李 成

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088）

眾所周知，海洋是一個(gè)多尺度動(dòng)力過(guò)程共存的復(fù)雜系統(tǒng)，包括：大尺度環(huán)流、中尺度渦旋、亞中尺度運(yùn)動(dòng)、中小尺度內(nèi)波、微尺度混合等?；旌鲜峭ㄟ^(guò)某種或某幾種動(dòng)力過(guò)程使得具有不同性質(zhì)（如熱量、濃度、動(dòng)量等）的海水微團(tuán)緊密結(jié)合，進(jìn)而通過(guò)分子擴(kuò)散消除它們之間的差異，最終使海水性質(zhì)趨向均勻的一種普遍運(yùn)動(dòng)形式。海洋混合可分為沿等密度面混合（水平方向）和跨等密度面混合（垂直方向）兩種，沿等密度面混合（約為103m2/s）要比跨等密度面混合（大洋中約為10-5m2/s）大多個(gè)量級(jí)[1][2]。通常情況下，海水性質(zhì)的垂向梯度顯著大于水平梯度，因而，人們更加關(guān)注海洋的垂向混合過(guò)程。海洋中各種尺度運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性可產(chǎn)生湍流，湍流具有運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)性、物質(zhì)擴(kuò)散性及能量耗散性等特點(diǎn)，由海洋湍流引起的混合稱為湍流混合，它是海水混合最重要的形式。此外，雙擴(kuò)散是海洋中不同水團(tuán)交匯處觸發(fā)混合的重要過(guò)程，即由于分子熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于分子鹽擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)層結(jié)穩(wěn)定的海洋中出現(xiàn)溫度或鹽度的不穩(wěn)定垂向分布時(shí)，便可引起自由對(duì)流，其形式包括垂向的鹽指（暖而咸的海水位于冷而淡的海水之上）、擴(kuò)散對(duì)流（冷而淡的海水位于暖而咸的海水之上）和水平方向的熱鹽入侵（兩側(cè)溫鹽差異顯著）[3-4]。

海洋混合是海洋能量由大尺度到小尺度直至耗散的級(jí)串過(guò)程中至關(guān)重要的一環(huán)，它對(duì)于維持海洋的熱力學(xué)平衡有著非常重要的作用，進(jìn)而可影響大尺度的運(yùn)動(dòng)。從全球范圍而言，海洋混合是調(diào)控大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的關(guān)鍵因素，同時(shí)對(duì)，海洋物質(zhì)和能量輸運(yùn)、生態(tài)環(huán)境及全球氣候變化具有重要作用[5][6]?；谌蚰芰抗浪?，人們認(rèn)為大約需要2 TW的能量來(lái)維持大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的現(xiàn)有強(qiáng)度，即主溫躍層以下的平均混合率需達(dá)到10-4m2/s的強(qiáng)度。此后學(xué)者們?cè)噲D從觀測(cè)方面對(duì)10-4m2/s這一經(jīng)典結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，然而在遠(yuǎn)離邊界的大洋中觀測(cè)到的混合率僅為10-5m2/s，這意味著在海洋中必然存在一些強(qiáng)混合海區(qū)。因而尋找海洋中的強(qiáng)混合區(qū)、探究引起混合增強(qiáng)的相關(guān)機(jī)制，成了一段時(shí)期內(nèi)混合研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，最終通過(guò)對(duì)混合過(guò)程及其影響機(jī)制的不斷深入認(rèn)知，來(lái)改進(jìn)和完善混合的參數(shù)化方案，服務(wù)于環(huán)流和氣候模式[7-8]。

對(duì)于物理海洋學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的研究生，海洋混合是必備的重要課程，本文提出了對(duì)海洋學(xué)課程的發(fā)散式教學(xué)初探，主要包括：在授課過(guò)程中根據(jù)課程的核心內(nèi)容凝練授課思路和進(jìn)程，盡可能滿足由易到難、由抽象到具象、由認(rèn)知到應(yīng)用的特點(diǎn)；基于學(xué)生已有的知識(shí)積淀出發(fā)，采用靈活多變、符合當(dāng)代學(xué)生興趣點(diǎn)的方式進(jìn)行教學(xué)引導(dǎo)，注重激發(fā)學(xué)生聯(lián)想思維、舉一反三；讓學(xué)生多動(dòng)手真正成為課堂的主人公，注重對(duì)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，而不是以往的默默旁聽，被動(dòng)記憶。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生達(dá)到掌握海洋科學(xué)中各領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論。培養(yǎng)學(xué)生具有一定海洋思維意識(shí)和海洋創(chuàng)新技能，掌握風(fēng)、浪、流、潮汐和海水等海洋基本要素等專業(yè)知識(shí)，具備基本海洋專業(yè)素質(zhì)。

一、主次明晰，合理分配學(xué)習(xí)時(shí)間

海洋混合是一門多學(xué)科體系交叉的內(nèi)容十分豐富的課程，是多門類多尺度知識(shí)的有機(jī)融合，因此，對(duì)課程的核心內(nèi)容進(jìn)行凝練，突出主次，合理延伸對(duì)于課程的教學(xué)就變得十分重要。作者根據(jù)對(duì)海洋混合近些年來(lái)最前沿的發(fā)展動(dòng)態(tài)和科研進(jìn)展，以及實(shí)際對(duì)海洋混合過(guò)程開展的海上觀測(cè)研究，分析出海洋混合課程需要學(xué)生們掌握的精華，并基于對(duì)不同知識(shí)掌握程度的不同進(jìn)行層次劃分，也便于讓學(xué)生集中力量學(xué)習(xí)核心要素，下面給出部分章節(jié)的提煉后的課程精華要素：

1.了解湍流觀測(cè)方式，理解波動(dòng)與混合的關(guān)系、混合的過(guò)程、能量級(jí)串；掌握湍流混合通量、Kolmogorov尺度、湍能譜、湍動(dòng)能耗散率的觀測(cè)及估計(jì)。

2.了解雷諾實(shí)驗(yàn)和焦耳實(shí)驗(yàn)，海洋表層的波動(dòng)與湍流，攪拌+擴(kuò)散=混合，海洋內(nèi)波與湍流混合；理解湍流混合的通量，湍動(dòng)能耗散率，熱耗散率，能量級(jí)串，湍能譜；掌握湍流的首次觀測(cè)，湍動(dòng)能耗散率的觀測(cè)，雷諾應(yīng)力的觀測(cè)，湍動(dòng)能耗散率的估計(jì)方法。

3.理解海洋混合的重要作用，混合需要外界機(jī)械能維持；掌握潮汐、風(fēng)等對(duì)混合的能量輸入，正壓潮，內(nèi)潮；了解風(fēng)應(yīng)力，表面波，浮力通量；掌握平均流和中尺度渦，內(nèi)波，底摩擦，地?zé)?/p>

4.了解內(nèi)波的折射和衍射，理解內(nèi)波頻散關(guān)系的物理含義、內(nèi)波反射的推導(dǎo)、內(nèi)重力波方程的求解；掌握內(nèi)波頻散關(guān)系、相速度、群速度，內(nèi)波反射特點(diǎn)，WKB近似方法。

5.了解內(nèi)波與剪切流和波致流場(chǎng)的相互作用，理解內(nèi)波破碎及相互作用機(jī)制，掌握內(nèi)波的生成機(jī)制、內(nèi)波相互作用的PSI機(jī)制。

二、啟發(fā)教學(xué)，言傳身教

海洋混合課程具有大量的理論前期知識(shí)需要傳授給大家，如果按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式，學(xué)生聽課前期很難維持長(zhǎng)期的集中力，一旦遇到難點(diǎn)不能通過(guò)，會(huì)讓學(xué)生們喪失信心甚至直接放棄。所以，授課當(dāng)中應(yīng)通過(guò)啟發(fā)式的教學(xué)方法，結(jié)合現(xiàn)實(shí)案例，提高學(xué)生的發(fā)散思維能力以及關(guān)注程度。本人在近期的海洋學(xué)授課當(dāng)中嘗試了多種創(chuàng)新性的教學(xué)方法，主要思路就是充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生主動(dòng)地解決問(wèn)題，在解決問(wèn)題之余就需要把課堂知識(shí)掌握，老師只需合理引導(dǎo)，出現(xiàn)本質(zhì)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)指出。

1.出海實(shí)際經(jīng)驗(yàn)植入教學(xué)

在講授海洋混合率觀測(cè)中，結(jié)合自身實(shí)際出海當(dāng)中對(duì)混合率觀測(cè)采樣、儀器配置，數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)后續(xù)分析處理的實(shí)際情況，從湍流剖面儀實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，給學(xué)生展示顯示海洋中混合率的分布，介紹混合率的觀測(cè)手段。課堂中，講解湍流剖面儀的工作原理，展示所測(cè)混合率的空間分布，詳細(xì)講解數(shù)據(jù)獲取之后的矯正與分析處理。使得學(xué)生感覺(jué)親身體驗(yàn)了海洋混合率額觀測(cè)過(guò)程，從而大大提高對(duì)課程的集中度，同時(shí)，也對(duì)混合率有了更清晰的認(rèn)知。物理海洋的研究基礎(chǔ)就是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，絕大多數(shù)的學(xué)生以后都要出海進(jìn)行海上調(diào)研獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這對(duì)時(shí)常出海的物理海洋專業(yè)的研究生來(lái)講有莫大的幫助。一方面，有效地避免了只是書面上的文字教學(xué)，給學(xué)生帶來(lái)枯燥乏味；另一方面，開拓了同學(xué)們的視野，激發(fā)了對(duì)科學(xué)研究的興趣，以及培養(yǎng)他們的成就感意識(shí)，確實(shí)從課程當(dāng)中的學(xué)習(xí)，有所獲益。

2.知識(shí)傳授規(guī)避次要矛盾，解決主要矛盾

海洋混合課程的學(xué)習(xí)需要以多種數(shù)學(xué)和物理知識(shí)為基礎(chǔ)，受限于課程設(shè)置，無(wú)法確保每一位學(xué)生都了解課程必備的基數(shù)學(xué)公式和物理定理。所以，在教授課程有關(guān)內(nèi)容時(shí)，需要簡(jiǎn)單地對(duì)這些知識(shí)和原理進(jìn)行回顧。同時(shí)，如果所有知識(shí)點(diǎn)都詳細(xì)的講解，很可能會(huì)使學(xué)生失去興趣，導(dǎo)致效率降低，無(wú)論老師的教課進(jìn)度還是學(xué)生掌握程度都會(huì)大大受阻。因此，在授課過(guò)程中就要避免面面俱到，規(guī)避次要矛盾，解決主要矛盾，其他矛盾鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生自發(fā)研習(xí)。例如，在介紹湍動(dòng)能耗散率的估計(jì)方法，重點(diǎn)介紹方法的應(yīng)用性，學(xué)生們掌握之后在出海觀測(cè)中會(huì)用即可，而對(duì)于方法的具體原理和相關(guān)推導(dǎo)則不去贅述，課后引導(dǎo)有興趣的學(xué)生在課后通過(guò)文獻(xiàn)閱讀資料查找自行學(xué)習(xí)。

三、學(xué)生課堂編程分析，實(shí)踐中出真知

海洋混合這門課程是研究海洋中的小尺度動(dòng)力過(guò)程，這就決定了海上觀測(cè)對(duì)這門學(xué)科的重要意義，給學(xué)生展示海洋觀測(cè)資料的分析處理以及結(jié)果，將學(xué)習(xí)到的混合理論知識(shí)應(yīng)用到對(duì)實(shí)際混合觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理之中，這對(duì)于研究生階段的物理海洋專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)科研興趣的培養(yǎng)和累計(jì)出海實(shí)操經(jīng)驗(yàn)至關(guān)重要。作者在教學(xué)中主要使用MATLAB進(jìn)行海洋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，提供學(xué)生基本的參考程序，學(xué)生調(diào)試后分析輸出圖像，將課堂理論知識(shí)用圖像的形式再呈現(xiàn)，鞏固對(duì)混合動(dòng)力理論的掌握。

結(jié)語(yǔ)

理論研究到實(shí)踐分析是科研研究的核心思路也是教學(xué)授課需要應(yīng)用到的重要環(huán)節(jié)。海洋混合課程理論性很強(qiáng)，但對(duì)于物理海洋專業(yè)的研究生來(lái)說(shuō)這門課程更傾向于實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)?，出海觀測(cè)當(dāng)中海洋混合率的觀測(cè)測(cè)量計(jì)算是一個(gè)非常重要的課題。因此，海洋混合單純的理論滿堂灌，對(duì)于研究生階段的學(xué)生們來(lái)說(shuō)是沒(méi)有太大意義的，即便理論知識(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)于心，到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段依舊會(huì)掌握不全面。本文根據(jù)海洋混合課程特點(diǎn)，提出了多項(xiàng)對(duì)于海洋混合課程啟發(fā)式教學(xué)的創(chuàng)新措施和思路?；谧髡呓诘慕虒W(xué)反饋，文中的多種教學(xué)新思路實(shí)施之后，學(xué)生對(duì)于海洋混合相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)效率以及興趣度得到顯著提高，課程教學(xué)效果得到了明顯改善。