聶紅濤　李威　韓桂軍　陳儒　凌國維

[摘 要] 以學(xué)生為中心，以提升綜合素質(zhì)能力為導(dǎo)向，依據(jù)“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)對海洋潮汐學(xué)課程進(jìn)行了教學(xué)改革。通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，貫通體現(xiàn)高階性;以問題為導(dǎo)向，采用啟發(fā)式教學(xué)體現(xiàn)創(chuàng)新性;重視實踐訓(xùn)練，科教融合體現(xiàn)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(zhì)培養(yǎng)，促進(jìn)課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果提升。實踐表明，本課程教學(xué)改革增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，加深了對課程內(nèi)容的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)思維方法，提升了學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力。

[關(guān)鍵詞] 兩性一度;啟發(fā)式教學(xué);科教融合;綜合素質(zhì);海洋潮汐學(xué)

[基金項目] 2020年度天津市教委天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)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(xué)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(xué)海洋學(xué)院海洋科學(xué)系副系主任，副教授，主要從事海洋環(huán)境動力學(xué)研究;李 威（1978—），男，天津人，博士，天津大學(xué)海洋學(xué)院海洋科學(xué)系系主任，教授（通信作者），主要從事業(yè)務(wù)化海洋學(xué)研究;韓桂軍（1970—），女，天津人，博士，天津大學(xué)海洋學(xué)院海洋科學(xué)系教授，主要從事海洋分析與預(yù)報研究。

[中圖分類號] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)校的核心使命，而課程建設(shè)是人才培養(yǎng)的基石。2018年11月，在第十一屆“中國大學(xué)教學(xué)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。加強一流本科教育，建設(shè)一流本科專業(yè)，需要建設(shè)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(nèi)眾多高校加強了海洋科學(xué)類專業(yè)的建設(shè)，對海洋科學(xué)類相關(guān)課程的要求提升到了新高度。海洋潮汐學(xué)作為海洋科學(xué)類人才培養(yǎng)的核心基礎(chǔ)課程，需要注重學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)[2]，以滿足當(dāng)前海洋強國戰(zhàn)略對培養(yǎng)復(fù)合型海洋創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

海洋潮汐學(xué)屬于經(jīng)典的物理海洋學(xué)范疇。潮汐現(xiàn)象與沿海人類生活息息相關(guān)，從牛頓建立平衡潮理論起算，以數(shù)學(xué)和物理學(xué)為基礎(chǔ)對其進(jìn)行研究，潮汐學(xué)形成一門系統(tǒng)的科學(xué)理論已有三四百年的歷史。海洋潮汐學(xué)既有以平衡潮理論為基礎(chǔ)的靜力學(xué)和以潮波動力方程為基礎(chǔ)的潮波動力學(xué)等理學(xué)內(nèi)容，也有調(diào)和常數(shù)計算與潮位預(yù)報、海平面和海圖基準(zhǔn)面、工程潮位等工程計算方面的工學(xué)內(nèi)容，適合培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高階思維。作為海洋科學(xué)類專業(yè)核心基礎(chǔ)課，海洋潮汐學(xué)的課程目標(biāo)是讓學(xué)生掌握潮波基本概念、形成機(jī)制、分析預(yù)報方法，以及初步的工程技術(shù)方法，掌握其中的調(diào)和分析預(yù)報方法和數(shù)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(xué)雖然屬于理學(xué)范疇，但是不同于其他的理學(xué)內(nèi)容，對海洋潮汐學(xué)的科研和教學(xué)不能只停留在對海洋規(guī)律的認(rèn)知和探究層面，而更應(yīng)側(cè)重于應(yīng)用海洋的規(guī)律進(jìn)行分析預(yù)報，為國計民生、防災(zāi)減災(zāi)和國防安全等提供強有力的保障。當(dāng)今，發(fā)達(dá)國家均高度重視以海洋分析和預(yù)報為宗旨的業(yè)務(wù)化海洋學(xué)研究，其首要服務(wù)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(yù)報更是其中的重要內(nèi)容。我國“海洋強國”建設(shè)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(yù)報工作的創(chuàng)新型人才。

然而，長期以來，潮汐學(xué)教學(xué)大多采用“我講你聽”方式開展，重理論教學(xué)輕實踐，缺乏分析預(yù)報和潮波數(shù)值模擬等編程環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，不能將潮汐學(xué)知識講授和學(xué)生實踐能力培養(yǎng)、綜合素質(zhì)提升有機(jī)地融合，理論與應(yīng)用脫節(jié)。在此種教學(xué)方式中，學(xué)生只能被動學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)積極性不高，缺乏將所學(xué)數(shù)學(xué)和物理知識應(yīng)用于潮汐學(xué)的主動思考，對所學(xué)知識掌握不牢，更難以培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(dāng)前海洋潮汐學(xué)教學(xué)存在的問題，本教學(xué)團(tuán)隊嘗試以“兩性一度”要求為標(biāo)準(zhǔn)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式和考核方式等方面進(jìn)行一系列的教學(xué)改革，并已取得了一定成效。

二、課程教學(xué)創(chuàng)新舉措

（一）自編教材，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)高階性

精簡教學(xué)內(nèi)容、突出重點，以學(xué)生知識體系的構(gòu)建和綜合能力的提升為前提，啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)高等數(shù)學(xué)、物理知識，理解潮汐的物理機(jī)制和計算方法。海洋潮汐學(xué)一般開設(shè)在大二年級下學(xué)年，學(xué)生已修過高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理、海洋科學(xué)導(dǎo)論等預(yù)備知識，具有一定的知識儲備。因而，在自編海洋潮汐學(xué)教材的時候，將引潮力、引潮勢和平衡潮等內(nèi)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(guān)天文知識、球面三角函數(shù)、數(shù)理方程求諧函數(shù)和傅里葉譜分析歸并到附錄，在潮波動力學(xué)中增加衛(wèi)星高度計潮汐信息提取和內(nèi)潮波理論等海洋學(xué)前沿內(nèi)容。通過整合教材內(nèi)容，便于學(xué)生知識體系的構(gòu)建，同時也使其具備一定的綜合應(yīng)用和分析能力。在授課內(nèi)容方面，在不降低課程難度的前提下，精簡教學(xué)內(nèi)容、突出重點，以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力為導(dǎo)向，精講潮汐理論以及科研和工程應(yīng)用中最常用的重要知識。對于需要煩瑣公式推導(dǎo)但學(xué)生有能力推導(dǎo)的知識，串講推導(dǎo)過程，幫助學(xué)生理解;對于簡單的數(shù)學(xué)公式則不講推導(dǎo)過程而只講意義，學(xué)生自行推導(dǎo)，加深學(xué)生對理論概念的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。按照大四年級或研究生階段的實踐能力培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在大二階段，指導(dǎo)學(xué)生編程實現(xiàn)調(diào)和分析與潮波數(shù)值模擬，提升對潮波動力學(xué)的直觀認(rèn)識。通過教材和教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)整合，可將學(xué)生知識學(xué)習(xí)和能力素質(zhì)提升融為一體，著力培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。

（二）以問題為導(dǎo)向，采用啟發(fā)式教學(xué)，體現(xiàn)創(chuàng)新性

注重知識的融會貫通，關(guān)注海洋潮汐學(xué)前沿，采用以問題為導(dǎo)向的啟發(fā)式教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)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(tuán)隊注重講授大學(xué)數(shù)學(xué)、物理和海洋學(xué)等課程在知識和方法上的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生對知識的融會貫通能力。如在講述潮汐現(xiàn)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(xué)生認(rèn)識潮位變化的重要意義，同時引導(dǎo)學(xué)生思考為什么發(fā)生潮位變化，這種周期變化是什么導(dǎo)致的以及如何描述它，用到大學(xué)數(shù)學(xué)和物理的什么知識，實現(xiàn)以現(xiàn)象和問題為切入點，步步深入，引導(dǎo)學(xué)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(zhuǎn)，地球上是否會有潮汐現(xiàn)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(tǒng)，如果地球自轉(zhuǎn)與月球公轉(zhuǎn)同步，地球上是否會有潮汐現(xiàn)象”，等等，啟發(fā)學(xué)生主動運用大學(xué)數(shù)學(xué)和物理知識，分析潮汐形成機(jī)制;將社會上對科普知識認(rèn)識有誤和民科觀點拿出來供學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的思辨和數(shù)理應(yīng)用能力;穿插講授基于衛(wèi)星遙感潮汐信息提取和內(nèi)潮波以及潮汐對氣候變化的影響等海洋學(xué)前沿問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感。

（三）科教融合，采用實踐性教學(xué)策略，體現(xiàn)挑戰(zhàn)度

優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，授課前提出有趣的科學(xué)問題和有挑戰(zhàn)性的調(diào)和分析編程任務(wù)，令學(xué)生主動思考，帶著問題學(xué)習(xí)，倒逼學(xué)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(diào)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(yīng)的學(xué)習(xí)材料，安排學(xué)生分組通過團(tuán)隊協(xié)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(xué)的部分知識，以及淺水波模型的數(shù)值離散格式，安排學(xué)生編程淺水波模型驗證所學(xué)潮波動力學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)、實踐能力。調(diào)和分析編程和潮波數(shù)值模擬編程均屬于挑戰(zhàn)度很高的實踐型任務(wù)，同時也與實際的科研應(yīng)用密切相關(guān)，國內(nèi)涉海高校大多未在本科階段開展此類訓(xùn)練。本教學(xué)團(tuán)隊系統(tǒng)分析了任務(wù)難度和本科生實踐的可行性，認(rèn)為其雖然難度偏大，但有助于學(xué)生系統(tǒng)掌握知識，以及直觀理解海洋學(xué)知識，因此安排了此項訓(xùn)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(jù)每個組員的性格和能力指派任務(wù)，大家還要對結(jié)果和程序進(jìn)行反復(fù)檢查，通過組內(nèi)成員通力合作完成任務(wù)，鍛煉學(xué)生的實踐能力，同時培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神。

（四）優(yōu)化考評體系，強化科研素質(zhì)培養(yǎng)

注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核，始終以學(xué)生能力的培養(yǎng)和素質(zhì)的提升為中心。對于潮汐學(xué)需要掌握的基礎(chǔ)知識，采用課堂隨機(jī)測驗的形式檢查學(xué)生的掌握情況，評估課程目標(biāo)的階段達(dá)成度，根據(jù)掌握情況采取階段知識復(fù)習(xí)鞏固或者教學(xué)內(nèi)容延伸、作業(yè)難度提升措施。此外，除了海洋潮汐學(xué)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(zhì)報告撰寫、PPT匯報和程序及結(jié)果展示均作為考評的一部分，將基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用綜合考核有機(jī)結(jié)合。教學(xué)實踐中安排了4課時的翻轉(zhuǎn)課堂，由各組組長進(jìn)行不超過15分鐘的PPT匯報，可由組員適當(dāng)補充。匯報內(nèi)容包括任務(wù)解析、編程思路、程序代碼功能實現(xiàn)、各個組員任務(wù)分擔(dān)、組長現(xiàn)場演示程序等，不同組學(xué)生之間和教師進(jìn)行現(xiàn)場質(zhì)詢和評分。在這個以學(xué)生為主角的舞臺上，學(xué)生們都會認(rèn)真匯報自己精心制作的PPT，面對教師和同學(xué)的質(zhì)詢，表現(xiàn)出了充分的自信。通過這種方式，既訓(xùn)練了學(xué)生的寫作和口頭表達(dá)等科研綜合素質(zhì)，又增強了學(xué)生參與感，提升了課程趣味性，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作和交流溝通能力。這種訓(xùn)練使得學(xué)習(xí)本課程的學(xué)生在組建團(tuán)隊參加大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競賽時，展現(xiàn)了良好的科研素養(yǎng)和交流表達(dá)能力，通力合作，過關(guān)斬將，取得了不錯的成績。

三、教學(xué)改革效果

（一）科學(xué)設(shè)計教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和實踐能力

如何在保證課程內(nèi)容具有一定挑戰(zhàn)度的前提下，讓學(xué)生不望而生畏，有信心、有動力去解決復(fù)雜問題，需要科學(xué)設(shè)計整個教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。如本課程教學(xué)實踐任務(wù)之一，調(diào)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(diào)和分析程序，并采用一年的逐時水位資料進(jìn)行調(diào)和分析，給出各個分潮的調(diào)和常數(shù)。在具體實施上，對任務(wù)進(jìn)行分解讓學(xué)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(gòu)建代求解的線性方程組，利用所學(xué)的線性代數(shù)知識求解線性方程組，最后還要根據(jù)求解結(jié)果計算出平均水位和各個分潮的調(diào)和常數(shù)，通過階段任務(wù)的逐步完成讓學(xué)生有信心和動力完成整個任務(wù)。在任務(wù)分工上，學(xué)生自由組團(tuán)，分工合作，發(fā)揮各自在方法設(shè)計、編程、文獻(xiàn)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(xué)生從開源數(shù)據(jù)網(wǎng)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M(jìn)ATLAB。

這項任務(wù)促使學(xué)生認(rèn)真理解海洋潮汐學(xué)公式中每一項的含義，以及每個變量的具體計算細(xì)節(jié)，使得學(xué)生對所學(xué)知識掌握得更加牢固。算法中的線性方程組解法也促使學(xué)生回顧其在線性代數(shù)等課程中的所學(xué)。各組積極進(jìn)行探索和編程計算，通過自學(xué)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(diào)和分析結(jié)果。此項訓(xùn)練調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的自學(xué)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、溝通交流能力，以及應(yīng)用數(shù)理和海洋學(xué)理論的創(chuàng)新實踐能力。

（二）引導(dǎo)學(xué)生對知識進(jìn)行融會貫通，激發(fā)本科生的創(chuàng)新性思維

以海洋潮汐學(xué)知識體系構(gòu)建為基礎(chǔ)，注重高等數(shù)學(xué)、物理和海洋學(xué)等課程在知識和方法上的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生對知識的融會貫通能力;以不同觀點的探討，培養(yǎng)學(xué)生思辨和數(shù)理應(yīng)用能力。在課程教學(xué)過程中設(shè)置了“潮汐潮流的應(yīng)用設(shè)想”等開放式作業(yè)題，需要學(xué)生根據(jù)課上所學(xué)知識進(jìn)行合理分析，并自行查找資料給出答案。啟發(fā)式教學(xué)與開放式作業(yè)題啟發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維。在開放式作業(yè)中，學(xué)生“腦洞大開”，給出了很有意思的設(shè)計。例如有的學(xué)生在“潮流的應(yīng)用設(shè)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(yuǎn)程投彈的想法如出一轍。創(chuàng)新性教學(xué)效果還體現(xiàn)在調(diào)和分析編程實踐中，學(xué)生展現(xiàn)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(shù)所學(xué)的知識，確定采用代數(shù)余子式方法，直接計算逆矩陣，同樣獲得了正確結(jié)論。

上述教學(xué)改革啟發(fā)了學(xué)生思路，使得本科生積極思考構(gòu)建新穎的分析預(yù)報方法。在本教學(xué)團(tuán)隊指導(dǎo)下，學(xué)生申請獲批1項國家級、2項市級和2項校級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)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(nèi)地學(xué)領(lǐng)域T1級別期刊《海洋學(xué)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(tǒng)計預(yù)報》，并獲得2021年“挑戰(zhàn)杯”天津大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃競賽自然科學(xué)類一等獎，目前已通過層層比拼進(jìn)入天津市終審決賽。

四、總結(jié)

課程教學(xué)質(zhì)量的提升是培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在“雙一流”建設(shè)的背景下，要以學(xué)生為中心，以提升綜合素質(zhì)能力為導(dǎo)向，遵循“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)深入開展海洋潮汐學(xué)課程創(chuàng)新設(shè)計與教學(xué)方法改革。采用啟發(fā)式教學(xué)，從基礎(chǔ)理論知識體系構(gòu)建到高階性應(yīng)用探討，將知識學(xué)習(xí)與生產(chǎn)實踐、科研前沿融合，不斷激發(fā)學(xué)生的興奮點，注重學(xué)生綜合素質(zhì)提升的過程培養(yǎng)，獲得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]吳巖.建設(shè)中國“金課”[J].中國大學(xué)教學(xué)，2018（12）：4-9.

[2]王平，李曾曾.高校海洋科學(xué)特色專業(yè)建設(shè)與探索[J].當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究，2020（14）：101-102.

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

[4]王智超.我國高校專業(yè)核心課程建設(shè)現(xiàn)狀分析[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，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

3296501908224