王輝贊+黎鑫+劉科峰+葛珊珊

摘要：《海洋環(huán)流》課程主要描述海水氣候式平均運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是目前國(guó)內(nèi)外海洋科學(xué)領(lǐng)域較為普遍開設(shè)的課程。本文基于講授海洋環(huán)流課程的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，論述了教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的思考，強(qiáng)調(diào)海洋環(huán)流教學(xué)內(nèi)容需要與先期預(yù)修課程進(jìn)行區(qū)別和銜接，增加教學(xué)內(nèi)容編程實(shí)踐和仿真模擬內(nèi)容，著重提升學(xué)員綜合素質(zhì)能力。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)流；教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化；編程實(shí)踐；綜合素質(zhì)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）08-0146-02

一、引言

海洋是一個(gè)復(fù)雜的大流場(chǎng)，天體、大氣、地球以及海洋自身的各種因素都會(huì)驅(qū)動(dòng)海水產(chǎn)生各種不同時(shí)空尺度的流動(dòng)現(xiàn)象。海洋環(huán)流通常是指海水氣候式平均運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，屬于一種大時(shí)空尺度的海水運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，它不包括中尺度的潮流、風(fēng)暴流以及小尺度的浪流等內(nèi)容。海洋環(huán)流是海洋科學(xué)研究的核心問題，關(guān)系世界大洋溫度、鹽度、密度等要素場(chǎng)和海洋中物質(zhì)、動(dòng)量、能量的再分布，是生物地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是調(diào)節(jié)全球氣候變化的重要分量，掌握其基本變化特征和主要變化原因具有重要的意義。目前，海洋環(huán)流作為海洋科學(xué)的重要基礎(chǔ)，該課程在國(guó)內(nèi)外海洋科學(xué)領(lǐng)域開設(shè)較為普遍。解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院的海洋環(huán)流課程是為軍事海洋學(xué)專業(yè)本科學(xué)員而開設(shè)，該課程主要介紹世界大洋不同流系基本變化特征和闡述導(dǎo)致大洋環(huán)流變化的動(dòng)力、熱力原因，是關(guān)于海洋環(huán)流知識(shí)的一門系統(tǒng)性課程。下面基于本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)講授本課程的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，淺談?wù)n程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)方法改革方面的探索。

二、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)

海洋環(huán)流課程的開設(shè)目的是通過課程學(xué)習(xí)，著力培養(yǎng)學(xué)生成為海洋科學(xué)專業(yè)人才必備的專業(yè)知識(shí)，提升理論水平，拓展背景知識(shí)，開闊視野和思路角度，提高以動(dòng)力學(xué)方法解決海洋環(huán)境預(yù)報(bào)保障中處理實(shí)際問題的能力，并為學(xué)員向其他學(xué)科領(lǐng)域擴(kuò)展打下基礎(chǔ)。由于授課對(duì)象為本科學(xué)員，因此授課內(nèi)容不宜過深，但目前國(guó)內(nèi)已有的適合本科學(xué)員教學(xué)的海洋環(huán)流方面的專著或教材較少。因此，經(jīng)過課程團(tuán)隊(duì)討論研究，我們根據(jù)幾本主要的輔助書籍和相關(guān)文獻(xiàn)資料作為參考，自編了“海洋環(huán)流”講義。輔助書籍主要包括：（1）Evelyn Brown等編著的“Ocean Circulation（Second Edition）”；（2）GeroldSiedler等編著的“Ocean Circulation and Climate，A 21st Century Perspective”；（3）John Marshall等編著的“Atmosphere，Ocean and Climate Dynamics：An Introductory Text”。

本課程的授課學(xué)期為第7學(xué)期，授課時(shí)間為20個(gè)學(xué)時(shí)，該專業(yè)學(xué)員在已經(jīng)預(yù)修過“流體力學(xué)”、“海洋科學(xué)導(dǎo)論”、“物理海洋學(xué)”和“區(qū)域海洋學(xué)”等課程的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)本課，其中涉及到與海洋環(huán)流部分內(nèi)容相關(guān)的課程。已開設(shè)的《流體力學(xué)》側(cè)重于流體運(yùn)動(dòng)受力角度；《海洋科學(xué)導(dǎo)論》側(cè)重于地轉(zhuǎn)流、風(fēng)生流和升降流的知識(shí)概要介紹；《物理海洋學(xué)》側(cè)重于環(huán)流理論的公式推導(dǎo)，對(duì)實(shí)際大洋環(huán)流運(yùn)動(dòng)內(nèi)容涉及較少；《區(qū)域海洋學(xué)》側(cè)重于介紹世界大洋和中國(guó)近海溫鹽流等要素特征介紹。因此，在授課內(nèi)容安排設(shè)計(jì)時(shí)要注意將授課內(nèi)容與預(yù)修課程的側(cè)重點(diǎn)區(qū)分開來(lái)。

根據(jù)對(duì)學(xué)員預(yù)修課程基礎(chǔ)的掌握和課程包含內(nèi)容的理解，根據(jù)20個(gè)學(xué)時(shí)（10次課，每次2個(gè)學(xué)時(shí)）的安排，課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)大體分為四個(gè)部分：一是緒論部分（安排2個(gè)學(xué)時(shí)），二是世界大洋主要流系部分（安排8個(gè)學(xué)時(shí)），三是風(fēng)生環(huán)流部分（安排6個(gè)學(xué)時(shí)），四是熱鹽環(huán)流部分（安排4個(gè)學(xué)時(shí)）。另外，為加強(qiáng)學(xué)員對(duì)授課內(nèi)容的理解，還增加了基于課堂教學(xué)內(nèi)容的課后編程實(shí)踐和仿真，增強(qiáng)學(xué)員的實(shí)踐能力。

具體起來(lái)，教學(xué)內(nèi)容主要進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1.緒論部分，主要介紹海洋環(huán)流的定義和意義，海洋環(huán)流的驅(qū)動(dòng)源，海洋環(huán)流觀測(cè)和理論研究的歷史，地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡關(guān)系，海洋的基本特征（溫度場(chǎng)、鹽度場(chǎng)、混合層、溫躍層、風(fēng)場(chǎng)、熱通量、淡水通量）以及海洋環(huán)流大洋流系分布。通過“MH370飛機(jī)失事地點(diǎn)位于南印度洋東部，現(xiàn)殘骸在非洲東部法屬留尼汪島發(fā)現(xiàn)”和“1萬(wàn)多只玩具鴨組成的鴨子艦隊(duì)，歷經(jīng)14年從太平洋國(guó)際日期變更線附近到達(dá)英國(guó)西海岸”等事例，引出海洋環(huán)流學(xué)習(xí)和研究的基本概念、重要意義，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)熱情；介紹海洋環(huán)流觀測(cè)和理論研究的歷史，使得學(xué)員了解學(xué)科發(fā)展研究的脈絡(luò)，增強(qiáng)對(duì)觀測(cè)歷史和理論研究歷史的了解，提高對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣；介紹海洋的基本特征，包括溫鹽要素，混合層、溫躍層以及大洋流系等基本分布特征，使得學(xué)員能夠初步了解海洋的基本圖像；通過引入地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡關(guān)系，介紹動(dòng)力方程在解釋實(shí)際環(huán)流中的作用，使得學(xué)員初步掌握將所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的能力，提高學(xué)習(xí)熱情。

2.世界大洋主要流系部分，主要介紹太平洋、大西洋、印度洋、南大洋和北冰洋主要流系，以及與之相對(duì)應(yīng)的大氣和海洋各要素的分布特征。流系主要包括黑潮、親潮（千島寒流）、赤道流系、副熱帶逆流、加利福尼亞流、東澳大利亞海流、秘魯海流（洪堡德寒流）、灣流、巴西海流、馬爾維納斯（?？颂m）海流、加那利海流、本格拉海流、索馬里海流、阿古拉斯（馬達(dá)加斯加）海流、莫桑比克海流、東馬達(dá)加斯加海流、印尼貫穿流、西澳大利亞海流、利文（Leeuwin）流、南極繞極流、北冰洋平均環(huán)流，其中黑潮、親潮、灣流、赤道流系、索馬里海流、阿古拉斯（馬達(dá)加斯加）海流、利文（Leeuwin）流和南極繞極流等作為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行介紹。通過介紹各大洋的基本流系的平均結(jié)構(gòu)、時(shí)空變化特征，使得學(xué)員能夠掌握流體的基本運(yùn)動(dòng)特征，在從事海洋環(huán)境預(yù)報(bào)保障業(yè)務(wù)時(shí)能夠熟練的應(yīng)用環(huán)流的基本特征。

3.風(fēng)生環(huán)流部分，主要介紹風(fēng)應(yīng)力和Ekman層，Ekman抽吸在內(nèi)部大洋的作用結(jié)果，Sverdrup理論，層結(jié)和地形的作用，斜壓不穩(wěn)定作用內(nèi)容。通過現(xiàn)象闡述和公式推導(dǎo)，基于海洋中觀測(cè)到的流動(dòng)現(xiàn)象，引出海洋Ekman抽吸和Sverdrup理論模型，使學(xué)員了解將實(shí)際問題進(jìn)行合理抽象與理想化的原則和方法。通過本章的學(xué)習(xí)，使得學(xué)員能夠掌握動(dòng)力學(xué)方法對(duì)海洋的基本特征進(jìn)行定性的闡述，通過課堂討論和設(shè)置作業(yè)，考查學(xué)員利用所掌握的知識(shí)分析實(shí)際問題的能力。

4.熱鹽環(huán)流部分，主要介紹海氣通量和海表面特征，溫鹽環(huán)流的觀測(cè)，溫鹽環(huán)流的動(dòng)力模型，底層環(huán)流的觀測(cè)，以及海洋的熱力收支和輸送，海洋淡水輸送。通過現(xiàn)象闡述、實(shí)物圖片展示和錄像播放，介紹海洋環(huán)流的另一種產(chǎn)生的主要過程，即浮力作用，包括熱力通量和淡水通量；通過一部電影《后天》引入全球熱鹽環(huán)流的基本特征，以及在全球氣候變化中的重要作用；通過熱鹽環(huán)流的基本時(shí)空變化特征介紹，讓學(xué)員認(rèn)識(shí)其在調(diào)節(jié)全球氣候變化中的重要作用；通過溫鹽環(huán)流的動(dòng)力模型的闡述，使學(xué)員了解將實(shí)際問題進(jìn)行合理抽象與理想化的原則和方法。通過本章的講授，使得學(xué)員能夠掌握環(huán)流的熱力學(xué)因素，增強(qiáng)學(xué)員提出問題、分析問題和解決問題的能力。

5.編程實(shí)踐和仿真模擬部分，主要通過Matlab和Fortran的編程實(shí)踐，基于Drifter等漂流浮標(biāo)資料、OSCAR等海表流場(chǎng)資料、海面高度計(jì)反演的海表流場(chǎng)資料以及SODA等模式模擬海表流場(chǎng)資料，對(duì)大洋流系的空間分布和季節(jié)年際變化特征進(jìn)行分析，簡(jiǎn)要計(jì)算風(fēng)生環(huán)流和熱鹽環(huán)流相關(guān)特征量，繪制相關(guān)現(xiàn)象和特征的圖像。同時(shí)，基于海洋環(huán)境仿真軟件和物理海洋虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)員自設(shè)條件和參數(shù)，仿真模擬海洋環(huán)流特征。通過編程實(shí)踐和仿真模擬，增強(qiáng)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)員動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)員對(duì)海洋環(huán)流的理解，構(gòu)建對(duì)海洋環(huán)流的直觀圖像顯示。

三、小結(jié)

本文基于我?！昂Ｑ蟓h(huán)流”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的課程講授，就如何進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索。強(qiáng)調(diào)海洋環(huán)流教學(xué)內(nèi)容需要與先期預(yù)修課程進(jìn)行區(qū)別銜接，增加編程實(shí)踐和仿真模擬內(nèi)容，著重提升學(xué)員綜合素質(zhì)能力。通過課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)從知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)員學(xué)習(xí)的激發(fā)者、組織者和引導(dǎo)者，使學(xué)員積極、有效利用學(xué)習(xí)時(shí)間、機(jī)會(huì)和各類資源，學(xué)習(xí)探索海洋環(huán)流知識(shí)及其產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用過程，掌握海洋環(huán)流的基本原理、基本方法、基本技能，培養(yǎng)具有寬厚、堅(jiān)實(shí)的科學(xué)文化知識(shí)體系和開放、創(chuàng)新的科學(xué)技術(shù)潛質(zhì)，具備從事軍事海洋水文氣象預(yù)報(bào)保障工作的業(yè)務(wù)能力與素養(yǎng)，為海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)人才培養(yǎng)打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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