海洋工程类研究生数据分析方法的教学研究

马玉祥，唐鸣夫，董国海

（1.大连理工大学 a.港航与海洋工程学院；b.建设工程学部，辽宁 大连 116024；2.大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026）

引言

我国是海洋大国，从渤海、黄海、东海到南海，海域总面积超470万平方千米，大陆岸线长达1.8万多千米，海域分布有1.1万多个岛屿。随着我国海洋战略的推进，海洋经济的发展以及我国对外贸易、能源供应、海洋资源开发、经济发展等都与海洋密切相关，建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分。要想实现我国由“海洋大国”向“海洋强国”的跨越，就一定要坚持创新是第一动力，以科技创新引领海洋强国建设。涉海专业研究生作为未来海洋领域科技创新的接班人和生力军，在高校教学过程中培养他们的创新能力、坚定创新自信，是我国海洋强国战略成功实施的重要保障。

海洋工程与陆上工程不同，一方面，海洋工程结构面临着复杂、多变的海洋水动力环境；另一方面，海洋工程结构自身具有的柔性、漂浮等特点，导致海洋工程中的数据信号具有极强的随机性和不稳定性［1］。此外，当前海洋工程正面临着向集约型、智慧型转型的关键时刻，海洋工程数据分析技术是该过程的重要基础。海洋工程数据分析作为构建我国海洋工程信息库的重要组成部分，是提升经略海洋能力、实现海洋数据共享以及挖掘海洋产业新需求的重要基础。因此，数据分析能力成为目前海洋领域专业人才能力进阶所需的必要知识技术，数据分析思维也是新时代海工领域人才必备的基本素质。然而，笔者在多年教学和科研实践过程中发现，国内几乎没有与海洋工程数据分析相关的研究生课程和教材，而且涉及海洋工程的课程也十分有限，这就造成海洋工程研究方向的学生往往对海洋工程数据概念认识不清，海洋工程数据分析方法使用训练不足，大大限制了学生的工程实践能力及科学创新能力。基于上述原因，在“建设海洋强国”国家战略和全球数据化浪潮的背景下，需要充分发挥课堂育人的主渠道作用，以“海洋工程数据新方法”课程为抓手，既要通过知识传授培养学生的数据分析能力、结合工程实践案例及行业需求为学生树立正确的科学创新精神和严谨的实践研究态度，也要通过讲授海洋工程数据方法的历史发展及老一辈中国人的杰出贡献，将课程思政有机融入专业教学，坚定学生科技创新的自信心，加强学生社会主义核心价值观的培养，树立学生中华民族伟大复兴的责任感和使命感。

海洋工程类研究生“海洋工程数据新方法”课程内容涉及多种数据分析方法，具有显著的工程应用意义，有助于提高学生的数据分析能力，培养学生的数据分析思维。但该课程存在一些问题，例如课程主要目标为知识传授，忽视了对学生思维能力、自主学习能力和创新精神的培养，课堂教学中学生的主动学习意识不强、分析思维缺乏、动手能力弱，课程内容的连贯性和吸引力不强，教师和学生缺乏有效互动，评价方式单一，等等［2］。基于存在的问题，对该课程进行了教学改革探索与实践，通过重新设计课程内容、设置开放性课题和采用“课上+课下”混合式教学等方式，提高了学生的学习积极性和课程参与度，将学习从课内延伸到课外，突破了传统的课堂教学模式，使学生产生了较好的学习体验和学习效果。

一、“海洋工程数据新方法”课程现状

“海洋工程数据新方法”课程内容主要分为以下四个模块：一是课程综述和数据分析思维模块。该模块系统地介绍课程涉及的基本理论和核心概念。重点向学生介绍数据分析思维（分析目的、分析内涵和分析思路）的重要性以及数据分析的步骤和作用。二是分析方法解析模块。本模块是课程内容主体，对包括Fourier变换、Hilbert变换、小波变换等一系列重要的数据分析方法做了详细全面的介绍，包括这些方法的概念、由来、推导、应用、优缺点等。三是综合拓展模块。该模块旨在让学生了解领域内综合使用基本数据分析方法知识，结合实际问题融合创新的成果。四是实践应用模块。针对具体的科研或工程项目，在项目的总体设计、预期目标、试验设计、数据获取、数据处理和呈现等多个流程，综合使用本课程讲授内容。

随着国内高校大学生队伍的快速壮大，高等教育正从“精英式”向“规模化”转变，使得目前国内各专业课程教育教学面临严峻考验。目前国内涉海专业开设的“海洋工程数据新方法”课程存在明显短板，具体问题如下。

一是国内开设海洋工程相关研究生专业方向的高校中，在研究生课程设置方面主要侧重于“波浪理论”“流体力学”“波浪与结构物相互作用”等专业基础课程，而与海洋工程数据分析相关的研究生课程和教材几乎没有。

二是国内海洋工程本科生的培养大多依托于“船舶与海洋工程”一级学科，培养计划一般针对“船舶”结构对象，涉及“海洋工程”的课程十分有限。

三是国内涉海类高校在专业课讲授过程中过于侧重于知识内容的传达和灌输，对于国内海工行业背景和现状、海工前沿技术及目前海工结构物设计中存在的“卡脖子”问题等方面说明较少，这样的传统教学模式对于专业学生的职业操守和行为规范培养、行业正确价值观引领、民族和行业的自豪感提升程度明显不足。

上述问题造成目前国内海洋工程研究方向的学生往往对海洋工程数据概念认识不清，海洋工程数据分析方法使用的训练不足，而这样的缺陷使得涉海类高校毕业生步入工作岗位后缺乏工程常识，纸上谈兵现象严重，解决常见的港口水文相关问题时出现无法识别波浪谱、不懂各类设计波要素统计方法等问题，大大限制了学生步入工作岗位后的工程实践能力及科学创新能力。同时，“重知识、轻思想”的教学模式也造成了工科生普遍认为学好专业知识就行，而忽略了自身职业素养的培养，这严重影响了毕业生的未来发展。

二、课程改革的措施

（一）教学内容调整

为了贯彻落实全国高校思想政治工作会议精神，围绕“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”这一教育的根本问题，落实教书育人基本职责。以培养有理想有本领有担当的新时代中国青年为原则，通过调整课程授业内容，实现职业使命、职业道德、专业培养目标有机融合。首先，以海洋工程数据方法发展历程为主线，为学生梳理方法的发展历史、历史上解决的关键问题以及相关中国学者在数据分析方法中的突出贡献，一方面突出创新精神在方法进步过程中的重要性，另一方面体现老一辈中国人所具有的工匠精神，树立学生的创新思维意识，培养学生推动国家科技进步的“初心”。其次，通过解读我国海洋工程领域的最新发展动向和已取得的相关成就，增强学生的国家荣誉感；同时，通过介绍我国海洋工程目前面临的“卡脖子”问题，培养学生的时代使命感和责任感。具体改革方式如下。

1.为讲授内容添加趣味性。为提高学生对课程内容的兴趣，针对所讲授内容的知识点和方法，通过讲授在发展过程中出现的关键人物、关键事件和在专业领域中的应用过程，形成一个完整的故事。通过对故事的讲解，增强讲授内容的趣味性，体现讲授方法的实用性，以及引导学生面对问题时的创新思路。

2.在不同知识点之间建立联系。把知识点之间存在的相互联系梳理清楚，将碎片化的知识根据知识点之间存在的联系和对应关系进行有效串联，标记出知识点地图，使教学内容模块化，使课程结构清晰。

3.将讲授的方法与专业应用相结合。从科学研究和工程应用两方面入手，以谐波分布部分为例，在讲授完傅立叶级数和分解知识后，引入Battjes的经典试验，说明该试验为什么经典、通过该试验可以揭示波浪传播的哪些机理、这些数据如何采用傅立叶级数进行分析以及如何分析自己产生的数值模拟结果等。针对一个具体的工程科研项目，结合试验的设计、数据的采集、数据的分析以及结果的呈现，给出一个整体的介绍，详细说明数据分析在工程项目中所起到的作用。

4.引导学生将数据分析方法应用于实际。通过设置和讲授综合应用专题，以具体科学和工程问题为引导，综合运用各知识点，使各分散的知识点在一个具体的问题背景下融合在一起，针对海洋工程中面临的最新问题，鼓励学生在课题解决中结合最新研究文献，采用创新的数据分析方法或根据已有方法进行创新应用，从而提高学生解决实际问题的能力，培养学生处理问题的逻辑性和系统性，增加学生对知识点的物理意义和实用价值的认识，感受如何通过综合使用“老”方法来解决“新”问题，提高学生对方法创新的理解和认识。

（二）教学模式的改进

针对开放式课题，采用线上+线下、课上+课下的混合教学模式，讲授与讨论互补，理论和实践互馈。在线上课程讲授完成之后，布置与各分析方法相对应的课题，分配给学生，让他们在线下结合理论知识自主解决问题，培养他们对于知识的应用能力，并达到理论与实践相结合的目的。在课堂上，采取类似头脑风暴的形式，让学生分小组讨论攻克课题过程中遇到的问题，分享知识和想法，以此增强学生对讲授的知识的理解，并拓展学生解决问题的思路。

除此之外，为学生布置我国海洋灾害数据分析的资料整理工作，旨在通过资料整理使学生深刻了解我国海洋灾害种类及时空分布特征，提高学生对我国海洋工程环境的认识水平，树立学生对海洋数据分析方法重要性的认同感。

在数据分析方法教授阶段，基于具体的工程案例及典型的海洋工程数据，指导学生利用对应分析方法进行编程和报告撰写。通过增加工程实训环节，一方面夯实学生的专业基础能力，另一方面加深学生对工程数据分析中概率、统计、频率谱等抽象概念的理解。

（三）学习方式的改进

将数据分析软件与教学内容相结合，可以培养学生应用工具和编程处理数据的能力。学生除需要理解各种方法的基本原理外，还要学会应用相关软件来完成具体的数据分析任务，并学会编程、参数选取和绘图的方法与技巧。“海洋工程数据新方法”课程讲授的知识点较抽象，各种方法都是通过一大堆数学公式呈现的，而Matlab等数据仿真和处理软件界面友好、编程简单、数据处理包丰富、可视化性能强，因此通过数值软件的仿真和处理分析，可以帮助学生直观且深刻地理解课程内容。以离散小波变换方法为例，鼓励学生使用Matlab中的小波变换命令分析数据，实现计算小波系数、绘制小波能谱图等一系列操作，可以让学生不再局限于教师课堂上所讲授的理论知识，而是通过亲自动手操作来更好地理解和使用小波变换方法。

（四）考核方式的改进

改进考核方式的目的是提高应用型能力在考核中所占的比重。首先，把学生分成四人一组的小组，然后针对海洋工程中面临的最新问题，设置若干开放性的课题，以问题为引导，结合所学知识点，让每一个小组完成一个开放性的课题，鼓励学生在课题解决中结合最新研究文献，采用创新的数据分析方法或根据已有方法进行创新应用，提高学生解决实际问题的能力。然后，鼓励学生在课堂上把学习成果分享给同学，让学生在问题、概念、分析方法和解决问题的全过程中收获并应用知识，最后呈现出所获的知识，通过这种方式使学生的学习从课内延伸到课外，并且有效培养了学生的团队精神、学习能力、探索能力、交流能力和逻辑能力。最终，教师会依据每名学生的学习表现对其打分，按一定比重并将其和期末考试成绩一起计入学生的最终课程成绩。

结语

本文针对“海洋工程数据新方法”课程存在的问题，以新时代涉海专业研究生的科技创新精神培养为主要思想，通过对“海洋工程数据新方法”的课程内容、教学计划和考核方法进行改革，实现一方面解决目前涉海专业研究生缺乏“海洋工程数据分析”相关工程应用训练的问题，夯实学生的专业基础，培养学生的数据分析思维，为海洋科技人才的能力进阶提供必要知识技术；另一方面，通过课程专业内容与思政内容有机融合，课内外工程训练与思政教育的映射和融入，激发学生的科研兴趣，培养具有家国情怀、工匠精神、时代感、专业荣誉度和创新意识的新时代研究型人才。