研究型教學在“數(shù)值天氣預報”課程中的應用

王云峰 鄒力

【摘要】研究型教學，是指教師以課程內容和學員的學識積累為基礎，引導學員創(chuàng)造性地運用知識和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識、培養(yǎng)能力和鍛煉思維的新型教學模式。本文通過對研究型教學模式進行探討，并應用在“數(shù)值天氣預報”課程的教學實施中，通過授課教員有機整合授課內容，有序展開課外創(chuàng)新活動，達到了明顯改進教學質量、培養(yǎng)學員創(chuàng)新意識、提高學員創(chuàng)新能力的效果。

【關鍵詞】研究型教學 數(shù)值天氣預報 教學質量 創(chuàng)新能力

【資助課題】國家自然科學基金（41375106），江蘇省自然科學基金（BK20131065）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）03-0228-02

一、引言

研究型教學，也稱研討式教學，是指教師以課程內容和學員的學識積累為基礎，引導學員創(chuàng)造性地運用知識和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識、培養(yǎng)能力和鍛煉思維的新型教學模式[1]。

研究型教學的目的，在于培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。用批判的態(tài)度繼承，用創(chuàng)新的精神學習，樹立為創(chuàng)新而繼承、為創(chuàng)新而學習的精神[2]。與單純的課堂講授教學模式相比，研究型教學具有鮮明的特征，并充分體現(xiàn)了創(chuàng)新教育的理念。在研討式教學中，教師與學員的關系逐漸從“主動-被動”的單向關系轉變?yōu)椤爸鲃?主動”的雙向關系，學員可以通過自主研究與老師的共同探討實現(xiàn)知識的獲取和能力的提高。

我國的高校教育改革始于1998年，高校擴招政策使更多學子有機會接受高等教育，保障了廣大人民群眾平等接受教育的權利，有利于社會整體素質的提高。經(jīng)過連續(xù)十多年的擴招，我國高校教育的規(guī)模已經(jīng)躍居世界第一，高校教育進入了大眾化的階段。為了更好地提升國民素質，高校的學歷教育不僅是一種知識的學習，而更應該是一種思維的訓練；不僅是一門科學技能的鍛煉，而更應該是一種創(chuàng)新能力的訓練。因此，加強研究型教學這種教學模式的應用，對于培養(yǎng)高校學員的綜合素質、提高創(chuàng)新能力具有非常重要的意義。

數(shù)值天氣預報是依據(jù)初始時刻的大氣狀態(tài)，通過數(shù)值求解大氣運動方程組預報未來天氣的方法。這種方法無論是在大氣動力學理論研究還是在業(yè)務天氣預報中都有廣泛應用，已經(jīng)成為天氣預報現(xiàn)代化的一個重要方面。開設《數(shù)值天氣預報》課程的目的在于系統(tǒng)地介紹數(shù)值天氣預報的基本原理，模式設計和格式構造的思路方法，為今后從事這方面的工作準備必要的基礎[3]。因此，教學過程中，應該以研究型教學為主要手段，遵循實施素質教育、突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)的指導思想，使學員夯實基本知識、掌握基本技能、培養(yǎng)基本能力、提高基本素質。

本文將研究型教學模式在《數(shù)值天氣預報》課程中的實際應用情況展開分析，并就取得的經(jīng)驗及未來的改進途徑展開思考。

二、實際應用情況分析

任課教員結合《數(shù)值天氣預報》課程的特色，通過在教學實踐中不斷摸索，確定了一種以研究型教學模式為主的教學模式，既促進了教員的進步，也明顯提高了教學效果，培養(yǎng)了學員的創(chuàng)新意識和動手能力。具體體現(xiàn)在以下三個方面：

（一）授課教員自我素質的快速提高

傳統(tǒng)的教學模式是單向傳授模式，即“教師教什么，學員就學什么；教師怎么教，學員就怎么學”。研究型教學模式中，學員已成為學習真正的主人，教員主要的責任在于更好地引導，特別是在學員探索未知領域和社會實踐等活動中，教師更要起到組織、引導、啟發(fā)等作用。換言之，這種教學模式其實是對教員本身的學識積累、科研素養(yǎng)等提出了更高的要求。教員除了對本課程的內容有清楚的了解，而且要能夠將教材內容與科學問題有機結合，將傳統(tǒng)理論與科研課題相結合，通過研討和爭論，形成鮮明的學術見解。這樣，才能脫離“照本宣科”，將課講“好”、講“活”，在拓寬學員知識面的同時，啟迪學員的創(chuàng)新性思維，使學員能夠自己發(fā)現(xiàn)和提出科學問題，自主獲取知識。

《數(shù)值天氣預報》課程的實施，需要教員對差分格式的設計、數(shù)值模式的架構、濕物理過程的參數(shù)化方案、初始場的調整等都要做到了然于心，同時對于這些知識的最新進展和科學前沿，也要非常熟悉，這樣才便于更好地指導學員。而這些知識和能力的積累，需要教員參加各種科研項目，通過積累的科研實踐、技術攻關的豐富經(jīng)驗，以研促教、以教促研，從而提高授課質量。

（二）授課內容的有機整合

教學模式的改變必然涉及到教學內容的有機整合。我國數(shù)值天氣預報的研究工作開始的比較早，1955年在沒有電子計算機的條件下，用圖解法作出了準地轉兩層模式500hPa的24小時預報。在我國104電子計算機研制成功之后，建立在氣象學、流體動力學和數(shù)學緊密結合基礎上的數(shù)值天氣預報得到了突飛猛進的發(fā)展。尤其是計算機和數(shù)值模式高速發(fā)展的今天，新的技術和新的方法如雨后春筍般出來。因此，《數(shù)值天氣預報》課程最早使用的教材內容，發(fā)展到現(xiàn)在有很多已經(jīng)不適合了。教學模式的改變，促進了教學內容的更新和有機整合。為此，教員必須非常注重理論內容更新，緊密追蹤國內外最新研究進展，并時刻關注其他院校的教材更新，力爭將最新的技術和方法引入到課堂中來。同時，對于《數(shù)值天氣預報》課程的內容，也必須作出巨大調整，在遵照“人才培養(yǎng)方案”和“課程標準”的大前提下，對教學內容按照知識點群的架構進行重新組合，以新型氣象保障系統(tǒng)中對數(shù)值天氣預報的要求來選擇課程內容，并以知識綜合、創(chuàng)新設計為原則設計各種“小論文”題目，讓學員通過圍繞特定主題而展開調研的方式來獲得更全面的知識，通過撰寫創(chuàng)新研究型的小論文而訓練出更全面的能力，通過辯論和做學術報告來培養(yǎng)更全面的素質。

研究型教學所傳授的應該是活的知識，是實際與理論的結合體，因此授課教員在深刻領會好“是什么”，“為什么”的同時，更要從基層臺站建設的特點規(guī)律上進行思考研究，緊密聯(lián)系基層臺站的實際需要，幫助學員回答好“怎么辦”的問題。以數(shù)值天氣預報模式的選擇為例，各種不同的數(shù)值天氣預報模式所需要的計算資源和資料來源都有著數(shù)量級上的差異，對于總部級的氣象中心來說，由于超級計算機群和衛(wèi)星接收裝置的配備，運行全球模式是可行的，但是對于偏遠地區(qū)的臺站來說，運行區(qū)域數(shù)值預報模式都可能是奢望，只能運行一些簡單的程序來進行解釋應用。所以，在進行教學的過程中，要針對不同的情況，作出多種層次的講解和對比，讓學員通過研究型的調研，具備“舉一反三”多條線路的思考方式，深刻理解學習這門課的重要意義和靈活方式，便于將這門課的知識和技能應用于日后的工作之中去。

總之，通過對授課內容的有機整合，在課堂中為學員提供了發(fā)現(xiàn)問題、研究和解決問題的基本程序，提供了豐富的實踐機會，為學員在今后工作中開拓創(chuàng)新提供了可資借鑒的經(jīng)驗。

（三）課外實踐活動的緊密結合

研究型教學的一個重要特點就是淡化了課內課外的時間觀念，使教學不再僅僅是課內的事。課外實踐活動成為教學過程的重要一環(huán)。

1.編寫程序

作為《數(shù)值天氣預報》這門課程，其最重要的實踐活動就是編寫數(shù)值預報程序。教員根據(jù)教學進展和學員的基礎，從第一堂課開始，每次課都就布置了相應的小程序和小算法的課后編程訓練任務，從水平插值算法、垂直插值算法、迭代計算、地圖放大系數(shù)、平流差分格式設計、變量配置設計、守恒差分格式設計等等，一直到最后編寫正壓原始方程模式，一步步由淺入深，讓學員完成了理論知識的積累和編程能力的鍛煉。

2.圖形顯示

如何將計算結果用最合適的方式表現(xiàn)出來，對于科技工作者來說也是一個重要的關鍵問題。所以，教員也注重加強了圖形顯示方面的訓練。通過教員引導，學員們收集了Grads、NCL、MatLab、Graph、IDL、AutoCAD等多種繪圖軟件，通過訓練學會了如何根據(jù)不同的科學意圖，合理地去使用它們，從而最有效地表達出最好的效果。根據(jù)教員和學員的努力，總結出如下一套畫圖的經(jīng)驗：

（1）圖想表達什么，就要讓人一眼看出；

（2）真實地表達資料，不要隨便插值。最大、最小值要反映出來，特殊處理要說明；

（3）小值用淺色，大值用深色，顏色變化應該是連續(xù)的；

（4）出圖的大小與出版的大小應該差不多；

（5）等值線、XY軸的字都必須清晰可見，大小應該為12號；

（6）每個圖的圖解都要寫清楚，圖解中不需要寫畫圖目的和討論內容。

3.創(chuàng)新活動

教員充分利用學校組織的大學生科技競賽這個平臺，根據(jù)學員的特點和能力，進行個性化的教學和培養(yǎng)，積極撰寫科技小論文。

大學生科技競賽的選題可以來源于學科研究熱點問題，也可以來自相關業(yè)務實踐工作的需求。例如結合北京2008年的奧運會氣象保障，進行數(shù)值模擬和天氣預報保障研究；結合影響中國的登錄臺風個例，進行臺風路徑的數(shù)值模擬和機理分析研究；結合北京“721”暴雨事件，進行暴雨個例的模擬與暴雨機理的分析研究；等等。通過競賽，使學員訓練了科研能力，增強了自信感。

課堂不僅是學習的基地，也是研究的基地，更是出現(xiàn)創(chuàng)新思想的基地。在實際的教學活動中，教員要充分利用大學生科技競賽、畢業(yè)設計等契機，吸收學員參與科研，有利于學員們溫故知新，無形之中加深了對理論的理解，鞏固了所學知識。另外，通過參與科研活動，可以使學員有機會接觸專業(yè)領域的最新動態(tài)，了解科技前沿和發(fā)展趨勢，激勵進一步學習和研究的興趣，培養(yǎng)他們理論聯(lián)系實際的能力以及團隊合作意識和精神。

（四）總結及思考

研究型教學模式的應用是一個系統(tǒng)的工程，涉及到教員自身素養(yǎng)的不斷提高、課程內容的有機整合、課外實踐活動的緊密結合等。但是，在教學過程中，還需要考慮學員有效學習、研究時間的保證，科研場所和硬件條件的保證等實際存在的困難。因此，還需要不斷摸索開展研究型教學的有效途徑，做到理論和實踐的有機結合，不斷提高學員的綜合素質，為國家培養(yǎng)更多的人才。

參考文獻：

[1]韋寶平.創(chuàng)新教育視角下的研究型教學[J].江蘇高教，2003，（4）：85-86.

[2]范群成，徐彤、席生岐等.研究型教學在“材料科學基礎”課程的實踐與思考[J].中國大學教育，2012，（8）：61-62.

[3]周毅，侯志明，劉宇迪等.數(shù)值天氣預報基礎，北京：氣象出版社，2003.6（2013.8重?。?/p>