以社會需求為導向進行近海環境數值模擬課程教學改革范文

　　【摘要】“近海環境數值模擬”是中國海洋大學環境科學與工程學院面向本科生開設的工作技能層面的課程。該課程需要基礎知識較多,學生普遍反映難學。本文以實際應用為導向,探討該門課程的教學內容和教學方法。教學實踐表明,本課程教學方法既提高了學生的基本技能,又加強學生對海洋環境動力過程和物質輸運機制的了解,為學生工作和繼續學習打下良好的基礎。

　　【關鍵詞】近海環境數值模擬 教學方法 社會需求為導向 基本技能

　　隨著現代科學技術的發展,計算機技術已廣泛應用于各行各業中,現在對一個大學畢業生,不僅要求有堅實的本領域的專業知識,而且有比較扎實的計算機知識[1],對海洋環境領域的畢業生而言更是如此。鑒于此,中國海洋大學環境科學與工程學院面向本科生開設了工作技能層面的課程:《近海環境數值模擬》,該門課程具有鮮明的海洋特色與多學科交叉特點,融合了本學科領域的部分最新科研成果,對培養海洋環保專業人才,具有重要的支撐作用,是我校環境科學專業培養本科生的特色課程之一。該課程要求具有寬厚的海洋動力學基礎,扎實的計算機編程的基本技能。國內部分高校根據本校優勢學科將計算流體力學等課程納入本科教學體系[3,4],但國內高校,面對本科生開設海洋環境數值模擬的課程很少,教學內容和教學方法都需要探索,對授課教師和學生是個挑戰,是學生普遍反映較難的課程。

　　本文以培養學生的數值模擬技能為目標,以解決海洋環保領域的實際問題為導向,探討《近海環境數值模擬》課程教學內容及教學方法。

　　1 課程教學內容

　　近年來海洋經濟快速發展,導致海洋環境問題日益突出,由于海水流動是受多種因素影響的復雜的系統,海洋環境問題的解決需要海洋環境領域的專門人才。為適應海洋環境保護領域對人才的需求,《海洋環境數值模擬》課程設置的內容以培養學生的基本技能適應社會工作需要為出發點,圍繞海洋環境領域實際需求,將教學內容和實際問題密切結合。

　　本課程分上、下兩部分,分別在第7和第8學期開設。上部分解決專業基礎和數值計算方法基礎理論。第一章緒論,論述課程內容、相關研究進展及其學習方法;第2章海洋運動控制方程;第3章海洋環境動力學經典方程;第4章數值計算方法基礎;第5章近海水動力學模型;第六章近海物質輸運模型;第7章海洋生態系統動力學模型原理。

　　下部分為潮汐、潮流和污染物質遷移擴散的數值模擬。第一章海洋環境問題;第二章近海潮汐潮流數值模擬;第三章污染物在近海的遷移擴散及預測;第四章非保守物質數值模擬;第五章近海環境容量及污染物總量控制技術。

　　2“近海環境數值模擬”課程設置內容的可行性分析

　　教學活動必須因材施教,注重授課對象的基礎知識和接受能力,在學生掌握的學科基礎上展開。《近海環境數值模擬課程》是海洋環境動力學方向的特色課程,海洋環境動力學方向的課程體系中若干門課程組成該門課程的基礎。中國海洋大學環境科學與工程學院海洋環境動力方向開設的核心課程及課程支撐體系如下:

　　(1)環境學基礎:環境科學概論(第一學期)、環境海洋學(第三學期)、生物海洋學(第六學期)等構成該課程海洋環境基礎。

　　(2)物理學基礎:大學物理(第二學期)、流體力學(第四學期)、物理海洋學(第五學期)等課程構成了該課程的物理、力學基礎,為學生了解海洋中各種物質輸運的過程和機制打基礎。

　　(3)數學基礎:高等微積分(第二學期)、數值計算方法(第六學期)、數學物理方法(第四學期)等課程為該門課程提供了算法設計和數值方法基礎。

　　(4)計算機基礎:大學計算機基礎(第一學期)、Fortran 程序設計(第三學期)、計算機在環境中的應用(第七學期)等課程提供了語言編程基礎。

　　(5)實驗及數值計算方法基礎:海洋環境調查實習(第六學期)、流體力學實驗(第四學期)、數值計算方法上機(第六學期)等課程提供數值試驗、海上試驗、數據分析等方面的技能。

　　上述課程共同構成了海洋環境數值模擬課程的支撐體系。海洋環境動力學方向的學生在掌握模塊核心內容的情況下,是可以接受本課程的教學內容的。

　　3 課程教學方法和教學技巧

　　3.1 授課內容以社會需求為導向、理論與實踐結合

　　由于國內缺少面向本科生的同類教材,教學內容和教學方法必須在教學過程中進行探索,海洋環境動力學方向的骨干教師形成教學團隊,緊緊圍繞社會需求,理論和實踐相結合,教學與科研相結合,并將最新科研成果納入教學體系。由于課程教學內容和社會需求緊密結合,學生學習過程中具有較大的主觀能動性。

　　3.2 加強數值試驗教學、培養學生動手能力

　　數值模擬也叫計算機模擬或數值試驗,通過數值計算和圖像顯示的方法,達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。對于本課程,結合海洋環境問題建立數值模擬平臺是關鍵環節,目前國內外有許多較為成熟的海洋數值模式,有商業化的軟件,如MIKE系列軟件,DELT 3D軟件等,商業化軟件費用昂貴,看不見源碼,不適合教學。教學團隊成員根據自身科研優勢,采用開放源程序如POM,ECOM,FVCOM等國際流行的海洋模式為基礎,經過適當改進建立起海洋環境領域常用的數值模擬程序,組成程序庫,用于海洋環境動力學數值模擬的教學。即增加學生的基本技能,又增加學生編程能力和模擬過程的了解。

　　3.3 實現分組學習、強化團隊意識

　　本課程需要基礎知識較多,學生對知識掌握的程度不同,海洋數值模擬涉及多學科交叉,包括數學、物理、化學、生物、計算機、海洋等學科,對一個本科生,很難獨立完成多領域的海洋數值模擬工作。本課程教學過程中進行分組教學,3-5名同學組成一個小組,在學習過程中互相探討,取長補短,形成濃厚的學習氛圍,并避免個別同學知難而退的情況,起到了提高學習,知識互補,增強團隊意識的教學效果。

　　3.4 課程考核形式

　　課程的考核形式是檢驗課程教學效果的重要一環。根據本課程的特點《近海環境數值模擬》(上)以讀書報告、平時作業、期末考試相結合。《近海環境數值模擬》(下)期末考試占50%,數值模擬報告(占50%)。實踐表明,注重學習過程中的考核,避免了學生考前突擊,減輕了學生考試負擔,豐富了學生的知識面,增強了學生的學習興趣。

　　4 結語

　　教學過程是個在探索中不斷完善的過程的,通過《近海環境數值模擬》(上,下)兩輪的教學實踐,本課程教學內容和教學模式基本成熟,學生學習興趣濃厚,反映效果良好,收到良好教學效果。在后面的教學中,我們將根據畢業學生在工作和繼續學習過程反饋的意見,繼續對教學內容和教學方法進行更新和完善,為海洋環境保護事業培養更多高素質專門人才。

　　參考文獻

　　[1] 吳耿鋒,顧雨民.吸收國內外新技術,創建有特色的課程-開設《數值方法與數字仿真》課程的幾點體會.教育與現代化. 1994,1:12-16.

　　[2] 孫文心,江文勝,李磊.近海環境流體動力學數值模型[M].科學出版社,北京,2004.

　　[3] 毛軍,熊艷,薛琳.實施計算流體力學本科教學的可行性分析[J].高等建筑教育,2003,12(2),46-52.

　　[4] 毛軍,薛琳,熊艷.在本科力學課程中引入計算力學內容的可行性分析[J].北方交通大學學報,2003,2(2):54-59.

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