学科交叉背景下应用海洋学课程教学改革与实践

摘  要：近年来，随着人工智能时代的到来和海洋强国战略的实施，传统的海洋科学人才培养方法已经无法满足时代和国家的需求。社会对于既懂科学、又懂技术的，具备可用性、复合型、有成长性的海洋科学人才的需求日益迫切。为了满足这一需求，深圳大学应用海洋学教学体系针对以往存在的教学问题和短板，实施专业交叉融合和人才培养体系优化。具体措施包括针对海洋科学与人工智能领域的交叉，更新和扩充教学内容;采用项目驱动、问题导向、学生中心的教学方法;采用多元化的课程评价方式;促进产学研融合实践教学。通过这些措施，深圳大学应用海洋学教学体系实现“宽口径、厚基础、强能力、全面发展”的海洋人才培养目标。这种综合性、交叉性和实践性的教学模式不仅可以满足当前社会和国家的需求，也能够为学生提供更广阔的发展空间，培养更具创新精神和实践能力的海洋科学人才。

关键词：学科交叉;海洋科学;人工智能;改革对策;海洋强国战略

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）27-0011-06

Abstract： In recent years， the rise of artificial intelligence（AI） and China's maritime power strategy have made it clear that traditional methods of cultivating marine science talent are no longer sufficient to meet the country's development needs. There is an urgent demand from society for ocean scientists who possess not only scientific and technological expertise， but also usability， versatility， and growth potential. To address the shortcomings of previous teaching systems， the Applied Oceanography teaching group at Shenzhen University has implemented interdisciplinary education and optimized the talent training system. The strategies adopted include updating teaching content to incorporate the application of AI in oceanography， using project-driven， problem-oriented， and student-centered teaching methods， employing diversified curriculum evaluation methods， and promoting the integration of enterprises， universities， and research institutes in practical teaching. Through these measures， Shenzhen University's Applied Oceanography teaching system has achieved the goal of cultivating ocean talents with "wide caliber， solid foundation， strong ability， and comprehensive development". This comprehensive， interdisciplinary， and practical teaching mode can not only meet the country's needs but also provide students with greater potential for development， and cultivate ocean science talents with a more innovative spirit and practical ability.

Keywords： interdisciplinary; Oceanography; artificial intelligence; reform strategies; maritime power strategy

我国国务院于2021年底发布批复，原则同意了《“十四五”海洋经济发展规划》，明确开发与保护海洋资源的相关战略，协调资源开发与保护的关系，切实维护我国海洋资源权益，构建海陆连通，有效提高我国海洋竞争力，发展合作共赢、人海和谐、依海强国富国。在信息化的时代背景下，如何寻求积极有效的教学模式，准备体系化的教学素材，培养既懂科学又懂技术的、可用的、复合型的、有成长性的海洋科学人才，对海洋科学专业教师提出了新的挑战。

学科交叉是当前科研、教学发展的趋势之一，其在海洋科学领域的应用也日益受到重视[1-2]。随着人工智能技术的发展，深度学习方法在海洋数据挖掘任务中表现出色，特别是在海洋动力灾害的短期预报和应急响应方面具有很大的潜力[3-4]。传统数值模型计算所需时间较长，限制了其在突发性海洋动力灾害的预报上的应用。而深度学习模型在处理大规模数据时具有很高的计算效率，并且在预测结果时效性方面具有优势[5]。因此，人工智能技术在海洋科学领域的应用将有助于实现海洋灾害预报的时空精细化和预报要素的多样化、定量化和时效性等方面的需求。随着新技术与课程教学改革的不断融合，海洋科学专业教师需要更新多学科专业技术，积极将最新的信息技术应用到教育教学改革中。这将有助于提高学生的综合素质和创新能力，培养更多具备跨学科知识和技能的综合型人才，进而推动海洋科学领域的发展，提升国家核心竞争力。

深圳大学海洋科学专业建立于2011年，历经10年发展，于2021年形成较完备的应用海洋学教学体系，其建设强调学科的交叉性、应用性与综合性（图1）。然而，从计算机技术发展适应角度看，该教学体系仍存在内容呆板落后，不具备适应现代海洋学发展的时代性与前沿性;当前的应用海洋学教育侧重于海洋灾害的动力机制介绍及传统计算流体力学基础知识讲解，在基于人工智能的海洋灾害预警预报上还没有建立起相对成熟的纵向布局;此外，海洋教学在实践方面仍停留在计算机实验和传统流体力学实验上，无法有效地提升学生的科技创新能力和拓宽学生的专业领域知识。因此，现有的人工智能在应用海洋学教学体系和教学方式方面不能适应建设中国特色海洋强国的战略发展目标，应有效创新升级应用海洋学课程教学内容，丰富教学形式，开发更高效先进的教学方式和模式。

一  应用海洋学教学内容与教学目的

（一）  教学内容

应用海洋学的主要研究方向是应用海洋科学原理和方法解决海洋问题，特别是与海洋环境、资源和灾害相关的问题。应用海洋学当前的课程教学内容涉及海洋生物学、海洋气象、海洋资源利用及开发、海洋环境保护、海洋灾害和海洋工程等[6]。其主要教学内容如下所述。

1）海洋灾害是应用海洋学的重要教学内容之一。现阶段，海洋灾害涵盖海洋生物、海洋地质、海洋气象和海洋污染灾害等[7]。海洋灾害学的教学目标是研究这些灾害的成因、特征、演变规律和影响，研究海洋灾害的预测和预警技术，通过建立数学模型和计算机模拟，模拟海洋环境中的物理、化学和生物过程，预测和评估不同海洋灾害的发生、演化和影响，提高海洋灾害的预测和预警能力，为海洋灾害防治和应急响应提供科学依据。

2）海洋环境保护的教学内容涉及海洋生态环境、海洋生物多样性、海洋资源三大方面的保护，以及海洋污染防治、海洋环境监测和评估及海洋法律和政策[8]。通过研究海洋污染的来源、类型、特点和影响，海洋生物多样性的分布、变化和保护措施，海洋生态系统的结构、功能和演化规律，海洋资源的分布、利用和管理，海洋环境监测和评估的方法、技术和标准，以及国际海洋法律和政策，保护海洋环境，促进海洋可持续发展。

3）海洋气象是研究海洋大气相互作用及其对海洋环境和人类活动的影响的学科。海洋气象教学内容通常包括海洋气象、海洋天气现象、海洋气象要素、大气环流、海洋气象预报、海洋气象应用[9]。通过学习海洋气象，学生能够了解海洋大气系统的基本特征，掌握海洋气象要素的测量和分析方法，了解海洋气象现象的成因和影响，掌握海洋气象预报的基本原理和方法，并能够将所学知识应用于海洋资源开发、航运、渔业、海上救援和海洋环境保护等方面。

4）海洋生物学是研究海洋中各种生物的起源、结构、功能、分布、分类、生态和演化等方面的学科[10]。教学内容包括海洋生态学、海洋生物的生理学、形态学与分类学、海洋生物的分布与生态环境、海洋生物的演化与多样性、海洋生物的保护与利用及海洋生物技术。通过相关学习，了解海洋生态系统的结构和功能，并为生态环境保护提供科学依据。

5）海洋工程是研究海洋环境下的建筑、机械和电气工程问题的学科，其教学内容通常包括海洋工程基础、海洋工程设计、海洋机械、海洋电气、海洋结构安全及海洋资源开发[11]。通过学习工程力学、材料力学、结构力学等工程学基础知识，海洋工程设计的基本原理和方法，海洋电气系统的设计和制造，海洋能源开发和利用的技术和方法，掌握如何设计和建造安全的海洋结构。

综上所述，应用海洋学是一门涉及面广、内容抽象、技能要求高的学科，涉及海洋科学、工程学、环境科学、生物学、地球物理学、地质学、化学和气象学等多个领域的知识。它研究如何利用海洋资源，保护海洋环境，以及在海洋中开展各种人类活动。应用海洋学的教学目的就是让学生掌握基础知识和技能，为保护海洋环境、利用海洋资源、提高海洋灾害的预测和治理能力做出贡献。

（二）  教学目的

深入了解行业动向和需求，坚持“立足深圳，服务南海沿海，面向全国”的服务面向定位，切入行业主流，紧密结合行业需求，建成与国家战略和地方海洋经济社会发展相适应的特色应用海洋学专业教学体系。秉承“既要顶天，又能立地”的海洋人才培养理念，理论与应用并重，科研与实践并举，着力培养既懂科学、又懂技术的可用的、复合型的、有成长性的人才，既能满足广东省、粤港澳大湾区和深圳市海洋发展的需求，同时也能满足各涉海部委的需求，实现“宽口径、厚基础、强能力、全面发展”的海洋人才深圳本土培养目标，将思想政治教育贯穿在研究生教育全程，体现在管理与培养研究生的所有环节，并通过与实践活动有机结合的方式深入思想政治教育，培养具有良好的思想道德和较高的人文科学素养的海洋科学专业高级人才。

二  当前应用海洋学教学存在问题

（一）  教学内容陈旧，教学中难以体现最新成果

在人工智能技术高速发展的背景下，应用海洋学课程知识点涉及面广，包括物理海洋学、化学海洋学、生物海洋学及海洋地质等基础知识;同时，涉及计算流体力学、地理信息系统、人工智能等经典与现代技术学习，包括网格划分策略和数值方法、程序设计和调试、数值解的显示和评估、知识表示、问题搜索、机器学习、遗传算法等。此外，海洋灾害预警预报技术从最初的基于超级计算机的数值预报模型，发展到基于人工智能的部分量化预报模型，特别是针对图像处理的深度学习技术，目前已被广泛应用于海浪、海温、风暴潮等海洋要素的中短期预报[3-5]，海洋三维温盐结构的快速反演[12]，中尺度涡、绿潮等海洋生态灾害的智能识别[13-14]等。但是，当前应用海洋学教育存在和前沿实践技术脱节的现象，海洋应用学教育无法及时追溯到海洋科学领域中人工智能技术的最新运用进展，这也在一定程度上导致教育活动与专业性实践化人才培养的脱节，无法真正促进海洋科学的进步发展，也无法使学生掌握最前沿的海洋应用技术。所以，怎样发展横向教育系统、实现多学科交融，帮助学生及时了解海洋应用前沿技术，促进学生更好地将海洋理论知识运用到战略实践之中，亟需教育工作者全面改革教学大纲，进行完善的学科设计。