海洋混合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）

众所周知，海洋是一个多尺度动力过程共存的复杂系统，包括：大尺度环流、中尺度涡旋、亚中尺度运动、中小尺度内波、微尺度混合等。混合是通过某种或某几种动力过程使得具有不同性质（如热量、浓度、动量等）的海水微团紧密结合，进而通过分子扩散消除它们之间的差异，最终使海水性质趋向均匀的一种普遍运动形式。海洋混合可分为沿等密度面混合（水平方向）和跨等密度面混合（垂直方向）两种，沿等密度面混合（约为103m2/s）要比跨等密度面混合（大洋中约为10-5m2/s）大多个量级[1][2]。通常情况下，海水性质的垂向梯度显著大于水平梯度，因而，人们更加关注海洋的垂向混合过程。海洋中各种尺度运动的不稳定性可产生湍流，湍流具有运动旋转性、物质扩散性及能量耗散性等特点，由海洋湍流引起的混合称为湍流混合，它是海水混合最重要的形式。此外，双扩散是海洋中不同水团交汇处触发混合的重要过程，即由于分子热传导系数远大于分子盐扩散系数，当层结稳定的海洋中出现温度或盐度的不稳定垂向分布时，便可引起自由对流，其形式包括垂向的盐指（暖而咸的海水位于冷而淡的海水之上）、扩散对流（冷而淡的海水位于暖而咸的海水之上）和水平方向的热盐入侵（两侧温盐差异显著）[3-4]。

海洋混合是海洋能量由大尺度到小尺度直至耗散的级串过程中至关重要的一环，它对于维持海洋的热力学平衡有着非常重要的作用，进而可影响大尺度的运动。从全球范围而言，海洋混合是调控大洋经向翻转环流的关键因素，同时对，海洋物质和能量输运、生态环境及全球气候变化具有重要作用[5][6]。基于全球能量估算，人们认为大约需要2 TW的能量来维持大洋经向翻转环流的现有强度，即主温跃层以下的平均混合率需达到10-4m2/s的强度。此后学者们试图从观测方面对10-4m2/s这一经典结果进行检验，然而在远离边界的大洋中观测到的混合率仅为10-5m2/s，这意味着在海洋中必然存在一些强混合海区。因而寻找海洋中的强混合区、探究引起混合增强的相关机制，成了一段时期内混合研究的重点内容之一，最终通过对混合过程及其影响机制的不断深入认知，来改进和完善混合的参数化方案，服务于环流和气候模式[7-8]。

对于物理海洋学专业领域的研究生，海洋混合是必备的重要课程，本文提出了对海洋学课程的发散式教学初探，主要包括：在授课过程中根据课程的核心内容凝练授课思路和进程，尽可能满足由易到难、由抽象到具象、由认知到应用的特点；基于学生已有的知识积淀出发，采用灵活多变、符合当代学生兴趣点的方式进行教学引导，注重激发学生联想思维、举一反三；让学生多动手真正成为课堂的主人公，注重对知识的实践应用，而不是以往的默默旁听，被动记忆。通过学习本课程，使学生达到掌握海洋科学中各领域的基础知识和基本理论。培养学生具有一定海洋思维意识和海洋创新技能，掌握风、浪、流、潮汐和海水等海洋基本要素等专业知识，具备基本海洋专业素质。

一、主次明晰，合理分配学习时间

海洋混合是一门多学科体系交叉的内容十分丰富的课程，是多门类多尺度知识的有机融合，因此，对课程的核心内容进行凝练，突出主次，合理延伸对于课程的教学就变得十分重要。作者根据对海洋混合近些年来最前沿的发展动态和科研进展，以及实际对海洋混合过程开展的海上观测研究，分析出海洋混合课程需要学生们掌握的精华，并基于对不同知识掌握程度的不同进行层次划分，也便于让学生集中力量学习核心要素，下面给出部分章节的提炼后的课程精华要素：

1.了解湍流观测方式，理解波动与混合的关系、混合的过程、能量级串；掌握湍流混合通量、Kolmogorov尺度、湍能谱、湍动能耗散率的观测及估计。

2.了解雷诺实验和焦耳实验，海洋表层的波动与湍流，搅拌+扩散=混合，海洋内波与湍流混合；理解湍流混合的通量，湍动能耗散率，热耗散率，能量级串，湍能谱；掌握湍流的首次观测，湍动能耗散率的观测，雷诺应力的观测，湍动能耗散率的估计方法。

3.理解海洋混合的重要作用，混合需要外界机械能维持；掌握潮汐、风等对混合的能量输入，正压潮，内潮；了解风应力，表面波，浮力通量；掌握平均流和中尺度涡，内波，底摩擦，地热

4.了解内波的折射和衍射，理解内波频散关系的物理含义、内波反射的推导、内重力波方程的求解；掌握内波频散关系、相速度、群速度，内波反射特点，WKB近似方法。

5.了解内波与剪切流和波致流场的相互作用，理解内波破碎及相互作用机制，掌握内波的生成机制、内波相互作用的PSI机制。

二、启发教学，言传身教

海洋混合课程具有大量的理论前期知识需要传授给大家，如果按照传统的教学方式，学生听课前期很难维持长期的集中力，一旦遇到难点不能通过，会让学生们丧失信心甚至直接放弃。所以，授课当中应通过启发式的教学方法，结合现实案例，提高学生的发散思维能力以及关注程度。本人在近期的海洋学授课当中尝试了多种创新性的教学方法，主要思路就是充分发挥学生的主观能动性，让学生主动地解决问题，在解决问题之余就需要把课堂知识掌握，老师只需合理引导，出现本质错误时及时指出。

1.出海实际经验植入教学

在讲授海洋混合率观测中，结合自身实际出海当中对混合率观测采样、仪器配置，数据提取、数据后续分析处理的实际情况，从湍流剖面仪实际观测数据出发，给学生展示显示海洋中混合率的分布，介绍混合率的观测手段。课堂中，讲解湍流剖面仪的工作原理，展示所测混合率的空间分布，详细讲解数据获取之后的矫正与分析处理。使得学生感觉亲身体验了海洋混合率额观测过程，从而大大提高对课程的集中度，同时，也对混合率有了更清晰的认知。物理海洋的研究基础就是现场观测，绝大多数的学生以后都要出海进行海上调研获取实测数据，这对时常出海的物理海洋专业的研究生来讲有莫大的帮助。一方面，有效地避免了只是书面上的文字教学，给学生带来枯燥乏味；另一方面，开拓了同学们的视野，激发了对科学研究的兴趣，以及培养他们的成就感意识，确实从课程当中的学习，有所获益。

2.知识传授规避次要矛盾，解决主要矛盾

海洋混合课程的学习需要以多种数学和物理知识为基础，受限于课程设置，无法确保每一位学生都了解课程必备的基数学公式和物理定理。所以，在教授课程有关内容时，需要简单地对这些知识和原理进行回顾。同时，如果所有知识点都详细的讲解，很可能会使学生失去兴趣，导致效率降低，无论老师的教课进度还是学生掌握程度都会大大受阻。因此，在授课过程中就要避免面面俱到，规避次要矛盾，解决主要矛盾，其他矛盾鼓励和指导学生自发研习。例如，在介绍湍动能耗散率的估计方法，重点介绍方法的应用性，学生们掌握之后在出海观测中会用即可，而对于方法的具体原理和相关推导则不去赘述，课后引导有兴趣的学生在课后通过文献阅读资料查找自行学习。

三、学生课堂编程分析，实践中出真知

海洋混合这门课程是研究海洋中的小尺度动力过程，这就决定了海上观测对这门学科的重要意义，给学生展示海洋观测资料的分析处理以及结果，将学习到的混合理论知识应用到对实际混合观测数据的分析处理之中，这对于研究生阶段的物理海洋专业的学生培养科研兴趣的培养和累计出海实操经验至关重要。作者在教学中主要使用MATLAB进行海洋实测数据的分析处理，提供学生基本的参考程序，学生调试后分析输出图像，将课堂理论知识用图像的形式再呈现，巩固对混合动力理论的掌握。

结语

理论研究到实践分析是科研研究的核心思路也是教学授课需要应用到的重要环节。海洋混合课程理论性很强，但对于物理海洋专业的研究生来说这门课程更倾向于实际应用，因为，出海观测当中海洋混合率的观测测量计算是一个非常重要的课题。因此，海洋混合单纯的理论满堂灌，对于研究生阶段的学生们来说是没有太大意义的，即便理论知识点数据于心，到了现场应用阶段依旧会掌握不全面。本文根据海洋混合课程特点，提出了多项对于海洋混合课程启发式教学的创新措施和思路。基于作者近期的教学反馈，文中的多种教学新思路实施之后，学生对于海洋混合相关知识的学习效率以及兴趣度得到显著提高，课程教学效果得到了明显改善。