“海洋亚中尺度过程”课程启发式教学初探

李 成

（广东海洋大学 海洋与气象学院，广东 湛江 524088）

亚中尺度过程包括锋面、涡丝、涡旋以及内波等过 程[1-2]，它们的空间尺度为几千里到几十千里，时间尺度为几天到十几天；而小尺度过程则包括小尺度的内波以及混合等过程，它们的空间尺度仅为几米的量级。这些过程并非各自独立，而是紧密关联并相互作用的。能级串可以直观地体现它们之间的关系[3-4]。能级串分为正级串和逆级串。正级串是指能量从大尺度向小尺度传递，例如大尺度环流可以为因斜压不稳定而生成的中尺度涡提供能量，亚中尺度过程的增长又可以从中尺度涡汲取能量，而这些能量最终会被小尺度混合耗散。逆级串是指能量从小尺度向大尺度传递，例如在准地转湍流中，中尺度涡的生成发展可以从较小尺度的过程中得到能量[5-6]。在海洋中，无时无刻不在传递上述能量，体现在各海洋动力过程的生成和消亡。随着观测手段的不断进步以及数值模式的发展，人们对于物理海洋的研究也越来越深入，认识也越来越深刻。在过去几十年中，基于现场观测、卫星反演以及数值方法，学者们针对大尺度、中尺度以及小尺度过程开展了大量的研究，并取得了丰硕的成果。与之相比，对于中尺度和小尺度之间过渡的亚中尺度过程的研究一直处于空白状态[7-8]。直到近几年，随着物理海洋学的发展以及模式分辨率的提高，亚中尺度过程逐渐引起学者们的重视。

作为海洋中重要的动力过程，亚中尺度过程的研究有着重要的理论意义和实际应用价值。首先，研究亚中尺度过程可以完善海洋动力过程的能级系统。目前，针对海洋中其他动力过程的研究已经取得了丰硕的成果，而目前针对亚中尺度过程的研究仍然较少。在实际海洋复杂的物理背景下，在亚中尺度过程中，大、中尺度过程的消亡以及小尺度混合的贡献都具有重要意义。相关研究曾指出，亚中尺度过程对中尺度能量具有耗散作用，而存在强亚中尺度过程的区域混合也会增强。亚中尺度过程在能级串中起着串联中尺度和小尺度的重要作用。其次，亚中尺度过程的研究对数值模式的参数化有着重要意义。模式参数化能够获得更好的模拟结果并进行预报。最后，亚中尺度表层流场存在较强的辐聚辐散，可以使浮游植物在海洋表层聚集，从而改变其在海面的水平分布，海洋表面浮游植物的条带状分布特征可能与亚中尺度辐聚辐散场有关。因此，掌握亚中尺度过程的时空分布规律，可以为渔业资源和环境保护提供理论指导。

该课程是针对物理海洋学专业研究生开设的专业选修课程。作为物理海洋专业的研究生，对当今物理海洋学研究领域最热门的次中尺度过程的认知掌握以及实际的分析应用是非常重要的。本研究提出了对“海洋亚中尺度过程”课程的启发式、课堂式教学探究，主要包括：在讲课过程中精炼课程框架，由简单到复杂，基于学生前期对海洋中尺度过程的学习和认知，运用类比延伸的教学方式进行指导；基于自身实际的科研经验，为学生提供海洋中的现场观测资料，让学生自主动手编程分析，将课堂的理论知识应用于实践；采用灵活创新的教学方式，启发学生联想思维、举一反三；让学生占领课堂，多提问、多反思、多讲解、多回顾。通过学习本课程，使学生掌握最前沿海洋次中尺度过程的相关知识，培养学生现场观测数据的提取分析能力，为后续科研道路添砖加瓦。

1 提炼课程框架

海洋亚中尺度过程是一段内容极其丰富的研究过程，牵扯到诸多数学物理知识，因此，提炼知识框架、精简课程内容、让学生集中力量攻克核心问题极为重要。笔者根据当下海洋亚中尺度过程的最新研究进展以及现场观测资料，利用对海洋亚中尺度过程的分析研究以及相关科研论文的产出实践，凝练出“海洋亚中尺度过程”课程需要学生掌握的核心要素，并对需要掌握的不同知识点进行层次划分，方便学生合理利用和分配学习时间，下面给出部分章节的提炼结构：

（1）Ekman运动与惯性振荡：了解Ekman漂移的发现和早期的数学描述、Ekman的历史贡献、漂流问题的由来，掌握控制方程及其求解，理解有限深度对Ekman螺旋和输运的影响；

（2）理解线性层结下的Ekman层、Ekman螺旋形成过程中的惯性震荡，掌握地形对Ekman层的影响、离岸Ekman输运造成的定常上升流系统，了解水杯中的Ekman螺线；

（3）理解地转坐标系的引入和Omega方程的推导与求解，了解一维锋面演化Bugger方程及其谱性质与海洋观测的联系，掌握锋面遥感观测及其在动力学上的意义，以及锋面附近的次级环流的观测模拟及其伴随的生物、化学过程；

（4）了解表面准地转模型的建立和在海洋观测中的应用，理解表面准地转模型和锋面演化之间的内在联系，掌握海洋表面地转流场的能量串级。

2 启发式教学思维

海洋亚中尺度过程是十分前沿且更新兴的领域，主要受到观测技术的限制，但是其动力学理论却是在早年间就提出的，要让学生充分理解和掌握其动力理论，通常会使课程变得乏味，学生集中力下降，听课效率不高，这就要求教师授课时采用的方式方法不能死板单一，应有机融合多种教学方式，通过启发式的教学方法，提高学生发散思维能力。笔者在近期的海洋学授课过程中尝试了多种创新性的教学方法，核心是发挥学生自身的能动性，让学生主动挖掘知识要点，活跃课堂学习气氛。

2.1 亲身经历启发学生灵感

在讲授海洋次中尺度现象时，结合自身实际，针对海洋次中尺度涡旋的科研论文，从论文选题出发，到观测现象、挑选数据、设计实验方案、分析处理结果等一系列展示实际亚中尺度过程的研究案例，讲授当时科研工作中遇到的问题，以及工作结束之后对亚中尺度过程产生的新认识和后续的研究想法，这些都给学生带来了非常好的启示，极大地增强了他们的科研信心，同时规避了照本宣科式的教学，不让学生感到枯燥乏味，开拓了学生的眼界，激发了其对相关研究领域的科研热情，进而使他们产生成就感，切实从课程中获益。

2.2 学生领导课堂

在课程中期讲述完海洋次温跃层涡旋的识别判断准则之后，让学生自由分组，准备好Argo浮标数据以及气候态温盐资料，让学生自己动手编程、写程序，分成不同的小组来分别识别和判定不同大洋海区中亚中尺度次温跃层涡旋的空间分布。随后在课堂中，以小组汇报的形式展示编程程序代码、涡旋识别结果图像以及对应的海区次温跃层涡旋空间分布特征等。其他同学则担任答辩评委老师的角色，提出在编程、结果展示和分析方面存在的问题以及建议。一方面，在评价他人的小组工作时，自己会回顾课程的要点和框架，巩固对次中尺度涡旋识别的认识和记忆；另一方面，组员们根据成果分析的合理意见会进一步提高自己的编程能力和图像分析水平，切实提高研究生阶段的科研水平。

3 动手能力至关重要

“海洋亚中尺度过程”这门课程涉及新兴科学领域的热点前沿，受限于观测技术，鲜有海洋的直接观测手段，目前绝大多数为数值模拟研究。因此，课程中直接提供给学生超高时空分辨率的模式资料，让学生基于理论知识框架选择自己感兴趣的课题，开展一个关于亚中尺度过程的小研究，从选题到资料提取再到编程分析、结果处理形成文字分析报告，对于研究生后续阶段的学习以及科研兴趣的培养十分有利。科研报告作为课程评价的重要部分，学生在课堂上便可完成，大大提高了研究生的课程复习效率。

4 结语

前沿的科学问题亟待形成框架传授给学生，但绝对不能只是理论上的教授，要让学生学会在科研工作中应用，这对研究生尤为重要，“海洋次中尺度过程”便是这样一门十分注重实际应用的课程。根据这门新型课程的特点，给出了“海洋亚中尺度过程”课程启发式教学的创新思维。基于近期的教学实践，在实施了诸多措施之后，学生对“海洋亚中尺度过程”相关知识的学习效率以及兴趣得到了显著提高，课程教学效果得到了明显的改善，研究生的实操能力稳步提升。