关于潮汐学课堂教学的研究

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  摘 要:本文首先介绍了潮汐学的发展历史,在此基础上介绍潮汐学主要的教学内容和在教学过程应该注意的重点和难点,希望教师能够帮助学生系统地了解和掌握本门课程,切实地实现学有所专,专有所长。
  关键词:潮汐学;教学内容;教学方法
  潮汐现象与人类有密切的关系,深刻影响着人类海上生产和海上军事活动,尤其生活在沿海的居民,对潮汐的感知更加深刻。有文字记载的人类关于潮汐的认识最早可追溯到两千多年前,伴随人民劳动生产的实践以及科研人员的观测和总结,形成了比较成熟的潮汐理论,即潮汐学。
  由于中国近海潮汐现象非常显著,因此我国古代人民从两千多年前的汉代开始就对潮汐过程有了比较深刻的认识。东汉科学家王充在其《论衡》中写道“涛之起也,随月盛衰,小大满损不齐同”,第一次清楚地提出了潮汐对月亮存在依赖的论断,这是潮汐史上的重大发现。到了唐朝,窦叔蒙在其《海涛志》中首次定量描述了潮汐的变化规律,推算出一个平太阴日为24.8411207小时,与运用现代计算手段得到的24.8412024小时异常接近。北宋科学家沈括在其著作《梦溪笔谈》中第一次提出高潮间隙的概念,认为高潮间隙随地点不同而有所差异。综上所述,我国古代科学家对潮汐的认识和实践都比欧洲人早得多。
  虽然欧洲人对潮汐的认识晚于我们,但是潮汐学作为一门系统的科学理论却形成于欧洲。英国科学家牛顿在其巨著《自然哲学之数学原理》一书中,运用万有引力理论解释潮汐现象,建立平衡潮理论,从而奠定了现代潮汐学的理论基础。之后,法国科学家拉普拉斯又从流体动力学角度研究潮汐,建立了潮汐运动方程,使潮汐学理论得到进一步完善。随着人类有目的地观测海洋,所获取的数据为人们认识潮汐规律提供了可能。古代先人常把潮汐情况和天体运动直接对应起来,这其实就是分析潮汐的非调和方法;近代科学家为了把潮汐现象用更简便的方法定量描述,构思了假想天体,使之与潮汐运动相联系,这就是目前采用的调和方法,人们对潮汐的分析越来越精细,预报也越来越准确。
  一、本课程教学要求和教学内容
  我国著名物理海洋学家毛汉礼院士早在上个世纪六十年代就曾提出潮汐、波浪、海流是海水运动的三种主要形式。潮汐学揭示潮汐的基本运动规律,是物理海洋学专业重要的必修课程。在本科教育阶段,潮汐学这门课程主要向学生介绍什么是潮汐,潮汐如何产生,怎样分析和预报潮汐,潮汐的特征有哪些,如何计算海洋工程中的潮汐特征值,潮流和潮汐的异同点以及潮流的表征元素有哪些,如何计算等。本门课程教学要求学生认识潮汐潮流的基本现象,掌握潮汐的形成机制,并学会对潮汐观测资料进行分析并在此基础上进行潮汐潮流的可靠预报。
  由于本门课程的教学内容涉及较多的数学推导,因此对于物理海洋专业的学生来说,学习本门课程之前,先要修完高等数学和海洋科学导论等基础课程。从教学大纲来看,海洋科学导论课程涉及潮汐现象的介绍,在进行本课程教学时不要花太多学时在这部分内容,用一到两个学时简单复习一下即可。这样可以腾出更多的学时进行引潮力的展开和潮汐潮流的分析和预报内容的介绍。为了帮助学生切实掌握课堂介绍的理论知识,本门课程还应该安排8到10个学时的上机课,指导学生运用课堂学到的知识针对实际观测数据进行潮汐分析和预报。从这个角度讲,本门课程还要求学生具有一定的计算机编程能力。综合所有因素,本门课程一般安排在四年制大学的第五学期也就是大三的上学期比较适宜。
  二、本课程的教学注意事项
  如前所述,潮汐学是一门专业性很强的课程,对学生之前的知识积累要求比较高。比如研究引潮力需要学生对天体物理运动规律和研究方法有一定的认知,引潮力展开涉及到傅立叶级数变换的基本方法,潮汐的调和分析又涉及到最小二乘法在数据处理方面的应用,因此本门课程的学习需要学生具有较好的数理基础。从教学角度看,教师在课堂教学过程中对涉及的概念、原理、现象特征和研究方法需要重点介绍,并加强其与数学表达式的联系。教学上应注意实践和理论相结合,针对某种常见的潮汐现象,给出其数学的表征语言,启迪学生认识现象背后的动力过程,加深学生对有关概念和理论的理解。同时,可参考和借鉴多种辅助教学材料,拓展学生知识面,使教学内容不仅局限于一本教材。
  在教学方法和形式上,教师要充分利用多媒体教学手段。在制作课件时多采用与教学内容相关的图片和动画,避免单纯使用大量文字,以激发学生的学习兴趣。教师在耐心教的同时也要督促学生认真学,采用互动式教学,对常见的潮汐现象和形成机制,通过提问回答的方式,提高学生学习专注力,鼓励学生勤观察多思考并积极提出自己的观点和问题。安排课堂讨论内容,针对潮汐现象背后的动力过程进行讨论,培养学生自己查阅文献、认识问题分析问题的能力,从而达到培养学生学习的主观能动性的目的。对于教学内容中的一些重要的数学公式,教师应该以板书的形式给出详细的推导过程,帮助学生加深理解。为了确保教学内容的连续性和顺畅性,在每一次上课开始时,教师要对上节课所介绍的知识难点和重点进行必要的复习;在下课前,对本次课的主要知识点进行必要的梳理总结,并安排适量的课后作业以帮助学生巩固课堂所学知识,作业的形式既可以是传统的问答题,也可以是布置文献阅读让学生提交文献综述。
  本文结合作者的课程教学实践探讨了本门课程教学应注意的主要事项,在此基础上提出改善和提高本门课程教学质量的一些方法和措施,希望能够帮助学生学好本门课程。
  作者简介:刘浩(1972— ),男,博士,副教授,研究方向:物理海洋学。
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