。该模型基于Fortran 90/95标准，且在MPI（Message Passing Interface）的框架下实现计算并行化，可以在共享内存及分布式内存多计算节点的高性能计算机上实现并行快速模拟。

ECOM模式是上世纪80年代中期，在POM（Princeton Ocean Model）的基础上逐渐发展起来的，适于河流、海湾、河口、海岸区、水库和湖泊等浅水环境的版本。同时，对其源代码的修改使得个人电脑、工作站和巨型机都可以支持它的运行。通过一系列简单独立特定的检测试验以及在现实中的应用，模式模拟效果得到了验证。基于不同ECOMSED的子程序应用所发表的文章已超过350篇。多年以来，ECOMSED系统已经被证明是值得信赖的。

四、仿真技术在教学中应用

1.教学内容整合与优化。物理海洋学课程群教学内容整合与优化主要删减了一些过于繁杂和重复太多的内容，通过整合与优化来突出教学重点，在一定程度上为学生“减负”，让学生学有所得。海洋科学导论教学方面删减了一些海洋生物等与物理海洋学课程群教学关联度较低的内容，着重传授海洋中的波动现象和潮汐等方面的知识并结合一些实际存在的海洋现象，以学促导，引导学生对于后面课程的学习兴趣。于此同时，在海洋科学导论的课程教学中尝试摒弃传统的“填鸭式”教学方法，致力于应用课程中的现有知识，解释一些常见的海洋现象，并且在教学的过程中及时与学生互动提出一些发散性的问题，增强课堂的趣味性寓教于乐，促进学生从被动灌输学习到主动探索学习的转化。在海洋调查方法与技术的课程教学中则注意到课程教学的实用性，通过分享自身在科考船的经验和一些遇到的问题着重强调在船上的实际操作和容易遇到的问题来增添学生对于海洋探索的兴趣和保障以后学生船上操作的安全性。

2.教学方法与教学手段改革。物理海洋学课程群的一大特点在于不同课程的前后知识的关联性很强，某一门课程的掌握程度较差将直接影响到其他课程的学习进度。在传统课堂教学方式里，课程之间的教学往往单独进行。主要研究和讲授海洋数值计算的老师可能对于海洋调查方法与技术的了解稍有欠缺，而后者则是解决一些研究和工程实际问题所必备的知识，在实际的海洋调查中如果缺乏对于流体力学基本理论的掌握则会‘学而不思则罔对于仪器的操作背后的流体力学原理不甚理解只是泛泛的使用。课程之间的一些割裂关系往往需要有一定综合知识的老师来联系起来，多媒体教学模式则可以一定程度上较好弥补以上传统物理海洋学课程群教学的缺点。多媒体物理海洋学课程群教学的特点是内容丰富、知识连续、一目了然和生动形象，最重要的一点在于可操作性强，学生如果对于多媒体教学的内容课上没有完全消化，可以课下拷贝观看加深知识的掌握度，多媒体教学内容如果准备得足够好，其所传授的知识内容是可以连续的。另外，多媒体教学可以和传统的板书教学方式结合起来，多媒体教学提供具体的教学内容细节，传统板书提供授课重点和一些公式的推导过程，两者结合起来相得益彰，便于学生理清授课脉络、思路和重点。基于以上的宗旨，并结合学生的实际就业需求和物理海洋学课程群的课程特点，经过讨论开发了海洋科学导论、工程流体力学、海洋调查方法与技术和海洋数值计算等课程的多媒体课件，课件之间的知识相互渗透、相互联系，用于课堂辅助教学。

五、数值仿真技术在教学中的意义和作用

虚拟实验对提高教学质量的作用有四个方面：首先，虚拟实验能够使学生快速准确的理解复杂的海洋环境，并应用在已经学到的海洋知识解释海洋环境的变化，提高对海洋环境的认识。其次，可以为学生提供科研平台，即在培养过程中，指导和组织研究生开展海洋环境模拟相关技术研究及开发工作。由于虚拟实验是通过不同的模拟程序实现的，因此在虚拟实验平台的开发过程中，让学生参与到不同程序的开发过程中，既能让学生学到的理论知识得以巩固应用，又能提高学生对本专业学习的兴趣，增强学生对于实际模型运作原理的了解。

在虚拟实验模式研究与实践过程中，构建一套具有海洋学特色的海洋专业多层次实践教学体系，探索利用海洋工程虚拟模拟实验改善研究生的实践及创新机制。通过联合培养模式，增强学生的社会适应性，学位论文选题兼顾企业需求、理论深度、创新程度和可行性，提高科学研究和科技成果转化水平，培养学生的科研与实践能力，促进学生综合素质的发展。

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