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    《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》課程教學(xué)中的一些思考

    2020-01-08 12:25:31
    科教導(dǎo)刊·電子版 2020年30期
    關(guān)鍵詞:水文氣象觀測(cè)

    (國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 410073)

    1 概述

    氣象水文觀測(cè)資料是開(kāi)展大氣及海洋科學(xué)研究及業(yè)務(wù)保障的基礎(chǔ),觀測(cè)資料的豐富性、準(zhǔn)確性及處理的科學(xué)性,不僅影響氣象海洋環(huán)境保障可靠性,同時(shí)對(duì)于加深對(duì)大氣海洋物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí),揭示新的大氣海洋變化規(guī)律,完善天氣及海洋環(huán)境預(yù)報(bào)理論及預(yù)報(bào)模式也有重要意義。但實(shí)際氣象水文觀測(cè)及資料處理中面臨兩方面的問(wèn)題:一是氣象水文觀測(cè)資料受儀器原理、環(huán)境擾動(dòng)及操作人員等因素的影響,不可避免存在測(cè)量誤差,如何盡可能評(píng)估并減小這些誤差的影響,是保證資料可用首要需要解決的問(wèn)題;二是為揭示氣象水文信息變化特征、判斷不同天氣系統(tǒng)的變化規(guī)律,需要對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行合理處理(如統(tǒng)計(jì)分析、特征提取等),如何根據(jù)不同需求,合理選擇數(shù)學(xué)模型及方法實(shí)現(xiàn)這些資料的優(yōu)化處理這也是氣象水文觀測(cè)資料使用過(guò)程需解決的重要問(wèn)題。《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》就是針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)的一門課程。

    在我校應(yīng)用氣象學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)體系中,《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》是一門核心專業(yè)課,其目的是建立起溝通大氣海洋探測(cè)原理、氣象水文觀測(cè)業(yè)務(wù)及科學(xué)研究的“橋梁”。通過(guò)本課程學(xué)習(xí),不僅要使學(xué)員鞏固前期的大氣物理、物理海洋與大氣探測(cè)學(xué)知識(shí),了解觀測(cè)資料“到底是什么”、“有什么特性”、“如何使用這些資料”,也為后續(xù)的氣象水文觀測(cè)業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)、畢業(yè)綜合實(shí)踐及后續(xù)研究生深造等環(huán)節(jié)打下良好基礎(chǔ)。

    2 主要教學(xué)內(nèi)容

    《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》主要圍繞以下幾個(gè)問(wèn)題開(kāi)展教學(xué),包括“氣象水文觀測(cè)資料處理有什么要求”、“如何控制數(shù)據(jù)質(zhì)量”、“采用什么方法分析數(shù)據(jù)”、“如何讓實(shí)現(xiàn)多種資料的融合提升”,“如何提高數(shù)據(jù)實(shí)戰(zhàn)分析能力”。按照該思路,本課程理論教學(xué)內(nèi)容大致可分為3篇章:

    第一篇章是基礎(chǔ)篇。該部分教學(xué)內(nèi)容主要包括兩方面:一是介紹氣象水文觀測(cè)資料處理的三性要求(包括“代表性”、“準(zhǔn)確性”、“比較性”)及其在觀測(cè)資料處理中的典型個(gè)例;二是介紹誤差處理與質(zhì)量控制方法,包括如何剔除粗大誤差、發(fā)現(xiàn)并訂正系統(tǒng)誤差,如何評(píng)估觀測(cè)資料的隨機(jī)誤差并給出不確定度評(píng)定等。

    第二篇為統(tǒng)計(jì)分析篇。主要針對(duì)資料的使用需求,介紹氣象水文觀測(cè)資料的常用處理方法,包括回歸分析、判別分析、聚類分析及主成分分析等,并結(jié)合實(shí)際氣象水文觀測(cè)業(yè)務(wù)及科學(xué)研究的需求,設(shè)置典型案例,以需求為牽引,提升教學(xué)的問(wèn)題導(dǎo)向性及趣味性。

    第三篇是融合同化篇。主要介紹數(shù)據(jù)的融合提升方法,包括信息融合方法、數(shù)據(jù)同化方法;為使學(xué)員掌握氣象水文觀測(cè)資料處理方法的計(jì)算實(shí)現(xiàn)原理,還增加了常用數(shù)值分析方法的介紹。

    由于該課程的落腳點(diǎn)是為了提升學(xué)員的實(shí)際能力,理論教學(xué)的同時(shí),還交叉安排了對(duì)應(yīng)的實(shí)踐課程,保證每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都能以計(jì)算程序的形式予以體現(xiàn),將資料處理方法的基本物理模型及數(shù)學(xué)理論烙在學(xué)員心里,熟練在學(xué)生手上。

    3 課程目標(biāo)及特點(diǎn)

    本課程的教學(xué)目標(biāo)是:通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握氣象觀測(cè)資料處理的基本要求、質(zhì)量控制方法、資料統(tǒng)計(jì)分析方法及資料融合提升技術(shù),培養(yǎng)學(xué)員綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際氣象水文觀測(cè)資料處理問(wèn)題的能力,打通從“資料是什么”到“資料怎么用”的關(guān)節(jié),并通過(guò)資料“實(shí)戰(zhàn)化”處理,將理論轉(zhuǎn)為實(shí)踐能力。

    本課程是一門集“理、工、技”于一體的綜合性課程,既有完整的理論體系,又與新技術(shù)、新理論緊密結(jié)合,同時(shí)也有技能培養(yǎng)要求。在教學(xué)實(shí)踐中,要高度注意理論講解與實(shí)踐能力培養(yǎng)的結(jié)合。除此之外,本課程還有以下特點(diǎn):

    一是“需求牽引性強(qiáng)烈”。本課程堅(jiān)持所有知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置以實(shí)際應(yīng)用為牽引,課程內(nèi)容設(shè)計(jì)以氣象水文資料處理的實(shí)際問(wèn)題為引入,通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)數(shù)學(xué)物理方法,最終解決實(shí)際業(yè)務(wù)及科學(xué)研究中的資料處理問(wèn)題;如在回歸分析中,選取了“鉑電阻溫度計(jì)定標(biāo)問(wèn)題”作為引入,在講授判別分析時(shí)選取了“天氣形勢(shì)判別”問(wèn)題作為切入點(diǎn)等。

    二是“理論性強(qiáng)”。該課程學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)大氣物理、高等數(shù)學(xué)、矩陣論及概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等知識(shí)在氣象水文觀測(cè)資料處理領(lǐng)域的應(yīng)用,相關(guān)內(nèi)容難度大、理論性高。如在氣象水文觀測(cè)資料處理部分涉及大量的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí),在多級(jí)判別、資料同化應(yīng)用等知識(shí)講授過(guò)程中,需要學(xué)員對(duì)矩陣論、泛函分析及變分原理等高等數(shù)學(xué)知識(shí)有一定掌握。

    三是“實(shí)操性高”。在理論學(xué)習(xí)的同時(shí),高度重視資料處理能力的培養(yǎng),特別是對(duì)資料分析能力、編程能力極具挑戰(zhàn)性。在實(shí)踐環(huán)節(jié),不僅需要學(xué)員了解觀測(cè)資料的特性,同時(shí)需要考察學(xué)員如何合理選擇處理方法及模型,如何將模型進(jìn)行流程化設(shè)計(jì),如何利用MATLAB或FORTRAN將相關(guān)知識(shí)落實(shí)于程序代碼等。

    四是“探索度高”。隨著新探測(cè)手段的出現(xiàn),新的觀測(cè)資料處理方法也急需配套,這不僅需要對(duì)探測(cè)原理和先進(jìn)數(shù)學(xué)方法的深入了解,也需要學(xué)員有敢于挑戰(zhàn),敢于探索的勇氣。如通過(guò)對(duì)先進(jìn)氣象水文觀測(cè)平臺(tái)及傳感器的介紹(如“風(fēng)云4號(hào)”氣象衛(wèi)星及搭載的紅外高光譜輻射計(jì)、微波輻射計(jì)等),一方面使學(xué)員了解大氣探測(cè)技術(shù)最新進(jìn)展及原理,更重要的是鼓勵(lì)學(xué)員根據(jù)實(shí)際需求,針對(duì)性地去思考、學(xué)習(xí)和探索對(duì)應(yīng)的資料處理方法。

    4 一些思考

    針對(duì)《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》課程特點(diǎn),在課程設(shè)計(jì)及講授過(guò)程中我們采用了以下教學(xué)方式:

    (1)堅(jiān)持與實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向,理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合,從實(shí)際的資料處理問(wèn)題及需求出發(fā),培養(yǎng)學(xué)員利用工具解決實(shí)際大氣探測(cè)問(wèn)題的能力。一方面,通過(guò)實(shí)際問(wèn)題牽引,激發(fā)學(xué)員專研氣象水文觀測(cè)資料處理方法的興趣,提升課堂的趣味性;通過(guò)講思路、講方法,培養(yǎng)學(xué)員提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。另一方面,在實(shí)踐環(huán)節(jié),通過(guò)實(shí)際資料處理問(wèn)題分析、編程實(shí)踐、效果檢驗(yàn)、心得體會(huì)交流等過(guò)程的閉環(huán),將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力與工作能力。

    (2)堅(jiān)持導(dǎo)學(xué)、研討、啟發(fā)相結(jié)合。堅(jiān)持“基本問(wèn)題導(dǎo)學(xué)、核心問(wèn)題研討、擴(kuò)展問(wèn)題啟發(fā)”。對(duì)于“基本問(wèn)題”,如基本概念及定義、儀器測(cè)量原理,在課前布置學(xué)員預(yù)習(xí),課上提問(wèn)并釋疑,以導(dǎo)學(xué)的方式促進(jìn)學(xué)員自學(xué)能力的提升;對(duì)于“核心問(wèn)題”,如數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,不確定度評(píng)定、最小二乘原理等,則通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)牽引討論,深入認(rèn)識(shí)不同方法的本質(zhì)、不足和可能的改進(jìn)途徑,以研討促進(jìn)質(zhì)疑能力;對(duì)于“擴(kuò)展問(wèn)題”(如新型探測(cè)與遙感儀器的資料處理方法、最新數(shù)學(xué)物理方法在氣象水文觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用等),堅(jiān)持實(shí)際業(yè)務(wù)和應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的引領(lǐng),使學(xué)員感覺(jué)到不斷探索的魅力,以啟發(fā)促進(jìn)培養(yǎng)創(chuàng)造能力。

    (3)教員“導(dǎo)”、學(xué)員“學(xué)”和小組“研”相結(jié)合。充分發(fā)揮“導(dǎo)”的作用,注意在課堂上的引導(dǎo)和啟發(fā),并注重課后的輔導(dǎo),使學(xué)員學(xué)有方向;盡量發(fā)掘“學(xué)”的作用,教學(xué)的主體是學(xué)員,充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的積極性以提高教學(xué)質(zhì)量,并強(qiáng)調(diào)學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)比學(xué)會(huì)知識(shí)更重要,但學(xué)會(huì)知識(shí)是學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的途徑;堅(jiān)持發(fā)揚(yáng)“組”的作用,將學(xué)員分組,共同開(kāi)展預(yù)習(xí)、討論和研究,使學(xué)員認(rèn)識(shí)到大氣探測(cè)工作中團(tuán)隊(duì)意識(shí)的重要性,培養(yǎng)協(xié)作互補(bǔ)的精神。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    氣象水文觀測(cè)資料的科學(xué)處理不僅是實(shí)現(xiàn)資料本身“可靠”的需求,也是保證后續(xù)科學(xué)研究及業(yè)務(wù)保障有效性的必要措施。為了有效銜接“氣象海洋觀測(cè)方法與技術(shù)”與氣象水文業(yè)務(wù),我校針對(duì)應(yīng)用氣象學(xué)專業(yè),構(gòu)建了《氣象水文觀測(cè)資料處理方法》課程,目的在于使學(xué)員了解“資料是什么”,“有什么特性”以及“用什么方法來(lái)處理這些數(shù)據(jù)”等,為學(xué)員從事第一任職或繼續(xù)深造打下良好基礎(chǔ)。本文主要介紹了該課程定位、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置等,并針對(duì)課程特點(diǎn),介紹了個(gè)人在課程教學(xué)時(shí)的幾點(diǎn)體會(huì)與思考。希望通過(guò)課程不斷建設(shè)與完善,使之成為學(xué)員“喜聞樂(lè)見(jiàn)”、“增長(zhǎng)才干”的課程。

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