聶紅濤　李威　韓桂軍　陳儒　凌國維

[摘 要] 以學生為中心，以提升綜合素質能力為導向，依據“兩性一度”標準對海洋潮汐學課程進行了教學改革。通過優(yōu)化教學內容，貫通體現高階性;以問題為導向，采用啟發(fā)式教學體現創(chuàng)新性;重視實踐訓練，科教融合體現挑戰(zhàn)度;多方式考核方式融合，優(yōu)化考評體系，強化能力素質培養(yǎng)，促進課程教學質量和教學效果提升。實踐表明，本課程教學改革增強了學生學習的主動性，加深了對課程內容的理解和應用，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和科學思維方法，提升了學生解決復雜問題的綜合能力。

[關鍵詞] 兩性一度;啟發(fā)式教學;科教融合;綜合素質;海洋潮汐學

[基金項目] 2020年度天津市教委天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究計劃項目“‘三全育人’體系研究與實踐——探索以實踐教育推動‘三全育人’‘五育并舉’的學生培養(yǎng)新模式”（B201005601）

[作者簡介] 聶紅濤（1979—），男，湖北隨州人，博士，天津大學海洋學院海洋科學系副系主任，副教授，主要從事海洋環(huán)境動力學研究;李 威（1978—），男，天津人，博士，天津大學海洋學院海洋科學系系主任，教授（通信作者），主要從事業(yè)務化海洋學研究;韓桂軍（1970—），女，天津人，博士，天津大學海洋學院海洋科學系教授，主要從事海洋分析與預報研究。

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）04-0073-04 [收稿日期] 2021-06-02

人才培養(yǎng)是高等學校的核心使命，而課程建設是人才培養(yǎng)的基石。2018年11月，在第十一屆“中國大學教學論壇”上，教育部高等教育司司長吳巖提出了“兩性一度”金課建設標準[1]。加強一流本科教育，建設一流本科專業(yè)，需要建設一流的課程，打造具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的一流金課。為了滿足海洋強國戰(zhàn)略的需求，國內眾多高校加強了海洋科學類專業(yè)的建設，對海洋科學類相關課程的要求提升到了新高度。海洋潮汐學作為海洋科學類人才培養(yǎng)的核心基礎課程，需要注重學生創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)[2]，以滿足當前海洋強國戰(zhàn)略對培養(yǎng)復合型海洋創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

海洋潮汐學屬于經典的物理海洋學范疇。潮汐現象與沿海人類生活息息相關，從牛頓建立平衡潮理論起算，以數學和物理學為基礎對其進行研究，潮汐學形成一門系統的科學理論已有三四百年的歷史。海洋潮汐學既有以平衡潮理論為基礎的靜力學和以潮波動力方程為基礎的潮波動力學等理學內容，也有調和常數計算與潮位預報、海平面和海圖基準面、工程潮位等工程計算方面的工學內容，適合培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高階思維。作為海洋科學類專業(yè)核心基礎課，海洋潮汐學的課程目標是讓學生掌握潮波基本概念、形成機制、分析預報方法，以及初步的工程技術方法，掌握其中的調和分析預報方法和數值模擬方法是這門課的重中之重。

一、存在的問題

海洋潮汐學雖然屬于理學范疇，但是不同于其他的理學內容，對海洋潮汐學的科研和教學不能只停留在對海洋規(guī)律的認知和探究層面，而更應側重于應用海洋的規(guī)律進行分析預報，為國計民生、防災減災和國防安全等提供強有力的保障。當今，發(fā)達國家均高度重視以海洋分析和預報為宗旨的業(yè)務化海洋學研究，其首要服務對象就是各國的海軍、漁業(yè)部門，潮波（潮汐與潮流）的分析預報更是其中的重要內容。我國“海洋強國”建設和“一帶一路”倡議等國家戰(zhàn)略，需要大批能夠從事海洋分析預報工作的創(chuàng)新型人才。

然而，長期以來，潮汐學教學大多采用“我講你聽”方式開展，重理論教學輕實踐，缺乏分析預報和潮波數值模擬等編程環(huán)節(jié)的訓練，不能將潮汐學知識講授和學生實踐能力培養(yǎng)、綜合素質提升有機地融合，理論與應用脫節(jié)。在此種教學方式中，學生只能被動學習，學習積極性不高，缺乏將所學數學和物理知識應用于潮汐學的主動思考，對所學知識掌握不牢，更難以培養(yǎng)學生解決科研和工程實際問題的動手實踐能力，勢必造成“蜻蜓點水”，創(chuàng)新意識不強，自學能力不足[3]，很難滿足國家對海洋創(chuàng)新人才的需求。針對當前海洋潮汐學教學存在的問題，本教學團隊嘗試以“兩性一度”要求為標準，在教學內容、教學形式和考核方式等方面進行一系列的教學改革，并已取得了一定成效。

二、課程教學創(chuàng)新舉措

（一）自編教材，優(yōu)化教學內容，體現高階性

精簡教學內容、突出重點，以學生知識體系的構建和綜合能力的提升為前提，啟發(fā)學生應用所學高等數學、物理知識，理解潮汐的物理機制和計算方法。海洋潮汐學一般開設在大二年級下學年，學生已修過高等數學、線性代數、大學物理、海洋科學導論等預備知識，具有一定的知識儲備。因而，在自編海洋潮汐學教材的時候，將引潮力、引潮勢和平衡潮等內容歸并為一章，將太陽輻射潮、淺水分潮和固體潮歸并為一章，將相關天文知識、球面三角函數、數理方程求諧函數和傅里葉譜分析歸并到附錄，在潮波動力學中增加衛(wèi)星高度計潮汐信息提取和內潮波理論等海洋學前沿內容。通過整合教材內容，便于學生知識體系的構建，同時也使其具備一定的綜合應用和分析能力。在授課內容方面，在不降低課程難度的前提下，精簡教學內容、突出重點，以培養(yǎng)學生的高階思維能力為導向，精講潮汐理論以及科研和工程應用中最常用的重要知識。對于需要煩瑣公式推導但學生有能力推導的知識，串講推導過程，幫助學生理解;對于簡單的數學公式則不講推導過程而只講意義，學生自行推導，加深學生對理論概念的認識，培養(yǎng)學生的自學能力。按照大四年級或研究生階段的實踐能力培養(yǎng)標準，在大二階段，指導學生編程實現調和分析與潮波數值模擬，提升對潮波動力學的直觀認識。通過教材和教學內容的有機整合，可將學生知識學習和能力素質提升融為一體，著力培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

（二）以問題為導向，采用啟發(fā)式教學，體現創(chuàng)新性

注重知識的融會貫通，關注海洋潮汐學前沿，采用以問題為導向的啟發(fā)式教學方式，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生的科學思維方法和創(chuàng)新意識。創(chuàng)新性思維源于對知識的融會貫通，以及對問題的主動思考和勇于打破常規(guī)的思辨[4]。因此，本團隊注重講授大學數學、物理和海洋學等課程在知識和方法上的聯系，促進學生對知識的融會貫通能力。如在講述潮汐現象時，引入新聞報道某海灘因漲潮發(fā)生游客被困或者船舶擱淺事件，讓學生認識潮位變化的重要意義，同時引導學生思考為什么發(fā)生潮位變化，這種周期變化是什么導致的以及如何描述它，用到大學數學和物理的什么知識，實現以現象和問題為切入點，步步深入，引導學生思考。注重課堂互動，布置有趣的開放式問題，如“如果地球沒有自轉，地球上是否會有潮汐現象”“如果地月距離變?yōu)樵瓉淼囊话?，潮汐會有怎樣的變化”“僅考慮地月兩體系統，如果地球自轉與月球公轉同步，地球上是否會有潮汐現象”，等等，啟發(fā)學生主動運用大學數學和物理知識，分析潮汐形成機制;將社會上對科普知識認識有誤和民科觀點拿出來供學生思考，培養(yǎng)學生的思辨和數理應用能力;穿插講授基于衛(wèi)星遙感潮汐信息提取和內潮波以及潮汐對氣候變化的影響等海洋學前沿問題，激發(fā)學生的學習興趣，增強學生的專業(yè)認同感。

（三）科教融合，采用實踐性教學策略，體現挑戰(zhàn)度

優(yōu)化教學環(huán)節(jié)，授課前提出有趣的科學問題和有挑戰(zhàn)性的調和分析編程任務，令學生主動思考，帶著問題學習，倒逼學生增加課上和課下的互動。如布置具有挑戰(zhàn)性的長期水位資料調和分析編程大作業(yè)，穿插講授基本編程知識和技巧，以及偽代碼形式的基本編程邏輯，在微信群中發(fā)布相應的學習材料，安排學生分組通過團隊協作完成編程大作業(yè);在大二與大三年級之間的暑期，通過集中實踐，講授潮波動力學的部分知識，以及淺水波模型的數值離散格式，安排學生編程淺水波模型驗證所學潮波動力學知識，培養(yǎng)學生的自學、實踐能力。調和分析編程和潮波數值模擬編程均屬于挑戰(zhàn)度很高的實踐型任務，同時也與實際的科研應用密切相關，國內涉海高校大多未在本科階段開展此類訓練。本教學團隊系統分析了任務難度和本科生實踐的可行性，認為其雖然難度偏大，但有助于學生系統掌握知識，以及直觀理解海洋學知識，因此安排了此項訓練。采用自愿組合的原則，5～6人合成一個組，一共分成10個組。各組自行選出組長，組長根據每個組員的性格和能力指派任務，大家還要對結果和程序進行反復檢查，通過組內成員通力合作完成任務，鍛煉學生的實踐能力，同時培養(yǎng)學生的團隊協作精神。

（四）優(yōu)化考評體系，強化科研素質培養(yǎng)

注重學生學習過程的考核，始終以學生能力的培養(yǎng)和素質的提升為中心。對于潮汐學需要掌握的基礎知識，采用課堂隨機測驗的形式檢查學生的掌握情況，評估課程目標的階段達成度，根據掌握情況采取階段知識復習鞏固或者教學內容延伸、作業(yè)難度提升措施。此外，除了海洋潮汐學課程常規(guī)作業(yè)、課堂測驗和期末考試外，將編程大作業(yè)和集中編程實踐的紙質報告撰寫、PPT匯報和程序及結果展示均作為考評的一部分，將基礎知識學習和實踐應用綜合考核有機結合。教學實踐中安排了4課時的翻轉課堂，由各組組長進行不超過15分鐘的PPT匯報，可由組員適當補充。匯報內容包括任務解析、編程思路、程序代碼功能實現、各個組員任務分擔、組長現場演示程序等，不同組學生之間和教師進行現場質詢和評分。在這個以學生為主角的舞臺上，學生們都會認真匯報自己精心制作的PPT，面對教師和同學的質詢，表現出了充分的自信。通過這種方式，既訓練了學生的寫作和口頭表達等科研綜合素質，又增強了學生參與感，提升了課程趣味性，培養(yǎng)了學生的團隊協作和交流溝通能力。這種訓練使得學習本課程的學生在組建團隊參加大學生“挑戰(zhàn)杯”競賽時，展現了良好的科研素養(yǎng)和交流表達能力，通力合作，過關斬將，取得了不錯的成績。

三、教學改革效果

（一）科學設計教學實踐環(huán)節(jié)，提升學生的學習主動性和實踐能力

如何在保證課程內容具有一定挑戰(zhàn)度的前提下，讓學生不望而生畏，有信心、有動力去解決復雜問題，需要科學設計整個教學實踐環(huán)節(jié)。如本課程教學實踐任務之一，調和分析編程要求編寫包含4個主要半日潮、4個主要全日潮、3個主要淺水分潮和2個主要長周期分潮共13個分潮的調和分析程序，并采用一年的逐時水位資料進行調和分析，給出各個分潮的調和常數。在具體實施上，對任務進行分解讓學生理解求解的流程，包括查表計算各個分潮角頻率、天文初位相、交點因子和訂正角，采用最小二乘法構建代求解的線性方程組，利用所學的線性代數知識求解線性方程組，最后還要根據求解結果計算出平均水位和各個分潮的調和常數，通過階段任務的逐步完成讓學生有信心和動力完成整個任務。在任務分工上，學生自由組團，分工合作，發(fā)揮各自在方法設計、編程、文獻分析方面的特長，通過課堂討論、微信群交流等及時解決遇到的問題。同時，為了避免抄襲，要求學生從開源數據網站查找不同水位站不同年份的水位資料。編程語言不限，可以用Fortran、Python、C++或者MATLAB。

這項任務促使學生認真理解海洋潮汐學公式中每一項的含義，以及每個變量的具體計算細節(jié)，使得學生對所學知識掌握得更加牢固。算法中的線性方程組解法也促使學生回顧其在線性代數等課程中的所學。各組積極進行探索和編程計算，通過自學以及與教師在課堂上和微信群中的討論交流，90%的小組編程正確，并計算得出正確的調和分析結果。此項訓練調動了學生學習的積極性，提高了學生的自學能力、團隊協作能力、溝通交流能力，以及應用數理和海洋學理論的創(chuàng)新實踐能力。

（二）引導學生對知識進行融會貫通，激發(fā)本科生的創(chuàng)新性思維

以海洋潮汐學知識體系構建為基礎，注重高等數學、物理和海洋學等課程在知識和方法上的聯系，促進學生對知識的融會貫通能力;以不同觀點的探討，培養(yǎng)學生思辨和數理應用能力。在課程教學過程中設置了“潮汐潮流的應用設想”等開放式作業(yè)題，需要學生根據課上所學知識進行合理分析，并自行查找資料給出答案。啟發(fā)式教學與開放式作業(yè)題啟發(fā)了學生的創(chuàng)新性思維。在開放式作業(yè)中，學生“腦洞大開”，給出了很有意思的設計。例如有的學生在“潮流的應用設想”中考慮利用潮流輸送水雷偷襲錨在近海的敵艦，這一想法與二戰(zhàn)期間盟軍利用熱氣球借助大氣平流向德國遠程投彈的想法如出一轍。創(chuàng)新性教學效果還體現在調和分析編程實踐中，學生展現了良好的獨立思考和創(chuàng)新能力。有些組沒有采用教師所提供的求解線性方程的高斯消去算法，而是靈活運用在線性代數所學的知識，確定采用代數余子式方法，直接計算逆矩陣，同樣獲得了正確結論。

上述教學改革啟發(fā)了學生思路，使得本科生積極思考構建新穎的分析預報方法。在本教學團隊指導下，學生申請獲批1項國家級、2項市級和2項校級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目。通過科教融合，科研實踐育人，2018級本科生在國內地學領域T1級別期刊《海洋學報》上發(fā)表了第一作者論文《基于演化算符的南海海面高度異常中長期統計預報》，并獲得2021年“挑戰(zhàn)杯”天津大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃競賽自然科學類一等獎，目前已通過層層比拼進入天津市終審決賽。

四、總結

課程教學質量的提升是培養(yǎng)優(yōu)秀學生的關鍵基礎。在“雙一流”建設的背景下，要以學生為中心，以提升綜合素質能力為導向，遵循“兩性一度”標準深入開展海洋潮汐學課程創(chuàng)新設計與教學方法改革。采用啟發(fā)式教學，從基礎理論知識體系構建到高階性應用探討，將知識學習與生產實踐、科研前沿融合，不斷激發(fā)學生的興奮點，注重學生綜合素質提升的過程培養(yǎng)，獲得了良好的教學效果。

參考文獻

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[3]張大良.優(yōu)化課程體系，加強課程建設[J].中國大學教學，2018（12）：10-12+23.

[4]王智超.我國高校專業(yè)核心課程建設現狀分析[J].現代教育科學，2018（8）：117-122.

Teaching Reform and Practice in Marine Tidal Science Course According to the Standard of “High Stage， Innovation and Challenge”

NIE Hong-tao， LI Wei， HAN Gui-jun， CHEN Ru， LING Guo-wei

（School of Marine Science and Technology， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： Taking students as the center and improving the comprehensive quality and ability as the guidance， the teaching reform of Marine Tide is carried out according to the standard of “High Stage， Innovation and Challenge”. By optimizing the teaching content， “High Stage” is reflected through the connection. Questions are oriented， and heuristic teaching is adopted to reflect innovation. This paper attaches importance to practical training， and the integration of science and education reflects the challenge. In addition， the is paper integrates the multiple assessment methods， optimizes the assessment system， strengthens the cultivation of ability and quality， and promotes the improvement of curriculum teaching quality and teaching effect. Practice shows that the teaching reform of this course can enhance students’ learning initiative， deepen the understanding and application of the course content， cultivate students’ innovative consciousness and scientific thinking methods， and improve students’ comprehensive ability to solve complex problems.

Key words： “High Stage， Innovation and Challenge”; heuristic teaching; integration of science and education; comprehensive quality; Marine Tidal Science

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