應(yīng)用氣象學(xué)專業(yè)“大氣探測(cè)學(xué)”課程教學(xué)改革探索

劉西川 胡帥 趙世軍

[摘 要] 面向國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院“應(yīng)用氣象學(xué)”本科專業(yè)的“大氣探測(cè)學(xué)”教學(xué)需求，在課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、評(píng)價(jià)模式等方面開(kāi)展了教學(xué)改革探索。剖析了大氣探測(cè)理論與實(shí)踐結(jié)合、基礎(chǔ)與前沿并重等特點(diǎn)，引入任務(wù)型教學(xué)、結(jié)構(gòu)教學(xué)法和項(xiàng)目化學(xué)習(xí)等教學(xué)方法。并以“降水測(cè)量”一課為例，強(qiáng)調(diào)以大氣物理為基礎(chǔ)，以先進(jìn)電子技術(shù)為工具，引導(dǎo)學(xué)生思考從大氣探測(cè)基本原理到切實(shí)可行的儀器之間的技術(shù)工程問(wèn)題，提升學(xué)生提出問(wèn)題、解決問(wèn)題及尋找答案的自主能力。

[關(guān)鍵詞] 應(yīng)用氣象學(xué);大氣探測(cè)學(xué);教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] P49? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）01-0074-04? ? [收稿日期] 2020-06-19

一、引言

應(yīng)用氣象學(xué)是大氣科學(xué)的重要分支，將氣象學(xué)的原理、方法和成果應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、航空、軍事等各個(gè)方面，是大氣科學(xué)與其他學(xué)科相結(jié)合形成的交叉性應(yīng)用學(xué)科[1]。自1998年教育部調(diào)整與頒布大氣科學(xué)類新專業(yè)以來(lái)，南京大學(xué)、南京信息工程大學(xué)、蘭州大學(xué)、成都信息工程大學(xué)等8所大學(xué)都開(kāi)展了應(yīng)用氣象學(xué)專業(yè)本科教育[2]，大多面向公共氣象服務(wù)、農(nóng)業(yè)氣象、航空氣象、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[3]。中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)從2017年開(kāi)始招收應(yīng)用氣象學(xué)本科生，主要面向軍事氣象保障，期待該專業(yè)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)大氣物理、大氣探測(cè)學(xué)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、遙感與遙測(cè)等方面的基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)，具備從事軍事大氣探測(cè)設(shè)備使用維護(hù)、技術(shù)保障的初步能力。

培養(yǎng)目標(biāo)不同，課程設(shè)置也有較大區(qū)別。根據(jù)“現(xiàn)代課程理論之父”泰勒在《課程與教學(xué)的基本原理》中的觀點(diǎn)，開(kāi)發(fā)任何課程或指定任何教學(xué)計(jì)劃都必須關(guān)注目標(biāo)、內(nèi)容、實(shí)施、評(píng)價(jià)四個(gè)方面。基于此，筆者嘗試開(kāi)展“大氣探測(cè)學(xué)”課程教學(xué)改革，探索面向軍事氣象的應(yīng)用氣象學(xué)專業(yè)課教學(xué)新模式。

二、“大氣探測(cè)學(xué)”的課程重構(gòu)

（一）課程定位與目標(biāo)

大氣探測(cè)是大氣科學(xué)的基礎(chǔ)性學(xué)科分支，作為認(rèn)識(shí)地球大氣的重要手段，大氣探測(cè)不僅是開(kāi)展氣候預(yù)測(cè)和天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，也是保障武器系統(tǒng)和軍事行動(dòng)的關(guān)鍵[4]。根據(jù)《中國(guó)氣象百科全書(shū)·氣象觀測(cè)與信息網(wǎng)絡(luò)卷》的定義，大氣探測(cè)學(xué)是以大氣為研究對(duì)象，研究觀察和測(cè)量大氣物理、化學(xué)性質(zhì)、大氣現(xiàn)象及變化過(guò)程的理論、方法、技術(shù)和儀器的一門(mén)學(xué)科[5]?！按髿馓綔y(cè)學(xué)”在整個(gè)課程體系中，起著承上啟下的重要作用。

基于上述考慮，制定“大氣探測(cè)學(xué)”課程目標(biāo)如下：

一是了解大氣探測(cè)的基本原理、方法、技術(shù)與要求，具有使用和維護(hù)大氣探測(cè)儀器與設(shè)備的能力。

二是掌握氣象資料的獲取、數(shù)據(jù)處理與分析方法，能夠借助相應(yīng)儀器，按照觀測(cè)規(guī)范獲取氣象資料并對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理分析，能夠判斷大氣探測(cè)誤差來(lái)源。

三是能根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)造性地改進(jìn)探測(cè)技術(shù)和儀器，對(duì)氣象探測(cè)事業(yè)充滿信心與熱情。

（二）課程內(nèi)容

“大氣探測(cè)學(xué)”是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)把握好以下三個(gè)特點(diǎn)和要求：

一是厘清主線脈絡(luò)。大氣探測(cè)涉及溫濕壓風(fēng)和云能天等多種氣象要素和現(xiàn)象，探測(cè)原理涉及聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)，探測(cè)方法涉及目測(cè)、直接探測(cè)、間接探測(cè)、遙感等。探測(cè)對(duì)象、探測(cè)原理和探測(cè)方法是錯(cuò)綜交織的，因此在學(xué)習(xí)過(guò)程中，需要以探測(cè)對(duì)象為主線，厘清大氣探測(cè)的技術(shù)脈絡(luò)。

二是理論與實(shí)踐結(jié)合。大氣探測(cè)是典型的“理工技一體”綜合學(xué)科，大氣探測(cè)理論、原理、方法和技術(shù)，最后的落腳點(diǎn)都是大氣探測(cè)儀器和實(shí)踐。大氣探測(cè)技術(shù)不僅在實(shí)踐中得到驗(yàn)證，更在實(shí)踐中進(jìn)一步發(fā)展。因此在學(xué)習(xí)過(guò)程中，需要強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)踐，理論指導(dǎo)實(shí)踐。

三是基礎(chǔ)與前沿并重。大氣探測(cè)是大氣物理與電子技術(shù)的交叉學(xué)科，大氣探測(cè)技術(shù)是隨著電子、信息、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展的。因此對(duì)大氣探測(cè)的學(xué)習(xí)，應(yīng)當(dāng)以大氣物理為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生思考將各種新興、前沿和交叉技術(shù)引入大氣探測(cè)，并推動(dòng)大氣探測(cè)發(fā)展這一過(guò)程。

針對(duì)“大氣探測(cè)學(xué)”課程的探測(cè)要素多、探測(cè)方法多、技術(shù)體系分散的難點(diǎn)，我們重新梳理了教學(xué)內(nèi)容，在原有《大氣探測(cè)學(xué)》教材[6]的基礎(chǔ)上，自編了第二版《大氣探測(cè)學(xué)》教材。新編教材在全面覆蓋大綱要求的基礎(chǔ)上，打破了以往的地面氣象觀測(cè)、高空氣象探測(cè)、大氣遙感探測(cè)這一傳統(tǒng)分類方法，以探測(cè)對(duì)象為主線，以大氣探測(cè)原理為基礎(chǔ)，介紹溫濕壓風(fēng)等氣象要素及云能天等現(xiàn)象的探測(cè)方法。同時(shí)，對(duì)原有教材內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整：刪除了部分目測(cè)和過(guò)時(shí)儀器，引入微波鏈路測(cè)量降水新方法、激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)風(fēng)切變、微光云圖探測(cè)與定標(biāo)等最新研究成果[7]。

此外，為了引導(dǎo)學(xué)生用開(kāi)放的思想、辯證和批判的態(tài)度來(lái)對(duì)待課程學(xué)習(xí)，我們還將攝像頭測(cè)量能見(jiàn)度、手機(jī)測(cè)量溫度等[8]正在探索、有待驗(yàn)證的技術(shù)以研究性學(xué)習(xí)的形式引入教學(xué)中，進(jìn)行項(xiàng)目化探討。

（三）課程實(shí)施方式

針對(duì)上述課程內(nèi)容，我們制定了最新的教學(xué)大綱和課程實(shí)施計(jì)劃。理論學(xué)習(xí)部分采用傳統(tǒng)的班級(jí)授課制進(jìn)行，旨在對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論補(bǔ)充，不僅“知其然”，還能“知其所以然”;實(shí)踐部分包括技能強(qiáng)化性訓(xùn)練和原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)“觀云測(cè)天不斷線”的日常訓(xùn)練，注重觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)積累和技能提高;通過(guò)計(jì)算機(jī)建模進(jìn)行數(shù)值仿真和驗(yàn)證，鞏固大氣探測(cè)的基本原理和基本方法。筆者在本課程的實(shí)施中進(jìn)行了如下嘗試：

一是引入任務(wù)型教學(xué)。針對(duì)大氣探測(cè)對(duì)象多、各要素之間獨(dú)立成章的特點(diǎn)，引入任務(wù)型教學(xué)[9]，將每一類氣象要素的探測(cè)均設(shè)置為一項(xiàng)任務(wù)，教員主導(dǎo)，學(xué)生經(jīng)歷全過(guò)程。任務(wù)前強(qiáng)調(diào)氣象要素的基本概念和測(cè)量需求，任務(wù)中強(qiáng)調(diào)測(cè)量原理和方法，任務(wù)后強(qiáng)調(diào)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用。

比如，在教學(xué)“云的測(cè)量”內(nèi)容時(shí)，筆者在課前布置學(xué)生先預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，通過(guò)教材和文獻(xiàn)閱讀，了解云的定義、分類、特征和重要性，引導(dǎo)學(xué)生思考如何測(cè)量云;在課程中講解相似云的分類、云的目測(cè)和器測(cè)方法，重點(diǎn)剖析典型測(cè)云方法和儀器，并通過(guò)橫向和縱向比較理解各種方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性;課后利用實(shí)踐課時(shí)和課余時(shí)間，通過(guò)測(cè)云裝備的操作和數(shù)據(jù)分析，加深對(duì)測(cè)云方法的理解和掌握。

二是引入結(jié)構(gòu)教學(xué)法。針對(duì)大氣探測(cè)原理和方法眾多的特點(diǎn)，引入結(jié)構(gòu)教學(xué)法[ 10 ]。對(duì)于每一類氣象要素的測(cè)量，把教學(xué)內(nèi)容按照“整體—部分—再整體”的層次再組織，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，把機(jī)械、模擬、電子、光學(xué)、微波等諸多知識(shí)點(diǎn)分解為一個(gè)個(gè)學(xué)生可接受的知識(shí)單元，最后再回歸整體，把教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的能力結(jié)構(gòu)。

比如，在教學(xué)“溫度的測(cè)量”內(nèi)容中，溫度的測(cè)量涉及漲縮式、頻率式、模擬式、被動(dòng)式和主動(dòng)式等多種原理，分類眾多，對(duì)于學(xué)生而言容易混淆。筆者在教學(xué)時(shí)把溫度的測(cè)量分為接觸式測(cè)量模塊、主動(dòng)非接觸式測(cè)量模塊、被動(dòng)非接觸式測(cè)量模塊，分別按照測(cè)量原理、測(cè)量方法和測(cè)量誤差進(jìn)行講解，尤其是明確表面溫度和溫度廓線的區(qū)別。然后再將多種方法進(jìn)行總結(jié)，梳理共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，便于學(xué)生理解和掌握。

三是引入項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。針對(duì)大氣探測(cè)理論與實(shí)踐相結(jié)合、理工技一體的特點(diǎn)，以戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息獲取為任務(wù)背景，設(shè)置大氣輻射傳輸計(jì)算、衛(wèi)星反演溫度廓線等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)[ 11 ]，引導(dǎo)學(xué)生把多學(xué)科理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，讓他們?cè)谔岢鰡?wèn)題、解決問(wèn)題以及尋找答案的過(guò)程中，培養(yǎng)開(kāi)放性和系統(tǒng)性思維。

比如，在進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)“降水特征分析與雷達(dá)定量估計(jì)降水”時(shí)，為了讓學(xué)生更好地進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，筆者創(chuàng)設(shè)了一個(gè)梅雨季節(jié)強(qiáng)降雨監(jiān)測(cè)的情境，首先讓學(xué)生利用學(xué)院自主研制的降水微物理特征測(cè)量?jī)x開(kāi)展外場(chǎng)測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)處理掌握降水資料的處理方法和基本特征。然后結(jié)合天氣雷達(dá)的回波資料，利用實(shí)測(cè)資料擬合Z-R關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。使學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作，加深對(duì)大氣探測(cè)原理的掌握和應(yīng)用。

四是課程評(píng)價(jià)。教學(xué)評(píng)價(jià)方面，我們突出表現(xiàn)性和發(fā)展性評(píng)價(jià)，注重學(xué)生互評(píng)和師生評(píng)價(jià)相結(jié)合、終結(jié)性評(píng)價(jià)和過(guò)程性評(píng)價(jià)相結(jié)合。其中，過(guò)程性評(píng)價(jià)側(cè)重評(píng)價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和作業(yè)中表現(xiàn)出的思考問(wèn)題的深度、回答問(wèn)題的創(chuàng)新性，以及解決問(wèn)題的發(fā)展性，占40%，終結(jié)性考試成績(jī)占60%。由于課程內(nèi)容包括理論和實(shí)踐兩部分，因此終結(jié)性考試也不僅是紙筆測(cè)試，另有40%為實(shí)踐考評(píng)。比如，2019年度的考試中，筆者采用理論考試和上機(jī)考試相結(jié)合的方式，理論考試以概念和原理為主，重點(diǎn)評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握能力，上機(jī)考試以數(shù)學(xué)建模和仿真計(jì)算為主，重點(diǎn)評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用能力。

三、“降水測(cè)量”教學(xué)設(shè)計(jì)

降水是指液態(tài)、固態(tài)或混合態(tài)的水成物從空中下落到地面上的現(xiàn)象。降水的測(cè)量是“大氣探測(cè)學(xué)”的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。傳統(tǒng)上，降水的測(cè)量主要講解雨量筒、翻斗雨量計(jì)、虹吸式雨量計(jì)等地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)所用的常規(guī)降水測(cè)量?jī)x器，僅能夠測(cè)量降水量、降水強(qiáng)度和降水時(shí)數(shù)。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光學(xué)雨量計(jì)、光學(xué)雨滴譜儀等新方法和新儀器，能夠測(cè)量降水粒子的尺度譜、速度、形狀等，在科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用[ 12 ]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，“降水測(cè)量”一課從降水的宏微觀物理特征出發(fā)，引入了最新的降水測(cè)量方法，對(duì)授課內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了全新梳理。

“降水測(cè)量”一課的教學(xué)目標(biāo)是了解降水的宏微觀物理特征，了解承水法、撞擊感壓法，掌握脈沖成像法同步測(cè)量降水粒子形狀、尺度和速度。重點(diǎn)是了解降水粒子微物理特征，難點(diǎn)是掌握脈沖成像法。教學(xué)方法采用講授法、演示法、討論法和探究法。教學(xué)過(guò)程中，以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，按照以下五個(gè)步驟展開(kāi)，具體流程如下圖所示。

一是情景導(dǎo)入，引出話題。通過(guò)典型情景，點(diǎn)出社會(huì)和軍事對(duì)降水測(cè)量的需求，如暴雨、冰雹不僅給人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大損失，也影響軍事行動(dòng)部署和武器作戰(zhàn)效能，強(qiáng)調(diào)降水測(cè)量的重要性。

二是明確概念，梳理特征。明確降水的基礎(chǔ)概念，梳理降水的宏觀量和微觀量?jī)深愄卣鳌＝Y(jié)合大氣物理基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)講解降水粒子的形狀、速度、譜分布等微觀量，明確其物理概念和特征。

三是任務(wù)驅(qū)動(dòng)，分組驗(yàn)證。以降水測(cè)量為任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生思考如何測(cè)量降水。從承接雨水的基本方法出發(fā)，引出承水法，介紹雨量筒和翻斗式雨量計(jì)的基本原理，其中重點(diǎn)講解翻斗式雨量計(jì)的結(jié)構(gòu)組成和性能。從日常生活中雨滴落在傘面上能夠感覺(jué)到雨滴撞擊的感受出發(fā)，引出撞擊感壓法，介紹降水粒子的大小、速度和動(dòng)能的關(guān)系，指出根據(jù)動(dòng)能可以反算粒子大小。從日常的手機(jī)拍照出發(fā)，引出脈沖成像法，重點(diǎn)講解脈沖同步照明解決快速慢速同步曝光、遠(yuǎn)心成像解決景深等問(wèn)題，指出利用自相關(guān)圖像可以得到降水粒子的形狀、尺度和速度等多微物理特征。

四是總結(jié)方法，歸納經(jīng)驗(yàn)?？偨Y(jié)降水測(cè)量的承水法、撞擊感壓法和脈沖成像法，結(jié)合我們之前學(xué)的大氣探測(cè)基本原理，引導(dǎo)學(xué)生思考三種方法都是什么原理。承水法的基本原理是容器直接容納雨水量，測(cè)量降水量、降水強(qiáng)度和降水時(shí)數(shù)，因此屬于直接測(cè)量;撞擊感壓法的基本原理是利用雨滴下落攜帶的動(dòng)能間接推斷雨滴大小，進(jìn)而得到譜分布，因此屬于間接測(cè)量;脈沖成像法的基本原理是降水粒子對(duì)光束的遮擋，再成像，與雨滴沒(méi)有實(shí)際接觸，因此屬于非接觸式測(cè)量。最后歸納這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

五是學(xué)理闡明，拓展延伸。在總結(jié)探測(cè)原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展，引導(dǎo)學(xué)生思考降水測(cè)量的技術(shù)、工程問(wèn)題。比如光源對(duì)粒子的響應(yīng)、不同粒子的曝光速度、粒子在空間中的遮擋、幀率/分辨率/采樣空間、雨滴撞擊在儀器上的濺落、光學(xué)鏡頭的沙塵/昆蟲(chóng)污染等，這些既有技術(shù)問(wèn)題，又有工程問(wèn)題。引導(dǎo)學(xué)生思考，在掌握大氣物理基本概念和電子工程先進(jìn)工具的基礎(chǔ)上，解決大氣探測(cè)基本原理到切實(shí)可行的儀器之間的技術(shù)和工程問(wèn)題。

四、小結(jié)

筆者從2015年起，執(zhí)教“大氣探測(cè)學(xué)”課程，逐步推行課程改革，培養(yǎng)的學(xué)生在開(kāi)展和建立觀測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮了重要作用，受到各級(jí)單位的高度評(píng)價(jià)，另有多名學(xué)生攻讀研究生，為大氣探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展提供了新生力量。歸根結(jié)底，還是理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程重構(gòu)起了關(guān)鍵性的作用。作為一個(gè)旨在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的專業(yè)，下設(shè)的各門(mén)課程都應(yīng)該具備此特點(diǎn)。這一教學(xué)改革探索在對(duì)學(xué)生提出要求的同時(shí)，也對(duì)教師提出了更高要求。教師應(yīng)以更高的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)加深大氣物理掌握，追蹤最新技術(shù)發(fā)展，緊扣大氣物理與電子技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，并將科研與教學(xué)緊密融合，才能不斷提升大氣探測(cè)的教學(xué)水平。

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