“海洋数值模式及应用”的教学改革研究

梁朋 杨丽娜

[摘 要] 作为海洋科学专业的核心课程之一，“海洋数值模式及应用”课程开设的目的是让学生掌握设计和使用海洋数值模式的技能，课程既注重理论知识的教授，又注重应用能力的培养，旨在为“海洋强国”策略提供综合型的海洋人才。基于实际的教学经历，指出了在授课过程中发现的主要问题，并针对所指出的问题制定了相应的教学改革方案，在完善课程体系的同时，增加了课程的趣味性，从而有效地调动了学生的学习积极性，激发了学生的学习热情，提高了学生的学习效率，更好地完成课程的教学目标，为综合型海洋人才的培养提供了一些的建议。

[关键词] 海洋数值模式及应用;教学改革;综合型海洋人才

[基金项目] 2018—2020年国家自然科学基金青年基金（41706033）;2020—2021年国家自然科学基金青年基金（42006023）;2020—2023年广东海洋大学科研启动经费资助项目（R20020;R20023）

[作者简介] 梁 朋（1988—），男，山东烟台人，博士，广东海洋大学海洋与气象学院讲师，主要从事物理海洋学研究;杨丽娜（1988—），女，山东烟台人，博士，广东海洋大学海洋与气象学院讲师（通信作者），主要从事物理海洋学研究。

[文章编号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）20-0061-04 [收稿日期] 2021-11-19

前言

作为一个海洋大国，我国拥有18000多千米的海岸线，130多万平方千米的大陆架以及470多万平方千米的内海和领海。广阔而富饶的海域为我国带来的丰富的海洋资源和巨大的经济效益，在进入21世纪——海洋世纪之后，我国的海洋经济得到了迅猛发展，海洋经济生产总值由2001年的9518.4亿元迅速增加到2019年的9万多亿元，海洋经济在我国尤其是沿海地区经济的发展以及国民生活水平的提高中起着日趋重要的作用[1]。近几十年来，随着海洋数值预报技术的迅速发展和完善，海洋数值模式在定量地评估和预测我国近海的海洋动力环境以及海啸、巨浪、风暴潮等海洋灾害中起着不可替代的作用[2-4]，数值模式在为我国海洋工程和海洋作业的安全以及海洋经济的稳定发展提供了有力技术保障的同时，也为我国的海洋科学研究提供了更加经济而且有效的手段。

“海洋数值模式及应用”课程强调理论与实践并重，课程内容主要涉及海洋数值差分算法，不同差分算法的相容性、稳定性、收敛性的推导证明，经典海洋动力数值模式的介绍和应用，新型基于人工智能方法的统计数值模型建立的原理和方法等方面。随着近些年来海洋数值模式在海洋科学研究、海洋工程设计、海洋功能区划、海洋生态环境保护、海上搜救以及防灾减灾中应用的日趋广泛，海洋数值模式的设计、调试、运行以及数据后处理逐渐成为海洋科学专业毕业生必须掌握的核心技能之一，因此，“海洋数值模式及应用”课程也逐渐成为海洋科学本科人才培养中不可或缺的一环。本文将依据为海洋科学专业本科生开设的“海洋数值模式及应用”的课程现状，以培养综合实用型海洋人才为目的，列举在实际授课过程中遇到的问题，并探讨解决这些问题的教学改革方法，以期增加学生的学习兴趣，帮助学生掌握海洋数值模式相关的理论知识，提高学生的数值模式应用能力。

一、教学中遇到的问题

广东海洋大学在大三下学期为海洋科学专业的本科生开设了“海洋数值模式及应用”的必修课，这门课程作为专业核心课程，共40个学时，其中理论课32个学时，实践课8个学时。在为海洋科学专业学生的实际授课过程中，发现了以下的问题。

1.学生相关知识储备不足，不能熟练地交叉使用不同学科已有知识。课程为数学、物理、海洋科学和计算机多学科交叉课程，所涉及的知识点杂而且多，对学生知识面的广度和深度都有一定的要求。大三下学期的学生虽然经过了两年半的专业训练，但部分基础不好的学生对基础知识掌握不牢，理解不深刻，与此同时，一部分基础较好的学生，无法突破学科间壁垒，做到多学科知识交叉运用，这就使得课程知识点难度超出了学生能够接受的范围。

2.学生对于理论课内容缺乏兴趣，对于掌握课程中的难点缺乏自信心和钻研的精神。这种兴趣的缺乏主要是由两种因素导致的：第一，理论课内容晦涩抽象，牵扯的复杂数学推导较多，课程中长段的数学推导，让很多学生感觉难以下手，这打击了学生的学习积极性;第二，海洋数值模式的理论课程与其他的海洋科学专业课相关性不大，学生很容易错误地以为本课程对提高自己的专业技能帮助不大。

3.已有的课程相关教材编制时间较早，教材内容缺乏最新的海洋数值模式研究进展，教材中涉及的方法与当前最新的研究方法脱钩。尤其是进入21世纪后，随着大数据技术和人工智能技术的迅速发展，海洋数值模式已经突破了基于海水运动基本方程建立的传统动力数值模式的概念，在许多关乎民生的重要研究领域（如厄尔尼诺、南方涛动、海洋内波和海浪等），基于大数据技术和人工智能技术建立的新型统计数值模型的预报精度和预报速度已经明显超过了传统的动力数值模型，大数据技术和人工智能技术已经成为建立新型海洋数值模式不可或缺的手段[5-7]，该领域也成为继海洋动力模型后海洋数值模式的又一重要领域。然而，当前主流的海洋数值模式教材只包含了建立传统动力数值模式的相关知识，并未涉及大数据和人工智能技术，无法适应当前海洋科学研究的新需求[8，9]。

4.课程的实践课学时严重不足。本课程教学的最终目的是让学生掌握设计、调试以及使用海洋数值模式的技能，让学生在完成本课程的学习之后可以在科学研究、业务化预报和环境评估等不同的应用场景中，依据实际情况，自主完成模式输入文件的制備、模式相关数值实验设计、模式参数修改、模式调试和运行以及模式输出文件的后处理和可视化等工作，然而仅仅利用8个学时的实践课程，学生无法系统地完成所有相关环节，很难对海洋数值模式的设计和实际应用过程中可能碰到的各种细节问题有全面的了解，这就造成了很多学生在完成了课程学习后，理论强，实践弱，眼高手低等诸多问题。

二、教学改革思路

针对在“海洋数值模式及应用”课程教学过程中遇到的诸多问题，在教学实践中提出如下的教学改革建议。

1.针对学生相关知识储备不足，无法熟练地交叉使用多学科储备知识的问题。在课程开始前，制作预习课件，并分发给学生，在预习课件中分列下节课内容所需要的知识储备，并制作思维导图，阐明所涉及知识点之间的相关关系以及各知识点与授课内容的关系，让学生提前复习并熟悉相关知识点，建立不同知识点之间的联系。成立课下学习小组，在教学开始前，由小组长组织讨论，讨论时组员可以发挥各自所长，整理不同学科的相关知识点，并汇总讨论，这样更有利于学生提前了解学科间知识点的内部联系，使学生在课堂学习时，能够抓住主线，交叉运用不同学科的已有知识，解决课堂学习中遇到的问题。在设计授课课件时，将重要的相关知识储备的具体内容列于授课课件的第一部分，在授课时将之详细讲授强化理解后，再开始讲授课程内容。例如，在讲授差分方法的推导前，将泰勒展开、偏导数的数学意义、偏微分方程的解析求解方法、平流方程和扩散方程的物理意义等以知识点的形式列于预习课件中，通过小组讨论的方法提前复习相关知识点并建立知识点之间的联系;在讲授时，将最为重要的泰勒展开的详细内容列于授课课件中，在将之作为授课的第一部分进行讲授，通过这样的课程设计明显降低了学生对差分方法的学习难度，提高了学生的学习热情。

2.针对学生缺乏理论课学习兴趣的问题。第一，依据本科教学需求，筛选教材中所涉及的内容，适当降低课程难度，去除不必要的复杂数学推导。第二，对于必须教授的数学推导，在讲解的时候应尽量运用直观的手段进行辅助教学。例如，在推导不同的差分格式时，可以运用数形结合的方法，在课件中绘制差分网格的空间分布，并结合梯度的图形定义，将抽象的差分方法用简洁的图形进行直观的展示，这样学生就能在理解的基础上进行推导，从而使得学生建立自信心，提高学生理论课学习的兴趣。第三，在讲述理论知识时，要注重与本专业其他的专业课内容相结合，体现出海洋数值模式理论课程在本专业研究中的重要性。例如，在讲授差分理论时，可以将之与学生之前学习过的地转流理论相结合，讲解如何利用差分理论求解海洋内部地转流，这样既深化了学生对于差分理论的理解，又让学生体会到了学习差分理论知识可以实际解决很多专业问题，在实践中理解理论的同时，也提升了同学们的学习兴趣和学习积极性。第四，在理论课程授课时，适当加入相关理论的实际应用，增加理论课学习的趣味性。例如，在讲述平流扩散方程的差分方法时，联系到海水中塑料垃圾颗粒运动轨迹的追踪预报正是运用了平流扩散方程的差分求解，让同学们了解差分理论在实际生活中的重要应用，从而更进一步地激发同学们的学习积极性。

3.对于教材内容陈旧，缺乏海洋数值模式领域最新研究进展的问题。第一，跟进相关领域的最新文献，整理并筛选相关领域的最新研究成果，在筛选成果时，研究领域要尽量贴近学生的日常生活以及之前专业课中接触过的相关内容。然后，将筛选得到的成果，以图文的形式添加到授课课件中，在讲授时，用描述性的语言，让学生对最新的研究成果有所了解。例如，我校地处广东湛江，夏秋季节遭受台风灾害频繁，因此，在授课过程中加入了一些海洋数值模式在台风预报领域中的最新研究成果[10]，这样既能让学生了解到相关领域的最新研究進展，又能让学生直观地体会到所学知识在现实生活中的应用。第二，广泛调研，选择本科生接受范围内的最新研究方法，并将之引入到授课内容中。例如，经过调研发现，最近几年人工智能神经网络方法成功应用于诸多领域海洋数值模式设计，其原理简单易懂，不涉及复杂的数学推导，而且应用场景广泛，所涉及软件可视化程度高，容易操作，理论和实际操作难度完全在本科生接受范围之内。

4.对于实践课程课时不足的问题。第一，在实践课的课堂上，挑选最具有代表性、最能提高学生综合应用能力的实践案例作为实践课程的内容，以点带面，利用有限的课堂时间，让学生熟悉使用海洋数值模式的普遍操作过程，即数值实验设计——制作模型输入文件——模型调试与运行——模式输出文件处理的操作过程。例如，在时间教学过程中，选取了代码简短，操作简单，在海洋科学领域应用较为广泛的1.5层约化重力模型，以模拟西北太平洋上层环流的典型案例为例，详细演示了完成一次完整数值实验的整个操作过程，给同学们建立了使用数值模式解决专业问题的思维模式。这样在有限的实践课时中，让同学们切身体验了一次完整运行模式的过程，用简单模型的案例为复杂模型的使用打下了基础。第二，通过翻转课堂的形式，让学生在课下完成更多的实践内容，通过平时的实践，寻找自身的问题，并在课上进行点评和答疑。例如，在完成1.5层约化重力模式的课上演示教学之后，为学生们布置了修改模拟区域，修改模拟时间，修改科氏参量和修改约化重力参数四组数值实验，同学们分组在课下独立完成，以大作业的形式提交数值实验结果。

结语

本文主要对“海洋数值模式及应用”的理论和实践课程教学中遇到的问题进行了梳理，并针对问题提出了相应的教学改革思路。教改思路要求根据授课内容有完整而合理课程设计，设计方案贯穿整个教学过程，用课程设计来降低交叉学科的学习难度;教学手段进一步丰富，课前预习、课堂讲授与课后实践相结合，同时理论课内容紧密联系专业实际和生活实际，突出理论课的重要性，提高理论课的趣味性;合理筛选教材章节，多种教材综合使用，将不同教材内容进行有机整合，完善课程体系，紧跟学术前沿，激发学生的学习热情;重视实践能力，课堂教学合理选取授课案例，利用翻转课堂等方法，解决实践课课时不足的问题。

参考文献

[1]赵丙奇，蒋晓燕，杨丽娜.我国海洋经济发展现状与对策[J].中国国情国力，2012（6）：12-14.

[2]叶琳，于福江，吴玮.我国海啸灾害及预警现状与建议[J].海洋预报，2005，22（1）：147-157.

[3]乔方利.海洋动力环境要素数值预报关键技术[J].海洋开发与管理，2006，23（5）：59-60.

[4]鄭沛楠，宋军，张芳苒，等.常用海洋数值模式简介[J].海洋预报，2008（4）：108-120.

[5]JAIN P， DEO M C. Artificial intelligence tools to forecast ocean waves in real time[J]. The Open Ocean Engineering Journal，2008，1（1）：13-20.

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[7]ZHENG G， LI X， ZHANG R H，et al. Purely satellite data–driven deep learning forecast of complicated tropical instability waves[J]. Science Advances， 2020，6（29）：1482.

[8]朱建荣.海洋数值计算方法和数值模式[M].北京：海洋出版社，2003：19-33.

[9]孙文心，江文胜，李磊.近海环境流体动力学数值模型[M].北京：科学出版社，2004：117-158.

[10]JIANG G Q， XU J， WEI J. A deep learning algorithm of neural network for the parameterization of typhoon‐ocean feedback in typhoon forecast models[J].Geophysical Research Letters，2018，45（8）：3706-3716.

Research on Teaching Reform of Ocean Numerical Model and Its Application

LIANG Peng， YANG Li-na

（College of Ocean and Meteorology， Guangdong Ocean University， Zhanjiang，

Guangdong 524088， China）

Abstract： As the one of the core courses of the marine science major， Ocean Numerical Model and Its Application is set forth to teach the students how to design and apply the ocean numerical model. The teaching of this course focuses on both theory and application of the ocean numerical model to aim at providing comprehensive talents for China’s maritime power and strategy. Based on the real teaching experience， problems in teaching of this course are pointed out， and the corresponding plans of teaching reform are made and applied in the process of teaching. These teaching reforms consummate the contents of the course and make this course more interesting， which motivates the students’ enthusiasm and increases their effective study. The exploration and application of teaching reforms contribute to achieving the goal of this course and some proposals for training comprehensive talents of oceanography are put forward.

Key words： Ocean Numerical Model and Its Application; teaching reform; comprehensive talents of oceanography