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以社會需求為導向進行近海環(huán)境數(shù)值模擬課程教學改革范文
【摘要】“近海環(huán)境數(shù)值模擬”是中國海洋大學環(huán)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(huán)境動力過程和物質輸運機制的了解,為學生工作和繼續(xù)學習打下良好的基礎。
【關鍵詞】近海環(huán)境數(shù)值模擬 教學方法 社會需求為導向 基本技能
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,計算機技術已廣泛應用于各行各業(yè)中,現(xiàn)在對一個大學畢業(yè)生,不僅要求有堅實的本領域的專業(yè)知識,而且有比較扎實的計算機知識[1],對海洋環(huán)境領域的畢業(yè)生而言更是如此。鑒于此,中國海洋大學環(huán)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(huán)境數(shù)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(yǎng)海洋環(huán)保專業(yè)人才,具有重要的支撐作用,是我校環(huán)境科學專業(yè)培養(yǎng)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(jù)本校優(yōu)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(huán)境數(shù)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(zhàn),是學生普遍反映較難的課程。
本文以培養(yǎng)學生的數(shù)值模擬技能為目標,以解決海洋環(huán)保領域的實際問題為導向,探討《近海環(huán)境數(shù)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(jīng)濟快速發(fā)展,導致海洋環(huán)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(tǒng),海洋環(huán)境問題的解決需要海洋環(huán)境領域的專門人才。為適應海洋環(huán)境保護領域對人才的需求,《海洋環(huán)境數(shù)值模擬》課程設置的內容以培養(yǎng)學生的基本技能適應社會工作需要為出發(fā)點,圍繞海洋環(huán)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(yè)基礎和數(shù)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(huán)境動力學經(jīng)典方程;第4章數(shù)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(tài)系統(tǒng)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(shù)值模擬。第一章海洋環(huán)境問題;第二章近海潮汐潮流數(shù)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(shù)值模擬;第五章近海環(huán)境容量及污染物總量控制技術。
2“近海環(huán)境數(shù)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�！督－h(huán)境數(shù)值模擬課程》是海洋環(huán)境動力學方向的特色課程,海洋環(huán)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(huán)境科學與工程學院海洋環(huán)境動力方向開設的核心課程及課程支撐體系如下:
(1)環(huán)境學基礎:環(huán)境科學概論(第一學期)、環(huán)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(huán)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(shù)學基礎:高等微積分(第二學期)、數(shù)值計算方法(第六學期)、數(shù)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(shù)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(huán)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(shù)值計算方法基礎:海洋環(huán)境調查實習(第六學期)、流體力學實驗(第四學期)、數(shù)值計算方法上機(第六學期)等課程提供數(shù)值試驗、海上試驗、數(shù)據(jù)分析等方面的技能。
上述課程共同構成了海洋環(huán)境數(shù)值模擬課程的支撐體系。海洋環(huán)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(huán)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(shù)值試驗教學、培養(yǎng)學生動手能力
數(shù)值模擬也叫計算機模擬或數(shù)值試驗,通過數(shù)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(huán)境問題建立數(shù)值模擬平臺是關鍵環(huán)節(jié),目前國內外有許多較為成熟的海洋數(shù)值模式,有商業(yè)化的軟件,如MIKE系列軟件,DELT 3D軟件等,商業(yè)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(jù)自身科研優(yōu)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(jīng)過適當改進建立起海洋環(huán)境領域常用的數(shù)值模擬程序,組成程序庫,用于海洋環(huán)境動力學數(shù)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(xiàn)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(shù)值模擬涉及多學科交叉,包括數(shù)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(shù)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(huán)。根據(jù)本課程的特點《近海環(huán)境數(shù)值模擬》(上)以讀書報告、平時作業(yè)、期末考試相結合�！督－h(huán)境數(shù)值模擬》(下)期末考試占50%,數(shù)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(huán)境數(shù)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(jù)畢業(yè)學生在工作和繼續(xù)學習過程反饋的意見,繼續(xù)對教學內容和教學方法進行更新和完善,為海洋環(huán)境保護事業(yè)培養(yǎng)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(chuàng)建有特色的課程-開設《數(shù)值方法與數(shù)字仿真》課程的幾點體會.教育與現(xiàn)代化. 1994,1:12-16.
[2] 孫文心,江文勝,李磊.近海環(huán)境流體動力學數(shù)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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