研究生精品课程“海洋数值模拟”建设与探索

纪棋严 刘宇 林夏艳 蔡丽娜

[摘 要] 海洋数值模拟是物理海洋学研究的重要手段，在海洋科学的学科发展和国家海洋环境安全保障中起着重要的作用。以培养具有海洋数值模拟能力、物理海洋学专业海洋动力学方向的研究生为目标，对“海洋数值模拟”课程的教学内容和教学方式进行建设和探索。课程设计综合考虑了学科方向、培养目标和要求、课程的性质和特点，以及学生不同的专业背景，通过由易到难、由浅入深的方式，将课程内容和上机实践相结合，提升学生的理论水平和实践操作能力，从而提高课程的教学效果。

[关键词] 海洋数值模拟;研究生教育;精品课程建设

[基金项目] 2019年度浙江海洋大学研究生教育质量系列工程第一批项目“海洋数值模型”（111010641192）;2021年度浙江省第一批省级课程思政教学项目“海洋遥感分组思政課题模式教学研究”（11104080821）

[作者简介] 纪棋严（1986—），男，福建三明人，物理海洋学博士，浙江海洋大学海洋科学与技术学院讲师，主要从事海洋数值模拟等教学与研究;刘 宇（1981—），男（回族），吉林梅河口人，物理海洋学博士，浙江海洋大学海洋科学与技术学院副教授（通信作者），主要从事海洋数值模拟、海洋要素分析等教学与研究;林夏艳（1987—），女，浙江衢州人，港口海岸及近海工程博士，浙江海洋大学海洋科学与技术学院讲师，主要从事物理海洋学、海洋中尺度涡等教学与研究。

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）19-0009-04 [收稿日期] 2021-09-23

引言

海洋数值模拟不仅是海洋科学，也是物理海洋学研究的重要手段，在国家海洋环境安全保障中起着重要的作用。随着国家海洋战略利益的拓展，国家对海洋环境安全保障的需求日益凸显[1]。科技部在“十三五”期间资助了一系列“海洋环境安全保障”重点研发项目，其中一个重要的目标就是提高我国对风暴潮、海浪、赤潮等海洋灾害的预报预警能力。研发拥有自主知识产权的海洋数值模型、发展先进的海洋数值模拟预报技术显得格外重要。因此，无论从科学研究及学科发展角度，还是从国家和社会发展需要角度来看，都急需海洋数值模拟方面的高端人才。目前，海洋数值模拟方向的高端人才培养主要集中在硕士研究生和博士研究生阶段，一般是科研院所或者高校的科研团队根据科研需要，对硕士和博士研究生进行专门的与海洋数值模拟相关的教学和实践训练。

国内一些涉海高校，比如中国海洋大学环境科学与工程学院以社会需求为导向，对“近海环境数值模拟”课程进行了教学改革探讨[2]。南京信息工程大学则对“海洋数值模拟”课程的实习方面展开教学改革，以提高学生对该课程的熟悉程度和数值模拟动手能力[3]。淮海工学院（现更名为江苏海洋大学）也开设了“海洋数值模拟”课程并将课程设置为理论和实验两部分，对课程内容的安排和设置进行了探索[4]。解放军理工大学（国防科技大学）则采用翻转课堂方式围绕“筛选知识点，考核全过程，讨论多样式”的主线对“海洋数值计算”课程开展教学设计[5]、广州海洋大学开设的“海洋数值模式及应用”课程也包括了理论讲述环节和上机实操环节，以实现提高学生实践能力、培养应用型海洋人才的教学目标[6]。中国地质大学为海洋工程专业研究生开设了“海洋环境数值模拟”课程，通过对海洋环境数值模式的安装、测试、运行、修改等强化研究生的专业实践技能，提高研究生用数值模拟手段解决相关问题的能力[7]等，已经在本科和硕士研究生培养计划中开设了“海洋数值模拟”相关课程，还在不断探索和建设阶段。如何开展普适性的“海洋数值模拟”教学，如何提高学生数值模拟实践能力，仍待进一步探索和研究。

“海洋数值模拟”是浙江海洋大学物理海洋学专业本科生的专业选修课、研究生的专业必修课。与本科教学的要求相比，研究生课程不仅要求学生学习数值模拟的相关理论，更加注重培养学生的实践操作能力。该课程的学习要求学生掌握如何利用个人电脑和大型计算机，实现海洋数值模型的安装和运行，引导学生能够应用数值模拟方法去解决在实际海洋科学研究中遇到的问题。本文依托浙江海洋大学研究生精品课程“海洋数值模拟”，以培养海洋数值模拟方向的硕士研究生为目标，以提高学生海洋数值模拟能力为导向，探讨如何改革“海洋数值模拟”课程的教学内容和授课方式。帮助学生掌握课程的理论知识，培养学生的实践能力，做到理论与实践相结合，以期学生能够更好地利用海洋数值模拟知识完成各项科研任务。

一、课程教学设计

“海洋数值模拟”课程主要面向物理海洋学专业（海洋动力方向）的研究生开设。依据学科方向、培养目标和要求、课程的性质和特点、结合学生不同的专业背景，设计了该课程的教学思路，并选定合适的教学内容、学时分配和教学方式。

（一）学科方向

物理海洋学专业（海洋动力学方向）主要研究全球及近海的动力学过程与机制，以及海洋要素变化对生态环境、海水养殖和渔业资源的影响。本学科研究方向涉及海水的温度、盐度和密度等海洋水文状态参数的分布和变化，还有潮波、海流和波浪等动力过程，以及它们之间相互作用的机制。以海洋调查和海洋数值模拟为基础研究手段，综合运用各种统计方法和数值模拟技术研究全球及近海海洋动力过程的规律和机制，开展海洋预报为海洋防灾减灾提供技术支撑。

（二）培养目标和要求

物理海洋学专业（海洋动力学方向）旨在培养掌握物理海洋学的基础理论、专业知识、专业技能和方法，能从事本专业及相关领域教学、科研和管理等工作的高级专业学术型人才。该专业硕士研究生的主要就业去向，主要为国内外海洋类高校及科研院所深造或工作，在自然资源部下属的海洋环境业务化预报部门，以及海洋灾害应急部门等涉海单位从事预报、预警和管理等方面工作。物理海洋学专业（海洋动力学方向）要求学生掌握物理海洋学的基础理论和专业知识，了解本学科的发展方向和研究前沿，熟悉所从事领域的新进展和新动向;也要求学生具有一定的出海调查能力、海洋数据处理能力、海洋数值模拟能力等相关的专业能力，能够胜任物理海洋学相关领域的教学、科研和管理等工作。1F87BFFA-CE42-438A-A135-AB01DB4D7D86

（三）课程的性质和特点

“海洋数值模拟”是一门专业性较强的课程，所涉及的基础知识包括计算地球流体力学、数学计算方法、计算机编程、数据可视化等相关知识。首先，海洋数值模型的建立依赖于计算地球流体力学，需要在地球旋转坐标系下求解纳维-斯托克斯方程，但该方程目前只能通过特定的假设，通过数值差分的方法求得近似的数值解。这部分内容涉及繁杂的公式推导，对大多数学生而言，内容显得枯燥难懂，不易掌握。其次，在方程求解过程中，需要用到各种计算方法，比如有限差分法和有限体积法等，而理解这部分内容需要学生有良好的数学基础。再次，应用计算方法进行求解是借助计算机编程语言实现的，海洋数值模型一般采用Fortran语言进行编写，并在Linux或者Unix系统上运行，该部分内容需要學生熟悉编程语言，并掌握相关的计算操作技巧。最后，数值模拟结果需要用画图软件等可视化工具进行绘图处理，该部分内容需要学生运用相关软件进行操作和编程。

总之，“海洋数值模拟”课程不仅具有很强的专业性，还具有很强的综合性，同时也是一门理论和实践并重的课程。对于物理海洋专业的研究生而言，在选修“海洋数值模拟”课程之前，先学习流体力学、物理海洋学、Fortran、海洋数据可视化处理等课程，会有助于本课程的顺利学习。

（四）课程设计思路

目前，物理海洋学方面的硕士研究生并非完全是海洋科学类的毕业生，一部分学生是来自非涉海类专业，物理海洋学的基础理论薄弱，仅仅依靠课堂教学，很难在短时间内帮助该部分学生培养并构建物理海洋学的理论体系，以及实际海洋数值模拟能力。因此，本课程的设计思路主要基于以下几点：（1）现场教学和视频学习相结合。这样可大幅度延长有效授课时长，学生在课下通过反复观看授课录像，能够加深对数值模拟相关知识的理解。（2）理论与实践并重。从简单物理模型计算到实际海洋数值模型运行算例，既有理论部分的讲解，也有实践操作的演练和解说，随堂录制的数值模拟试验的演练视频及讲解，可以解决学生对实际操作步骤不熟练这一难题。（3）教学和科研相结合。将数值模拟和科研方向相结合，可以帮助检验学生对课程的学习情况，有助于巩固已掌握的知识点，让学生觉得自己学有所用，提升学习热情。（4）课堂学习和线下互动结合。通过线下师生互动，可进一步拓展教学的外延，讨论内容不设限，鼓励学生打开思维，提高自主学习能力。

二、课程教学内容

通过以上课程设计思路，将课程内容由浅入深、由易到难的形式设置为7个章节。除部分章节外，多数章节都按先理论后实践的方式进行教学，以期学生可以更好地掌握内容。秉承从概括到详细、从简单到复杂的学习特点，以此安排具体的章节内容、掌握要点及学时分配，具体设置如下。

第一，绪论。介绍海洋数值模拟的含义、对象及其基本特征，了解和认识海洋数值模拟的必要性和重要性、数值模型的发展历史，以及数值模拟在科研和实际生活中的应用。该章节主要目的是让学生对海洋数值模拟有大概的认识，本章节理论2个学时。

第二，海洋数值模拟的软硬件基础。介绍海洋数值模拟需要的软件和硬件基础。软件方面：海洋数值模拟大多数采用Linux系统。要求学生熟悉Linux系统安装及相关操作命令;数值模型大多采用Fortran语言来编写，要求学生了解Fortran编译器的类型、安装过程、MPI并行软件安装等;海洋数值模拟结果一般以NetCDF格式输出，要求学生安装NetCDF软件，并利用可视化软件，如Python等软件进行处理和绘图。硬件方面：一般海洋数值模拟需要超级计算机，不过性能较好的台式机和笔记本电脑也可以实现简单或者粗分辨率数值模型的计算，因此，学生可以在个人电脑上通过安装Win10的Linux子系统或者虚拟机安装Linux系统等来实现软件方面的实践练习。本章节的学习为后面几个章节的实践打下基础，其中理论部分主要是软硬件介绍，分配2学时，实践部分是多个软件的安装，分配4学时。

第三，简易数值模型求解和运行。介绍数值模拟的一般流程和模型代码组成。数值模拟一般流程包括物理数学问题的提出、模型代码编写（数值求解过程）、模型调试运行和计算、模型结果处理和分析。理论部分主要介绍简单物理问题（比如物质衰减、浮力变化等），如何通过数值计算方法求解并建立模型，如何根据算法编写模型代码、组织代码结构、如何调试及运行模型。学生需要在第二章实践的基础上，在Linux系统运行简单的数学模型，并画图比较利用数值计算方法求的数值解和数学上的解析解有何差异。本章节理论分配2学时，实践分配2学时。

第四，海洋数值模拟的方程、空间坐标系、数值格式等基本内容。介绍海洋数值模拟的方程、空间坐标系、数值格式等。要求学生重点掌握海洋数值的基本方程，以及在各种坐标系的格式、数值求解方法包括有限体积、有限元方法等的简介。该章节是理论部分，起承上启下的作用，将复杂的海洋数值模型和简单物理问题的数学模型进行了比较，又为后面章节做了铺垫，本章节理论4学时。

第五，海浪模式SWAN的简介和运行。海浪数值模拟是研究和预报台风浪的重要工具，SWAN是目前常见的海浪模式，理论主要介绍SWAN海浪模式方程、特征及下载方法、编译、运行及后处理。实践部分要求学生能够下载SWAN模式代码，根据SWAN的相关Manual进行安装，运行1～2个SWAN官方网站提供的测试算例，并得到模式运行结果文件。本章节理论分配2学时，实践分配2学时。

第六，三维海洋数值模式ROMS的简介和运行。ROMS模型是常见的三维区域环流模型，可以模拟区域海洋的潮汐、温盐、环流等。理论部分主要介绍ROMS模型的基本方程组、模型特征及下载方法、编译、运行及后处理方法。实践部分要求学生能够下载ROMS模型代码，根据ROMS的相关Manual在个人电脑和大型机安装ROMS模型，运行模型的测试例子，并得到模型运行结果文件。本章节理论分配2学时，实践分配2学时。1F87BFFA-CE42-438A-A135-AB01DB4D7D86

第七，海洋數值模拟结果可视化及处理过程。利用Python等软件对SWAN海浪模式模拟结果、ROMS模拟结果进行可视化处理。本章节理论分配2学时，实践分配2学时。

结语

从课程安排看，内容比较全面，理论和实践都有涉及，且海浪模型和环流模型的介绍和实践与科研联系紧密。通过本课程的学习，研究生在海洋数值模拟方面可以快速入门，尤其对本科非海洋科学类专业的学生。课程开设后，部分学生反映在理论方面较难理解，在实践方面一开始也难以入手，但可以参考教学视频照葫芦画瓢，基本都能完成。针对该问题笔者认为原因主要有：（1）学生专业基础不同，对理论部分理解和接受能力不同。（2）课程综合性强、难度较大，课程涉及物理海洋学、计算流体力学、计算机编程、软件绘图等各方面。（3）与实际模拟应用还存在差距，仅通过本课程要想在实际科研中利用海洋模型建模仍有一定的难度，模型算例和实际复杂的建模差距较大。

“海洋数值模拟”课程具有较强的综合性，除了要求学生有一定物理海洋学基础外，还要求学生具有计算机编程基础和相关的动手能力。通过本课程的教学和实践，其教学模式基本得到学生的认可，学生的学习兴趣普遍提高，教学效果比单纯讲理论知识效果要好。在今后教学过程中，将根据学生的基础和能力差异，对教学内容、授课方式及课程作业等方面，作出针对性的调整和完善，使“海洋数值模拟”课程的教学更适合当前学科的发展，以及国家和社会的需求。

参考文献

[1]刘娜，王辉，凌铁军，等.一个基于MOM的全球海洋数值同化预报系统[J].海洋通报，2018，37（2）：139-148.

[2]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讨[J].人力资源管理，2010（5）：195.

[3]程军.《海洋数值模拟》课程实习的设置研究[J].新西部（下旬.理论版），2011（13）：150.

[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（24）：84-85.

[5]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.

[6]白鹏，杨婧灵，谢玲玲，等.《海洋数值模式及应用》教学改革初探[J].科技视界，2018（31）：103-104.

[7]蒋浩宇，赵恩金，程飞，等.海洋环境数值模拟在海洋工程专业研究生教育中的应用[J].教育教学论坛，2019（5）：147-149.

Construction and Exploration of the Excellent Course of Oceanic Numerical Simulation for Postgraduates

JI Qi-yan， LIU Yu， LIN Xia-yan， CAI Li-na

（Marine Science and Technology College， Zhejiang Ocean University， Zhoushan，

Zhejiang 316022， China）

Abstract： Oceanic numerical simulation is an important method in physical oceanography. It plays an important role in the development of marine science and the security of national marine environment. This paper tries to cultivate postgraduate students who major in ocean dynamic of physical oceanography with the ability of oceanic numerical simulation. The teaching contents and teaching methods of Oceanic Numerical Simulation course are constructed and explored in this paper. The course design comprehensively considers the discipline direction， the objectives and requirements of the cultivation， the properties and characteristics of the course， and the students different professional backgrounds. By combining the course contents with the students practice on computers， and guiding them to learn from the easy parts to the more advanced parts， we have improved students theoretical levels and practical ability， as well as the teaching effect of the course.

Key words： Oceanic Numerical Simulation; education of postgraduates; construction of excellent courses1F87BFFA-CE42-438A-A135-AB01DB4D7D86