程灵巧 初文华 胡 松

（1.上海海洋大学海洋科学学院 上海 201306；2.上海海洋大学海洋科学与技术实验教学示范中心 上海 201306）

在《物理海洋学》课堂教学中，较多的公式推导和错综复杂的海洋流体结构特征解析，让其在学生中具有艰涩难懂、缺乏代入感、无法理论联系实际的负面印象。因此，在课堂教学的基础上，设立《物理海洋学实验》教学，能够较好地弥补上述理论授课中的不足和问题。学生在实验室里对海洋现象进行模拟再现并观察，具有二次理解的效果，进而达到正确掌握理论知识，提高学习兴趣的目的。

《物理海洋学实验》与化学、生物类测量实验不同，重在设计模拟各种尺度海洋现象，或者抽离出海洋中复杂叠加信号的某一部分进行模拟，具有典型的理想实验特点。这一特点与该课程理论多基于理想假设有很大关系。因此，实验设计思路和可视化再现方法是本课程实验的关键。以双扩散实验为例，海洋中的双扩散混合主要体现在温盐变化上，并不能直观看到。而在实验室，水温是较难控制要素之一，因此为了再现双扩散实验，可以利用扩散系数约有3倍差异的盐和糖来进行实验，用颜料进行可视化。通过这样情景模拟为目的实验设计，让学生直接观测到类似海洋中发生的物理现象特征，从感官上再认识、理解物理海洋学知识。另外，基于本实验课程的特点，同时结合目前高校思政教育进课堂的要求，从各实验项目中提取思政素材也具有重要意义。

1 实验设计方案

1.1 实验设计目标

《物理海洋学实验》是一门对学生设计思考、团队协调、动手操作能力方面具有高度训练作用的实验课程。本课程设计目标包括了：（1）通过理论结合实践专业知识的学习和动手能力练习，引导学生逐渐树立学习物理海洋学专业应具备的职业道德，理解诚实公正、诚信守则的职业操守和规范，并能在以后的专业学习中自觉遵守各项规则；（2）通过自己动手进行实验操作的过程，加深理解并掌握物理海洋学专业中需要用到的基础知识，为后续其它专业课程学习，从事物理海洋学相关工作和进行深入科学研究打下基础；（3）在力求培养学生的动手能力与观察能力的同时，理论联系实际地培养学生的独立思考、综合分析能力，科学思维能力和创新意识，全面提高学生的综合素质，并培养学生科学、严谨、实事求是的学风；（4）在学习《物理海洋学》理论课的基础上，通过实验课教学，验证、加强理解和巩固课堂讲授所学知识，使学生深入理解物理海洋理论知识、并达到融会贯通，掌握分析海洋动力环境中各种现象及其机理的能力；（5）通过掌握物理海洋学实验的基本实验操作技能和知识，理解海洋流体力学和海洋运动特征，达到认识海洋、理解海洋、经略海洋[1]的初步阶段。

1.2 实验设计原则

本课程实验多为综合设计型实验，以4-6人小组的形式开展，需要遵循一定设计原则：（1）紧扣理论原则。理论知识是实验设计开展的基础，对实验方法论具有指导和验证作用。学生在实验设计中需要深入理解对应理论知识的框架背景及逻辑关系，进而融会贯通地运用到实验中。（2）团队协作原则。一个综合设计类实验没有标准答案，留给团队充足的思考规划空间，需要团队成员通力合作、合理分担任务才能有效完成。（3）注重实验过程原则。实验最终分数占比为实验表现50%+实验报告50%。实验报告以小组的形式提交，因此小组内成员的报告成绩相同。而实验表现分数因人而异，根据学生在实验过程中的参与度、贡献度和领导力等方面进行客观评分。

2 实验内容及思政素材提取

在能量方程实验中，流动着的液体往往对结构会产生更大的冲击力，液体在流动过程中必然会产生能量的转换与耗散，这一点在生活和工程中都有着十分重要的意义，例如波浪、潮汐对结构的冲击等等，此外在国民经济建设的其他领域，如城市建设、交通运输、环境工程等诸多领域流体力学也是所需应用的重要理论基础。学生在学习过程中更加深刻认识到所学专业理论基础的重要性，进一步加强学生的专业荣誉感，为其今后从事相关专业工作打下重要的思想基础。

在泰勒柱实验中，泰勒-普劳德曼定理解释了大洋海流沿着等深面运动趋势的原因，其中符合这一原理的包括黑潮沿着冲绳海槽流动和黄海暖流沿着黄海海槽流动的现象[2]。在实验室中相对简单的物理环境和操作演示，将复杂海洋中大规模的海流运动基本特征呈现出来，增进学生的理解，进一步增强学生探索海洋的信心。在社会活动中，这种将复杂问题简单化、抓住问题的核心进行分析的能力非常重要，也是科学教育中急需培养的内容。通过该实验的开展，有望使学生在实践分析中培养该方面能力。

另外，在实际海洋中，有一种特定海域，也许海况很好，但却可能发生船只前进困难的情况，海洋学上将这种现象称为“死水”现象[3]。该现象是一个海洋内部界面波阻碍船舶正常行驶的典型案例。通过海洋内部界面波模拟实验的操作和演示，将海表面以下的波浪状态呈现出来，使学生理解海洋内部波浪的原理、发生条件、可能影响后果。拨开现象看本质是物理海洋学实验课程教学的基本思路，通过该实验的开展，相信能够提高学生从本质上分析问题、解决问题的能力。

同时，世界大洋内部是连续层结场，来自海表风场、潮汐能和来自海底的摩擦能，基本是通过内波的形式传播到海洋内部，并在内部通过非线性相互作用转化为更小尺度的动能。此过程中就涉及到连续层结场中内波的传播方式及特征。而在这种连续层结场中，由于各层之间的联动效应及密度差，内波的传播方向与水平方向存在一定夹角。同时相位速度和群速度的传播呈直角关系。这样的传播特征在沿岸、海山附近尤为重要。通过本实验的可视化，学生能够非常直观地观察和思考这种有偏人类正常认知的现象，有助学生深入理解海洋内部物理环境状态，拓展思维方式，增强进一步探索海洋的信心，为成为新时代下有抱负和志向的海洋人打下基础。

在双扩散对流实验中出现的两种海水混合形式都是在层结稳定场中发生。盐指对流出现手指状的高盐水下侵，扩散型对流是高温水上侵，两者都有增强层结稳定的效果。论其产生原因，这是由海水的分子热扩散系数是盐扩散系数的约100倍引起的[3]。双扩散对流是海洋中非常有趣且重要的自然现象，多发生在河流入海口、锋面等具有完全不同特性的水团贯入到层结稳定海水中的情况。通过本实验的开展，学生能够观测到非常形象的双扩散对流混合特征。在本实验中，学生在惊叹这种自然现象的同时，能够意识到人类的局限性及自然世界的无穷魅力，从而引发对自然的敬畏之心，更深刻理解国家大力发展海洋事业、探知海洋的决心。

偏西风波动实验模拟的是大气行星波动——罗斯贝波的运动状态，极地低温与热带高温之间由于某种扰动作用，会触发大规模的波动。这种大规模的大气波动现象对全球亚热带和温带的气候产生深远影响。基于相同的力学结构，海洋也会出现类似的长周期波动。通过该实验的开展，学生观察到只能在实验室中才能再现的行星尺度运动，同时也能较好地理解一些全球性的气候现象，有助于培养学生的全局意识，增强责任感和爱国情怀。

3 结语

在如今高等学校越来越重视实践教学的背景下，本文针对《物理海洋学实验》课程设计进行阐述，分享探讨了实验教学中思政教育融入的新思路。作为传统理论教学的重要辅助，设计类实验能够很好调动学生的学习能动性，鼓励学生进行发散思维拓展；同时，理论知识的引导，帮助学生往正确方向深入思考。在有实验教学能力的情况下，摒弃纸上谈兵、填鸭式教学的旧方法，通过这种理论教学与实验教学相结合的新模式，对启发教学改革和学生学习方面都具有重要意义。思政教育作为目前高校教学改革的重要内容，在实验教学中能够脱离宣讲方式，在学生自主设计、操作实验过程中自然融入，让学生在潜移默化中接受教育[4]。