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应用气象学专业“大气探测学”课程教学改革探索

  • 教育论文
  • 2021-05-04

刘西川 胡帅 赵世军

[摘 要] 面向国防科技大学气象海洋学院“应用气象学”本科专业的“大气探测学”教学需求,在课程目标、课程内容、教学方法、评价模式等方面开展了教学改革探索。剖析了大气探测理论与实践结合、基础与前沿并重等特点,引入任务型教学、结构教学法和项目化学习等教学方法。并以“降水测量”一课为例,强调以大气物理为基础,以先进电子技术为工具,引导学生思考从大气探测基本原理到切实可行的仪器之间的技术工程问题,提升学生提出问题、解决问题及寻找答案的自主能力。

[关键词] 应用气象学;大气探测学;教学改革

[中图分类号] P49    [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324(2021)01-0074-04    [收稿日期] 2020-06-19

一、引言

应用气象学是大气科学的重要分支,将气象学的原理、方法和成果应用于农业、水文、航空、军事等各个方面,是大气科学与其他学科相结合形成的交叉性应用学科[1]。自1998年教育部调整与颁布大气科学类新专业以来,南京大学、南京信息工程大学、兰州大学、成都信息工程大学等8所大学都开展了应用气象学专业本科教育[2],大多面向公共气象服务、农业气象、航空气象、生态环境监测等领域[3]。中国人民解放军国防科技大学从2017年开始招收应用气象学本科生,主要面向军事气象保障,期待该专业学生通过学习大气物理、大气探测学、电子技术基础、遥感与遥测等方面的基础理论、基本知识,具备从事军事大气探测设备使用维护、技术保障的初步能力。

培养目标不同,课程设置也有较大区别。根据“现代课程理论之父”泰勒在《课程与教学的基本原理》中的观点,开发任何课程或指定任何教学计划都必须关注目标、内容、实施、评价四个方面。基于此,笔者尝试开展“大气探测学”课程教学改革,探索面向军事气象的应用气象学专业课教学新模式。

二、“大气探测学”的课程重构

(一)课程定位与目标

大气探测是大气科学的基础性学科分支,作为认识地球大气的重要手段,大气探测不仅是开展气候预测和天气预报的基础,也是保障武器系统和军事行动的关键[4]。根据《中国气象百科全书·气象观测与信息网络卷》的定义,大气探测学是以大气为研究对象,研究观察和测量大气物理、化学性质、大气现象及变化过程的理论、方法、技术和仪器的一门学科[5]。“大气探测学”在整个课程体系中,起着承上启下的重要作用。

基于上述考虑,制定“大气探测学”课程目标如下:

一是了解大气探测的基本原理、方法、技术与要求,具有使用和维护大气探测仪器与设备的能力。

二是掌握气象资料的获取、数据处理与分析方法,能够借助相应仪器,按照观测规范获取气象资料并对结果进行处理分析,能够判断大气探测误差来源。

三是能根据需要创造性地改进探测技术和仪器,对气象探测事业充满信心与热情。

(二)课程内容

“大气探测学”是一门实践性很强的课程。在学习过程中,应把握好以下三个特点和要求:

一是厘清主线脉络。大气探测涉及温湿压风和云能天等多种气象要素和现象,探测原理涉及声学、光学、电学,探测方法涉及目测、直接探测、间接探测、遥感等。探测对象、探测原理和探测方法是错综交织的,因此在学习过程中,需要以探测对象为主线,厘清大气探测的技术脉络。

二是理论与实践结合。大气探测是典型的“理工技一体”综合学科,大气探测理论、原理、方法和技术,最后的落脚点都是大气探测仪器和实践。大气探测技术不仅在实践中得到验证,更在实践中进一步发展。因此在学习过程中,需要强调理论联系实践,理论指导实践。

三是基础与前沿并重。大气探测是大气物理与电子技术的交叉学科,大气探测技术是随着电子、信息、计算机等技术的发展而不断发展的。因此對大气探测的学习,应当以大气物理为基础,引导学生思考将各种新兴、前沿和交叉技术引入大气探测,并推动大气探测发展这一过程。

针对“大气探测学”课程的探测要素多、探测方法多、技术体系分散的难点,我们重新梳理了教学内容,在原有《大气探测学》教材[6]的基础上,自编了第二版《大气探测学》教材。新编教材在全面覆盖大纲要求的基础上,打破了以往的地面气象观测、高空气象探测、大气遥感探测这一传统分类方法,以探测对象为主线,以大气探测原理为基础,介绍温湿压风等气象要素及云能天等现象的探测方法。同时,对原有教材内容进行了调整:删除了部分目测和过时仪器,引入微波链路测量降水新方法、激光雷达监测风切变、微光云图探测与定标等最新研究成果[7]。

此外,为了引导学生用开放的思想、辩证和批判的态度来对待课程学习,我们还将摄像头测量能见度、手机测量温度等[8]正在探索、有待验证的技术以研究性学习的形式引入教学中,进行项目化探讨。

(三)课程实施方式

针对上述课程内容,我们制定了最新的教学大纲和课程实施计划。理论学习部分采用传统的班级授课制进行,旨在对学生进行理论补充,不仅“知其然”,还能“知其所以然”;实践部分包括技能强化性训练和原理验证性实验,通过“观云测天不断线”的日常训练,注重观测经验积累和技能提高;通过计算机建模进行数值仿真和验证,巩固大气探测的基本原理和基本方法。笔者在本课程的实施中进行了如下尝试:

一是引入任务型教学。针对大气探测对象多、各要素之间独立成章的特点,引入任务型教学[9],将每一类气象要素的探测均设置为一项任务,教员主导,学生经历全过程。任务前强调气象要素的基本概念和测量需求,任务中强调测量原理和方法,任务后强调测量数据的分析和应用。

比如,在教学“云的测量”内容时,笔者在课前布置学生先预习准备,通过教材和文献阅读,了解云的定义、分类、特征和重要性,引导学生思考如何测量云;在课程中讲解相似云的分类、云的目测和器测方法,重点剖析典型测云方法和仪器,并通过横向和纵向比较理解各种方法的优点和局限性;课后利用实践课时和课余时间,通过测云装备的操作和数据分析,加深对测云方法的理解和掌握。

二是引入结构教学法。针对大气探测原理和方法众多的特点,引入结构教学法[ 10 ]。对于每一类气象要素的测量,把教学内容按照“整体—部分—再整体”的层次再组织,根据学生认知规律,把机械、模拟、电子、光学、微波等诸多知识点分解为一个个学生可接受的知识单元,最后再回归整体,把教材的知识结构转化为学生的能力结构。

比如,在教学“温度的测量”内容中,温度的测量涉及涨缩式、频率式、模拟式、被动式和主动式等多种原理,分类众多,对于学生而言容易混淆。笔者在教学时把温度的测量分为接触式测量模块、主动非接触式测量模块、被动非接触式测量模块,分别按照测量原理、测量方法和测量误差进行讲解,尤其是明确表面温度和温度廓线的区别。然后再将多种方法进行总结,梳理共同点和不同点,便于学生理解和掌握。

三是引入项目化学习。针对大气探测理论与实践相结合、理工技一体的特点,以战场环境信息获取为任务背景,设置大气辐射传输计算、卫星反演温度廓线等实验项目。通过项目化学习[ 11 ],引导学生把多学科理论知识应用于实践,让他们在提出问题、解决问题以及寻找答案的过程中,培养开放性和系统性思维。

比如,在进行实践教学“降水特征分析与雷达定量估计降水”时,为了让学生更好地进入学习状态,笔者创设了一个梅雨季节强降雨监测的情境,首先让学生利用学院自主研制的降水微物理特征测量仪开展外场测量,通过数据处理掌握降水资料的处理方法和基本特征。然后结合天气雷达的回波资料,利用实测资料拟合Z-R关系,并通过实验进行验证和改进。使学生通过实际操作,加深对大气探测原理的掌握和应用。

四是课程评价。教学评价方面,我们突出表现性和发展性评价,注重学生互评和师生评价相结合、终结性评价和过程性评价相结合。其中,过程性评价侧重评价学生在实验和作业中表现出的思考问题的深度、回答问题的创新性,以及解决问题的发展性,占40%,终结性考试成绩占60%。由于课程内容包括理论和实践两部分,因此终结性考试也不仅是纸笔测试,另有40%为实践考评。比如,2019年度的考试中,笔者采用理论考试和上机考试相结合的方式,理论考试以概念和原理为主,重点评价学生对知识点的掌握能力,上机考试以数学建模和仿真计算为主,重点评价学生对知识点的运用能力。

三、“降水测量”教学设计

降水是指液态、固态或混合态的水成物从空中下落到地面上的现象。降水的测量是“大气探测学”的基础内容之一。传统上,降水的测量主要讲解雨量筒、翻斗雨量计、虹吸式雨量计等地面气象观测业务所用的常规降水测量仪器,仅能够测量降水量、降水强度和降水时数。随着光电技术的发展,出现了光学雨量计、光学雨滴谱仪等新方法和新仪器,能够测量降水粒子的尺度谱、速度、形状等,在科学研究领域发挥了越来越重要的作用[ 12 ]。针对这一现状,“降水测量”一课从降水的宏微观物理特征出发,引入了最新的降水测量方法,对授课内容和教学方法进行了全新梳理。

“降水测量”一课的教学目标是了解降水的宏微观物理特征,了解承水法、撞击感压法,掌握脉冲成像法同步测量降水粒子形状、尺度和速度。重点是了解降水粒子微物理特征,难点是掌握脉冲成像法。教学方法采用讲授法、演示法、讨论法和探究法。教学过程中,以问题驱动为导向,按照以下五个步骤展开,具体流程如下图所示。

一是情景导入,引出话题。通过典型情景,点出社会和军事对降水测量的需求,如暴雨、冰雹不仅给人民的生命和财产带来极大损失,也影响军事行动部署和武器作战效能,强调降水测量的重要性。

二是明确概念,梳理特征。明确降水的基础概念,梳理降水的宏观量和微观量两类特征。结合大气物理基础知识,重点讲解降水粒子的形状、速度、谱分布等微观量,明确其物理概念和特征。

三是任务驱动,分组验证。以降水测量为任务,引导学生思考如何测量降水。從承接雨水的基本方法出发,引出承水法,介绍雨量筒和翻斗式雨量计的基本原理,其中重点讲解翻斗式雨量计的结构组成和性能。从日常生活中雨滴落在伞面上能够感觉到雨滴撞击的感受出发,引出撞击感压法,介绍降水粒子的大小、速度和动能的关系,指出根据动能可以反算粒子大小。从日常的手机拍照出发,引出脉冲成像法,重点讲解脉冲同步照明解决快速慢速同步曝光、远心成像解决景深等问题,指出利用自相关图像可以得到降水粒子的形状、尺度和速度等多微物理特征。

四是总结方法,归纳经验。总结降水测量的承水法、撞击感压法和脉冲成像法,结合我们之前学的大气探测基本原理,引导学生思考三种方法都是什么原理。承水法的基本原理是容器直接容纳雨水量,测量降水量、降水强度和降水时数,因此属于直接测量;撞击感压法的基本原理是利用雨滴下落携带的动能间接推断雨滴大小,进而得到谱分布,因此属于间接测量;脉冲成像法的基本原理是降水粒子对光束的遮挡,再成像,与雨滴没有实际接触,因此属于非接触式测量。最后归纳这些方法的优缺点。

五是学理阐明,拓展延伸。在总结探测原理的基础上,进一步拓展,引导学生思考降水测量的技术、工程问题。比如光源对粒子的响应、不同粒子的曝光速度、粒子在空间中的遮挡、帧率/分辨率/采样空间、雨滴撞击在仪器上的溅落、光学镜头的沙尘/昆虫污染等,这些既有技术问题,又有工程问题。引导学生思考,在掌握大气物理基本概念和电子工程先进工具的基础上,解决大气探测基本原理到切实可行的仪器之间的技术和工程问题。

四、小结

笔者从2015年起,执教“大气探测学”课程,逐步推行课程改革,培养的学生在开展和建立观测业务中发挥了重要作用,受到各级单位的高度评价,另有多名学生攻读研究生,为大气探测技术的不断发展提供了新生力量。归根结底,还是理论与实践相结合的课程重构起了关键性的作用。作为一个旨在培养应用型人才的专业,下设的各门课程都应该具备此特点。这一教学改革探索在对学生提出要求的同时,也对教师提出了更高要求。教师应以更高的标准来加深大气物理掌握,追踪最新技术发展,紧扣大气物理与电子技术的结合点,并将科研与教学紧密融合,才能不断提升大气探测的教学水平。

参考文献

[1]李谢辉,王磊,肖国杰.应用气象学专业的发展现状与思考——以成都信息工程大学为例[J].教育教学论坛,2017(46):85-88.

[2]张光亚,范伶俐,徐峰,等.国内高校应用气象学专业人才培养方案比较研究[J].广东海洋大学学报,2016,36(2):85-90.

[3]杨再强,申双和,刘寿东,等.应用气象学专业本科创新型人才培养模式的探索[J].高等教育研究(成都),2008,25(4):51-53.

[4]陆文,常舒捷.军队与地方大学大气探测课程教学差异及教学改革初探[J].教育现代化,2019,6(A0):65-66.

[5]《中国气象百科全书》总编委会.中国气象百科全书·气象观测与信息网络卷[M].北京:气象出版社,2016.

[6]孙学金,王晓蕾,李浩,等.大气探测学[M].北京:气象出版社,2009.

[7]王体健,高太长,张宏昇,等.中华人民共和国成立70年来的中国大气科学研究:大气物理与大气环境篇[J].中国科学:地球科学,2019,49(12):1833-1874.

[8]刘西川,高太长,贺彬晟,等.智能手机参与大气探测的研究进展与展望[J].地球科学进展,2018,33(12):1223-1236.

[9]李融冰,申蕾,武元元.与“雨课堂”结合的任务型教学法在军校英语教学中的应用[J].课程教育研究,2020(14):112.

[10]张东晓.知识结构教学法在理论力学教学中的探索与实践[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2017,27(4):94-96.

[11]夏雪梅.学科项目化学习设计:融通学科素养和跨学科素养[J].人民教育,2018(1):61-66.

[12]刘西川,高太长,刘磊,等.雨滴微物理特征研究及测量技术进展[J].地球科学进展,2013,28(11):1217-1226.

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