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摘要：针对《物理海洋学》课程理论性强、内容抽象的特点，对课程的授课方法进行了改革和实践。通过若干个数值实验，将教师讲授的教学模式改变为学生研究探索为主教师讲授指导为辅的教学模式，实现了教师为主导-学生为主体的研究型教学，培养了学生的专业兴趣及其利用物理海洋学的理论知识开展研究和实践的能力，提升了本课程的教学效果。
关键字：物理海洋学；数值实验；研究型教学
本文引用格式：邬丽丹，等.基于数值实验的《物理海洋学》课程教学改革研究与实践[J].教育现代化,2019,6(27):57-59,73.
一引言
理工科大学生在专业课的学习过程中，传统教学方法多采用教师课堂讲授、学生被动听讲为主的教学模式，且由于教师在讲授的过程中往往侧重理论分析，对学生的数学基础和抽象思维能力有比较高的要求，从而导致学生主动学习的积极性不高、畏难厌学情绪增浓，教师的积极性也大大受挫，最后将影响学生对基础理论的理解与专业知识的掌握，以及分析、解决实际问题的能力的达成[1,2]。
信息技术的深入发展和应用，为改变传统教学方法提供了新思路、新手段和新方法，甚至改变传统的教学模式，促进教育的结构性变革。比如：生动活泼的多媒体课件、慕课改变了单一的黑板板书的教学；翻转课堂有利于学生形成自主学习的模式；数值实验则有利于学生开展探索性学习。数值实验一方面可以将抽象的理论分析、数学方程形象化，为学生理解基础理论和掌握专业知识提供了方法，降低了认知的难度[2,3]；另一方面可让学生积极参与、乐于探索、勤于动手，致力于培养学生分析和处理各种问题的能力，为学生成为课堂的主体创造了必要的学习环境和条件[1,4]。
《物理海洋学》是海洋类专业的核心课，是涉海类课程的基础课[5,6]。该课程理论性非常强，传统上，要求学生有扎实的数学物理基础，因此，往往只有很少一部分的学生才有可能从课程中领略地球流体动力学的魅力[7]。为了让学生学好《物理海洋学》课程，教学上普遍的做法是加强学生在数学物理方面的基本功。这种方法能使学生更好地利用数学方法理解《物理海洋学》所描述的物理过程[8]。我校“海洋技术”专业的数理课程课时量与其他一些涉海类高校相比开设得相对较少，因此，我校学生在学习该课程的过程中所面临的挑战也更大。
针对目前我校“海洋技术”专业的特点，为了改变学生学习《物理海洋学》课程兴趣不高，积极性不足、看不懂学不会、分析解决问题能力缺乏锻炼的状况，我们在该课程的理论教学中引入了“数值实验”。在“数值实验”的教学环境下，学生只需涉及较少的数学知识，掌握本课程的学习内容和方法，探索海洋的各种动力过程，领悟海水运动中的物理本质。通过一个学期的教学实践表明，“数值实验”的教学环境有利于实现“教师主导-学生主体”的研究型教学模式，在解决该课程教学难点过程中，通过学生在课堂上的探索性学习，能使抽象的理论教学形象化，从而顺利突破教学上的难点，达成课程的各项教学目标。
二 教学模式
（一）教师发挥主导作用，精心策划教学过程
为了能让学生在《物理海洋学》的课堂上投入到学习、探索、分析和解决问题的学习过程中，实现“教师为主导-学生为主体”的研究型教学模式，教师需要在课前、课中和课后发挥主导作用，对课前、课中和课后的教学内容和教学行为进行设计。主要分为以下几个步骤：
1.分析教学内容。教师根据《物理海洋学》各个章节的教学内容，选择教学方式。并非所有的章节的教学内容都适合引入“数值实验”。在《物理海洋学》中，主题明确，理论性强实践性也强，能够充分发挥学生主观能动性的教学内容更能充分体现“数值实验”研究型教学的优越性。
2.数值建模。教师根据确定的主题中的知识点内容和要求分析问题，编写程序，建立数值模型。
3.数值实验界面设计。设计并实现数值实验软件界面，包括实验参数设置、模拟结果绘图以及动画演示等，便于学生在课堂上学习。
4.课堂活动设计。根据“数值实验”对应的教学内容，编写《物理海洋学数值实验指导书》。在指导书中，既有理论知识点提要，也有实验任务要求。根据理论知识点要掌握的物理过程和现象来设计实验任务。引导学生依据指导书的提示，使用数值实验软件完成相应的任务，分析海洋现象和过程，回答相应的问题，从而掌握理论知识点对应的教学内容。
5.课堂中的主导作用。课堂是实现教师发挥主导作用的地方，为此，在引入“数值实验”的过程中，教师在课堂上的任务是：1）精讲必要的理论知识，理顺逻辑关系，讲解重点和难点；2）为学生提供数值模拟软件作为其课堂学习的资源和环境；3）学生在课堂中根据《数值实验指导书》的要求开展“数值实验”时，引导学生对课程知识的内化及独立探索；4）当学生碰到疑难问题时，与学生讨论交流，答疑解惑。
6.提出实验报告的评分要求，引导学生独立完成实验报告。数值实验的评分由4个部分组成：1）理论知识的掌握情况；2）实验结果的分析情况，包括图和文字分析；3）实验的结论和讨论情况。4）文稿撰写是否规范。
以上六个步骤，是教师将“数值实验”引入《物理海洋学》课程教学中发挥主导作用的基本过程。
（二）学生实现学习主体性，乐于学习敢于探索
引入“数值实验”的《物理海洋学》课程要求学生在课前开展预习。教师在课前会发布预习要求。通过预习，使学生初步了解教学内容的逻辑思路和关系，发现学习的重点和难点。
在课堂上，通过教师对知识点的精讲，学生进一步理解了本课学习内容及其重点和难点。在此基础上，学生在指导书的提示下，开展“数值实验”，观察实验现象，分析现象所揭示的物理机制。“数值实验”将数学方程上各个重要参数对物理过程的影响设计到一个一个具体的任务中，将这些参数所控制的物理过程形象地展现出来，从而化晦涩难懂为简明易学，攻克了那些看上去复杂的数学方程的理解。
学生在开展“数值实验”时，既要知道实验参数的物理意义，又要分析模拟结果表现的物理现象和过程及其形成的机制。因此，在做数值实验的过程中，学生沉浸于边观察，边思考，边分析，边总结的学习氛围中。在这样的学习氛围里，学生掌握了教学大纲要求的知识点的内容，培养了学生识记能力、理解能力、应用能力、分析和表达能力等各种综合能力。
（三）讨论交流，答疑解惑，提升学生专业知识和能力
在教学过程中，除了学生个人独立学习之外，本课程还加强了讨论交流和答疑解惑，后者在帮助学生突破难点，提升对知识点的理解程度上起着关键的作用。
将“数值实验”引入《物理海洋学》课程，学生在开展数值实验的过程中，会存在各种各样的问题，因此，课堂上自然就形成了学生之间、师生之间的交流讨论的氛围。学生在课堂上遇到的实实在在需要解决的问题，启发他们的思考，让他们认识到自己对某一知识点的理解不足；而思考过程中的交流和讨论，则有利用学生形成积极的思考的习惯；教师的答疑解惑，能及时清除学生在学习上的障碍，帮助学生完成一个又一个的学习任务，这有利于培养学生的学习兴趣，提升学习的成就感，成就感进一步转化为学生学习的动力。
除了“数值实验”过程中，实时解决学生主动提出的各种问题之外，在学生提交实验报告以后，安排一次综合的讨论课。这次课针对学生报告中呈现出来的主要问题开展，针对性强，以弥补之前课堂教学中在解决教学重点和难点时的不足。因此，这次讨论课，又可称之为查缺补漏课。它主要针对三个问题：一是解决学生在理论知识理解上的缺漏；二是解决学生对各种物理参数的理解的偏差，包括参数之间的逻辑关系以及参数所表达的物理机制；三是解决学生在分析和总结物理现象和过程中的表达能力和专业术语应用上的问题。通过讨论课的查漏补缺，学生扫除了知识的盲点，抓住了学习的重点，培养了分析问题的能力。
三 教学案例
（一）教学内容安排
《物理海洋学》课程总共安排了三个主题的数值模拟实验，分别为：海流、海浪和潮汐。三个主题又由若干个各自独立又循序渐进的实验构成。以“海流”主题为例，该主题共开展了4个实验，分别为：惯性流、Ekman漂流、地转流和底流。根据不同的受力情况，从简单到复杂，四个实验的逻辑关系如图1所示。
（二）“惯性流”实验
下面以“惯性流”实验为例，介绍“数值实验”流的运动轨迹的周期和半径的影响。学生在数值实惯性流的数值实验指导书分为两部分：一是理论知识；二是数值实验任务，包括数值实验的结果和分析。
在理论知识部分，要求学生根据课本的内容回答几个问题：1）惯性流的流速的理论解；2）惯性流的水质点轨迹公式；3）惯性流水质点运动的半径公式；4）惯性流水质点运动的周期公式；5）当惯性流速度为某一固定值时，计算不同纬度惯性圆的周期和半径。
在理论知识的基础上，设计了五组“惯性流”的数值实验，分别研究和讨论如下内容：1）南北半球对惯性流流运动轨迹的影响；2）惯性流速度变化对周期和半径的影响；3）纬度变化对周期和半径的影响：4）背景流对惯性流的影响：5）摩擦力对惯性验软件界面（如图2）输入相关参数即可观察研究上述问题。
通过数值实验的研究和讨论，使得惯性流抽象的理论知识变得具体、生动、形象和有趣，加深了学生对物理概念的理解，培养了学生的物理直觉。
四结语
《物理海洋学》数值实验的目的是让学生理解物理海洋学的理论知识，掌握分析和解决海洋动力学问题的方法和思路。因此，完成“数值实验”不要求学生具备很高的计算机技能，即使不会编程的学生也可以自如地开展实验。通过“数值实验”，使得理论性非常强的《物理海洋学》课程变得充满学习和探索的乐趣，从而切实提高教学的实际效果。《物理海洋学》课程开展“数值实验”教学，需要教师在课前花费较多的时间和精力去准备数值实验指导书、数值实验报告及数值实验教学软件。这一过程是教师在课堂营造研究型教学环境的基础，是必要环节。实验过程中，教师及时解答学生的问题有利于学生顺利开展相关的实验，提升学生学习和探索的积极性。而对学生的数值实验报告进行深入的剖析，是提升学生对专业知识理解和掌握水平的重要契机。
循序渐进地开展物理海洋学的数值实验，一方面提高了学生专业学习兴趣，另一方面培养了学生理论分析和实践的能力。经过实际教学的实践检验，在教学过程中开展数值实验，是《物理海洋学》教学改革的一条可行思路。
参考文献
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