浅谈海洋要素计算及预报课程的实验教学

摘 要：本文首先介绍了海洋要素计算及预报实验课程设置的目的和意义，进而针对实验教学内容，提出了自主实验的创新教学方法，以此调动学生学习的积极性和主动性，加深对理论知识的理解和认知，从而提高整个课程的教学质量。

关键词：海洋要素；计算及预报；实验课程

海洋要素计算及预报是海洋科学和海洋技术专业重要的理论应用课程。开设该课程的目的是帮助学生熟悉潮汐潮流、波浪和海流的基本特征及计算原理，掌握潮汐和海流的预报分析及数值计算方法。此外，通过本门课程的学习，学生还可以掌握海水温度和盐度等水文资料的处理及质量分析方法。

实验教学内容的设置要注重理论和实践相结合。首先，实验课程和理论课程是统一的整体而不是分裂的两门课，实验课程也不是理论课程简单的重复，而是深化和拓展，这种深化和拓展不局限于知识体系，还包括研究手段。海洋动力模型是研究海洋动力要素的重要手段，是对海洋理论和观测结果的验证及进一步的推广。本实验课程的目的就是帮助学生熟悉和掌握国际通用的海洋动力模型，用于实际海域风生海流和潮汐潮流的数值模拟，并对模拟结果进行处理分析，培养学生以动力模型为手段设计数值实验、解决实际问题的能力。上述实验目的的达成还需要学生事先掌握运用Fortran和Matlab编程语言的技能，以及对数值计算方法或流体力学计算方法有系统的学习，并且能够熟练运用物理海洋学知识对计算结果进行分析。

一、实验原理和实验内容

风生海洋环流和潮汐潮流都是物理海洋学中重要的概念，分别揭示了在海面风场作用下海水大规模的稳定运动以及在天体引潮力作用下海水有规律的运动。风生海流和潮流理论对于解释海洋环境中的生物迁移、污染物分布等都具有指导作用。本实验项目就是以海洋动力模型为研究手段，探讨实际海域的风生海洋环流和潮汐潮流的典型特征，并将理论和观测结果进行对比分析，培养学生分析问题和解决问题的能力。

本实验课程是对海洋要素计算及预报课程理论知识的拓展，通过理论知识的学习，学生已经对海洋动力要素有了一定的感性认识。实验课程的内容就是针对实际海域给出风生海洋环流和潮汐潮流的定量描述。这不仅可以进一步加深学生对理论知识的理解，还可以帮助学生熟悉和掌握动力模型这种研究海洋的重要手段。

从这个意义上讲，实验课程的设置是很重要的，而且也是必要的。具体实验内容如下：

（1）帮助学生尽快掌握模型，包括熟悉模型的计算流程，海域开边界问题的处理以及输入输出文件的读取、保存等；

（2）给定风场和潮汐边界调和常数，让学生针对实际海域进行风海流和潮汐潮流的数值模拟，并对计算结果进行处理分析；

（3）确定若干实验题目（包括必做题和选做题），让学生自主设计相关数值实验，包括模型参数的修改、站点断面的选取等，完成题目所规定的研究内容。

二、创新实验教学方法

目前实验工具为国际上最为通用的普林斯顿海洋动力模型，该模型可直接用于海洋预报等业务化工作，并成为许多水质公司开发的商业软件的内核程序。本实验课程通过计算机完成，所采用的软件平台包含Fortran（模型计算用）和Matlab（数据处理和可视化用）。实验教学采用理论授课、动手操作和自主实验相结合的方法。

理论授课就是请从事海洋动力模型开发和应用的教师，给学生介绍海洋模型的结构流程等基本特征和应用技巧，使学生尽快熟悉模型系统的构架和计算流程。

动手实验是在教师指导下，让学生进行模型程序调试和运行，掌握模型主要参数的含义，开边界条件的处理和输入输出文件的读取保存。

自主数值实验是本实验课程的亮点和创新点所在，教师事先确定一些大的实验题目，内容涉及海洋要素计算及预报理论课的重要知识点，学生根据自己对理论课程的掌握情况自主选择相应的题目进行实验。所制定的题目包含必做题目和选做题目。必做题目相对简单，按照老师课堂介绍的操作步骤按部就班地执行即可完成；选做题只给题目，具体实验方案需要学生自主设计，在实验过程遇到困难老师可给予必要的指导，目的是最大限度调动学生的创造性和学习主动性。自主实验与传统实验相比具有综合性强的优点，无论是从教学的方法上，还是实验内容设计上，都有一定的创新性，而且能够最大限度地培养学生学习的主动性和分析问题、解决问题的能力。

实验教学内容的多样性还能够适应不同层次学生的学习情况，既保证了大多数学生的学习进度，也有利于拔尖学生在业务水平上的提高。

本文主要介绍了海洋要素计算及预报课程的实验教学内容和教学方法。在掌握理论知识和实验手段的基础上进行自主实验是本实验课程的核心亮点，这样可以充分调动学生的学习积极性，培养独立思考问题和解决问题的能力，对于学生今后走上工作岗位是有帮助的。

参考文献：

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[3]刘浩，胡松.物理海洋学的教学思考[J].教育教学论坛，2014（24）：104-105.

[4]刘浩，胡松，高郭平.浅谈物理海洋学专业的课程设置和人才培养[J].时代教育，2014（9）：34-34.

作者简介：刘浩（1972- ），男，博士，副教授，主要从事物理海洋学方面的教学和科研工作。