面向“两性一度”标准的潮汐学课程教学改革

[摘 要] 以学生为中心，以提升综合素质能力为导向，依据“两性一度”标准对海洋潮汐学课程进行了教学改革。通过优化教学内容，贯通体现高阶性;以问题为导向，采用启发式教学体现创新性;重视实践训练，科教融合体现挑战度;多方式考核方式融合，优化考评体系，强化能力素质培养，促进课程教学质量和教学效果提升。实践表明，本课程教学改革增强了学生学习的主动性，加深了对课程内容的理解和应用，培养了学生的创新意识和科学思维方法，提升了学生解决复杂问题的综合能力。

[关键词] 两性一度;启发式教学;科教融合;综合素质;海洋潮汐学

[基金项目] 2020年度天津市教委天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目“‘三全育人’体系研究与实践——探索以实践教育推动‘三全育人’‘五育并举’的学生培养新模式”（B201005601）

[作者简介] 聂红涛（1979—），男，湖北随州人，博士，天津大学海洋学院海洋科学系副系主任，副教授，主要从事海洋环境动力学研究;李 威（1978—），男，天津人，博士，天津大学海洋学院海洋科学系系主任，教授（通信作者），主要从事业务化海洋学研究;韩桂军（1970—），女，天津人，博士，天津大学海洋学院海洋科学系教授，主要从事海洋分析与预报研究。

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）04-0073-04 [收稿日期] 2021-06-02

人才培养是高等学校的核心使命，而课程建设是人才培养的基石。2018年11月，在第十一届“中国大学教学论坛”上，教育部高等教育司司长吴岩提出了“两性一度”金课建设标准[1]。加强一流本科教育，建设一流本科专业，需要建设一流的课程，打造具有高阶性、创新性、挑战度的一流金课。为了满足海洋强国战略的需求，国内众多高校加强了海洋科学类专业的建设，对海洋科学类相关课程的要求提升到了新高度。海洋潮汐学作为海洋科学类人才培养的核心基础课程，需要注重学生创新意识和实践能力的培养[2]，以满足当前海洋强国战略对培养复合型海洋创新人才培养的需求。

海洋潮汐学属于经典的物理海洋学范畴。潮汐现象与沿海人类生活息息相关，从牛顿建立平衡潮理论起算，以数学和物理学为基础对其进行研究，潮汐学形成一门系统的科学理论已有三四百年的历史。海洋潮汐学既有以平衡潮理论为基础的静力学和以潮波动力方程为基础的潮波动力学等理学内容，也有调和常数计算与潮位预报、海平面和海图基准面、工程潮位等工程计算方面的工学内容，适合培养学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维。作为海洋科学类专业核心基础课，海洋潮汐学的课程目标是让学生掌握潮波基本概念、形成机制、分析预报方法，以及初步的工程技术方法，掌握其中的调和分析预报方法和数值模拟方法是这门课的重中之重。

一、存在的问题

海洋潮汐学虽然属于理学范畴，但是不同于其他的理学内容，对海洋潮汐学的科研和教学不能只停留在对海洋规律的认知和探究层面，而更应侧重于应用海洋的规律进行分析预报，为国计民生、防灾减灾和国防安全等提供强有力的保障。当今，发达国家均高度重视以海洋分析和预报为宗旨的业务化海洋学研究，其首要服务对象就是各国的海军、渔业部门，潮波（潮汐与潮流）的分析预报更是其中的重要内容。我国“海洋强国”建设和“一带一路”倡议等国家战略，需要大批能够从事海洋分析预报工作的创新型人才。

然而，长期以来，潮汐学教学大多采用“我讲你听”方式开展，重理论教学轻实践，缺乏分析预报和潮波数值模拟等编程环节的训练，不能将潮汐学知识讲授和学生实践能力培养、综合素质提升有机地融合，理论与应用脱节。在此种教学方式中，学生只能被动学习，学习积极性不高，缺乏将所学数学和物理知识应用于潮汐学的主动思考，对所学知识掌握不牢，更难以培养学生解决科研和工程实际问题的动手实践能力，势必造成“蜻蜓点水”，创新意识不强，自学能力不足[3]，很难满足国家对海洋创新人才的需求。针对当前海洋潮汐学教学存在的问题，本教学团队尝试以“两性一度”要求为标准，在教学内容、教学形式和考核方式等方面进行一系列的教学改革，并已取得了一定成效。

二、课程教学创新举措

（一）自编教材，优化教学内容，体现高阶性

精简教学内容、突出重点，以学生知识体系的构建和综合能力的提升为前提，启发学生应用所学高等数学、物理知识，理解潮汐的物理机制和计算方法。海洋潮汐学一般开设在大二年级下学年，学生已修过高等数学、线性代数、大学物理、海洋科学导论等预备知识，具有一定的知识储备。因而，在自编海洋潮汐学教材的时候，将引潮力、引潮势和平衡潮等内容归并为一章，将太阳辐射潮、浅水分潮和固体潮归并为一章，将相关天文知识、球面三角函数、数理方程求谐函数和傅里叶谱分析归并到附录，在潮波动力学中增加卫星高度计潮汐信息提取和内潮波理论等海洋学前沿内容。通过整合教材内容，便于学生知识体系的构建，同时也使其具备一定的综合应用和分析能力。在授课内容方面，在不降低课程难度的前提下，精简教学内容、突出重点，以培养学生的高阶思维能力为导向，精讲潮汐理论以及科研和工程应用中最常用的重要知识。对于需要烦琐公式推导但学生有能力推导的知识，串讲推导过程，帮助学生理解;对于简单的数学公式则不讲推导过程而只讲意义，学生自行推导，加深学生对理论概念的认识，培养学生的自学能力。按照大四年级或研究生阶段的实践能力培养标准，在大二阶段，指导学生编程实现调和分析与潮波数值模拟，提升对潮波动力学的直观认识。通过教材和教学内容的有机整合，可将学生知识学习和能力素质提升融为一体，着力培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。

（二）以问题为导向，采用启发式教学，体现创新性

注重知识的融会贯通，关注海洋潮汐学前沿，采用以问题为导向的启发式教学方式，激发学生学习兴趣，培养学生的科学思维方法和创新意识。创新性思维源于对知识的融会贯通，以及对问题的主动思考和勇于打破常规的思辨[4]。因此，本团队注重讲授大学数学、物理和海洋学等课程在知识和方法上的联系，促进学生对知识的融会贯通能力。如在讲述潮汐现象时，引入新闻报道某海滩因涨潮发生游客被困或者船舶搁浅事件，让学生认识潮位变化的重要意义，同时引导学生思考为什么发生潮位变化，这种周期变化是什么导致的以及如何描述它，用到大学数学和物理的什么知识，实现以现象和问题为切入点，步步深入，引导学生思考。注重课堂互动，布置有趣的开放式问题，如“如果地球没有自转，地球上是否会有潮汐现象”“如果地月距离变为原来的一半，潮汐会有怎样的变化”“仅考虑地月两体系统，如果地球自转与月球公转同步，地球上是否会有潮汐现象”，等等，启发学生主动运用大学数学和物理知识，分析潮汐形成机制;将社会上对科普知识认识有误和民科观点拿出来供学生思考，培养学生的思辨和数理应用能力;穿插讲授基于卫星遥感潮汐信息提取和内潮波以及潮汐对气候变化的影响等海洋学前沿问题，激发学生的学习兴趣，增强学生的专业认同感。

（三）科教融合，采用实践性教学策略，体现挑战度

优化教学环节，授课前提出有趣的科学问题和有挑战性的调和分析编程任务，令学生主动思考，带着问题学习，倒逼学生增加课上和课下的互动。如布置具有挑战性的长期水位资料调和分析编程大作业，穿插讲授基本编程知识和技巧，以及伪代码形式的基本编程逻辑，在微信群中发布相应的学习材料，安排学生分组通过团队协作完成编程大作业;在大二与大三年级之间的暑期，通过集中实践，讲授潮波动力学的部分知识，以及浅水波模型的数值离散格式，安排学生编程浅水波模型验证所学潮波动力学知识，培养学生的自学、实践能力。调和分析编程和潮波数值模拟编程均属于挑战度很高的实践型任务，同时也与实际的科研应用密切相关，国内涉海高校大多未在本科阶段开展此类训练。本教学团队系统分析了任务难度和本科生实践的可行性，认为其虽然难度偏大，但有助于学生系统掌握知识，以及直观理解海洋学知识，因此安排了此项训练。采用自愿组合的原则，5～6人合成一个组，一共分成10个组。各组自行选出组长，组长根据每个组员的性格和能力指派任务，大家还要对结果和程序进行反复检查，通过组内成员通力合作完成任务，锻炼学生的实践能力，同时培养学生的团队协作精神。

（四）优化考评体系，强化科研素质培养

注重学生学习过程的考核，始终以学生能力的培养和素质的提升为中心。对于潮汐学需要掌握的基础知识，采用课堂随机测验的形式检查学生的掌握情况，评估课程目标的阶段达成度，根据掌握情况采取阶段知识复习巩固或者教学内容延伸、作业难度提升措施。此外，除了海洋潮汐学课程常规作业、课堂测验和期末考试外，将编程大作业和集中编程实践的纸质报告撰写、PPT汇报和程序及结果展示均作为考评的一部分，将基础知识学习和实践应用综合考核有机结合。教学实践中安排了4课时的翻转课堂，由各组组长进行不超过15分钟的PPT汇报，可由组员适当补充。汇报内容包括任务解析、编程思路、程序代码功能实现、各个组员任务分担、组长现场演示程序等，不同组学生之间和教师进行现场质询和评分。在这个以学生为主角的舞台上，学生们都会认真汇报自己精心制作的PPT，面对教师和同学的质询，表现出了充分的自信。通过这种方式，既训练了学生的写作和口头表达等科研综合素质，又增强了学生参与感，提升了课程趣味性，培养了学生的团队协作和交流沟通能力。这种训练使得学习本课程的学生在组建团队参加大学生“挑战杯”竞赛时，展现了良好的科研素养和交流表达能力，通力合作，过关斩将，取得了不错的成绩。

三、教学改革效果

（一）科学设计教学实践环节，提升学生的学习主动性和实践能力

如何在保证课程内容具有一定挑战度的前提下，让学生不望而生畏，有信心、有动力去解决复杂问题，需要科学设计整个教学实践环节。如本课程教学实践任务之一，调和分析编程要求编写包含4个主要半日潮、4个主要全日潮、3个主要浅水分潮和2个主要长周期分潮共13个分潮的调和分析程序，并采用一年的逐时水位资料进行调和分析，给出各个分潮的调和常数。在具体实施上，对任务进行分解让学生理解求解的流程，包括查表计算各个分潮角频率、天文初位相、交点因子和订正角，采用最小二乘法构建代求解的线性方程组，利用所学的线性代数知识求解线性方程组，最后还要根据求解结果计算出平均水位和各个分潮的调和常数，通过阶段任务的逐步完成让学生有信心和动力完成整个任务。在任务分工上，学生自由组团，分工合作，发挥各自在方法设计、编程、文献分析方面的特长，通过课堂讨论、微信群交流等及时解决遇到的问题。同时，为了避免抄袭，要求学生从开源数据网站查找不同水位站不同年份的水位资料。编程语言不限，可以用Fortran、Python、C++或者MATLAB。

这项任务促使学生认真理解海洋潮汐学公式中每一项的含义，以及每个变量的具体计算细节，使得学生对所学知识掌握得更加牢固。算法中的线性方程组解法也促使学生回顾其在线性代数等课程中的所学。各组积极进行探索和编程计算，通过自学以及与教师在课堂上和微信群中的讨论交流，90%的小组编程正确，并计算得出正确的调和分析结果。此项训练调动了学生学习的积极性，提高了学生的自学能力、团队协作能力、沟通交流能力，以及应用数理和海洋学理论的创新实践能力。

（二）引导学生对知识进行融会贯通，激发本科生的创新性思维

以海洋潮汐学知识体系构建为基础，注重高等数学、物理和海洋学等课程在知识和方法上的联系，促进学生对知识的融会贯通能力;以不同观点的探讨，培养学生思辨和数理应用能力。在课程教学过程中设置了“潮汐潮流的应用设想”等开放式作业题，需要学生根据课上所学知识进行合理分析，并自行查找资料给出答案。启发式教学与开放式作业题启发了学生的创新性思维。在开放式作业中，学生“脑洞大开”，给出了很有意思的设计。例如有的学生在“潮流的应用设想”中考虑利用潮流输送水雷偷袭锚在近海的敌舰，这一想法与二战期间盟军利用热气球借助大气平流向德国远程投弹的想法如出一辙。创新性教学效果还体现在调和分析编程实践中，学生展现了良好的独立思考和创新能力。有些组没有采用教师所提供的求解线性方程的高斯消去算法，而是灵活运用在线性代数所学的知识，确定采用代数余子式方法，直接计算逆矩阵，同样获得了正确结论。

上述教学改革启发了学生思路，使得本科生积极思考构建新颖的分析预报方法。在本教学团队指导下，学生申请获批1项国家级、2项市级和2项校级大学生创新训练计划项目。通过科教融合，科研实践育人，2018级本科生在国内地学领域T1级别期刊《海洋学报》上发表了第一作者论文《基于演化算符的南海海面高度异常中长期统计预报》，并获得2021年“挑战杯”天津大学大学生创新创业计划竞赛自然科学类一等奖，目前已通过层层比拼进入天津市终审决赛。

四、总结

课程教学质量的提升是培养优秀学生的关键基础。在“双一流”建设的背景下，要以学生为中心，以提升综合素质能力为导向，遵循“两性一度”标准深入开展海洋潮汐学课程创新设计与教学方法改革。采用启发式教学，从基础理论知识体系构建到高阶性应用探讨，将知识学习与生产实践、科研前沿融合，不断激发学生的兴奋点，注重学生综合素质提升的过程培养，获得了良好的教学效果。