大型儀器在氣象類專業(yè)本科實踐教學中的應用

李永秀

摘 要：大型儀器設(shè)備是高校開展教學和研究工作的重要工具，該文以行業(yè)特色高校南京信息工程大學為例，分析了大型儀器設(shè)備在氣象類專業(yè)本科教學中的應用現(xiàn)狀，指出了目前存在的主要問題，并針對專業(yè)特點提出了可行的應對措施，對未來大型儀器教學可能的發(fā)展方向進行了展望，以期為提高大型儀器在本科教學中的使用效益、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：大型儀器 氣象 實踐教學 創(chuàng)新能力 實踐能力

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0144-02

大型精密儀器設(shè)備是培養(yǎng)高層次人才、開展科學研究及技術(shù)創(chuàng)新的重要工具和手段，也是高等學校辦學實力和科研水平的重要標志[1，2]。南京信息工程大學是江蘇省政府、教育部與中國氣象局共建的一所具有鮮明行業(yè)特色的高校，其氣象類專業(yè)在國內(nèi)外享有很高的聲譽[3，4]。近年來，在各共建部門支持下，學校購置了一大批國際領(lǐng)先的大型儀器設(shè)備，單價40萬元以上大型貴重儀器設(shè)備數(shù)量達到800多套，這些設(shè)備在促進科研成果產(chǎn)出的同時，其教學功能也得到了一定的開發(fā)利用，為本科生創(chuàng)新能力、實踐能力的培養(yǎng)提供了硬件支持。然而，由于管理制度、技術(shù)支持及功能開發(fā)方面尚存在較多問題，導致目前大型儀器在本科教學中的應用仍然停留在嘗試階段，其教學效益有很大提升空間。該文以該校應用氣象學院為例，對大型儀器設(shè)備在本科教學中的應用現(xiàn)狀及存在的問題開展分析和探討，立足于學校氣象類專業(yè)特點提出相應的改進措施及發(fā)展方向，以期為高校合理配置資源、提高大型儀器在本科教學中的使用效益、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量提供參考。

1 大型儀器設(shè)備在本科教學中的應用現(xiàn)狀及存在問題

目前，該校氣象類專業(yè)的很多大型儀器設(shè)備已經(jīng)在本科教學中得到應用，如應用氣象學專業(yè)的必修課“應用氣象儀器”專門講授該專業(yè)相關(guān)的大型儀器設(shè)備（自動氣象站、土壤CO2通量連續(xù)多點觀測系統(tǒng)、光合作用儀等），通過對大型儀器的操作實踐，學生不僅掌握了儀器的原理、功能及操作方法，而且驗證了他們在其他專業(yè)課上所學的理論知識，并在此基礎(chǔ)上嘗試自主設(shè)計實驗，有效培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。學生在學習中，當發(fā)現(xiàn)文獻中許多高水平的科研成果均出自與自己實習所用相同型號的儀器設(shè)備時，其學習的積極性和主動性都得到了有效激發(fā)，提升了他們對科學研究的興趣。在“微氣象學實習”課程的教學中，也應用了大型儀器渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)，通過學習該系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理，進一步鞏固了微氣象學中有關(guān)湍流通量的理論知識，并對湍流通量的觀測及計算有了深入的了解。相較于抽象的理論公式，這樣的教學實踐能使學生對湍流交換有更加直觀的認識，改進了教學效果，啟發(fā)了學生的科研思維。此外，學校還通過開設(shè)學生自主型的開放實驗項目來鼓勵學生參與創(chuàng)新性實驗，這類項目大都涉及到大型儀器設(shè)備的應用，使他們學會了利用高科技的精密儀器來探索科學規(guī)律，鍛煉了他們的獨立思考能力。

盡管大型儀器設(shè)備已經(jīng)較多地應用于氣象類專業(yè)的本科教學，但受單個儀器臺套數(shù)及操作復雜性的限制，大型儀器應用的廣度和深度還遠遠不夠，主要存在以下3方面的問題：（1）僅限于部分專業(yè)課程，并未普遍應用于本科教學。（2）實驗項目主要是演示性和驗證性的，創(chuàng)新性的實驗項目數(shù)量較少。（3）由于大型儀器大都比較復雜，學生要熟練掌握大型儀器非一朝一夕之事，在有限的課時內(nèi)要學生獨立運用大型儀器開展實驗是很難實現(xiàn)的。

2 提升大型儀器本科教學應用水平的措施

要提升大型儀器在氣象類專業(yè)本科教學中應用的廣度和深度，必須立足于氣象類專業(yè)實踐教學的特點，制定有針對性的應對措施。氣象類專業(yè)相關(guān)的實踐教學活動幾乎都在室外進行，所觀測的要素都具有很強的時空變化規(guī)律，實驗數(shù)據(jù)的處理分析是實驗中非常重要的一部分。針對上述特性，可以從以下4個方面來進行應對：（1）在實驗項目的設(shè)置上，可以設(shè)置兩個層次的項目：第一個層次是必修項目，以教師演示及學習儀器操作為主，主要目的是讓學生了解儀器的原理、功能、基本操作方法及初級的數(shù)據(jù)處理；第二個層次是選修項目，可以讓學有余力或感興趣的學生選修，在第一層次學習的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學生自主設(shè)計實驗項目，通過獨立開展實驗、處理數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)科學規(guī)律。（2）在實踐教學活動中，可靈活安排實驗過程，來解決儀器數(shù)量少及課時數(shù)不足的問題。例如：在氣象要素的觀測實驗中，需要進行全天24小時或數(shù)天的連續(xù)觀測，但每次觀測的方法都是相同的，因此，可以利用周末時間，將學生分組排班，每組學生只進行幾個時刻的觀測等觀測全部完成后，將幾組的數(shù)據(jù)集中起來分析，這樣每個學生都有機會獨立操作大型儀器，且工作強度適中，獲取的數(shù)據(jù)量大，有利于后期的數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析。（3）在豐富教學課件和錄像的同時，通過引入模擬軟件，讓學生在操作儀器前，先通過模擬軟件對系統(tǒng)的功能和菜單有全面了解，對測量步驟進行預演，最后再運用儀器完成實驗任務，這種教學方法不僅有效提高了實驗效率，而且有助于強化學生對教學內(nèi)容的記憶，改善了教學效果[5]。（4）定期開設(shè)大型儀器設(shè)備培訓班，并通過理論考試、實驗操作及數(shù)據(jù)分析三個方面來進行考核，為合格者頒發(fā)證書，在實驗室開放項目、實踐創(chuàng)新項目的申報上給他們優(yōu)先權(quán)，鼓勵優(yōu)秀學生利用大型儀器開展課外實驗項目。

3 結(jié)語

氣象類學科具有實驗性強、應用性強的特點，主要依靠先進的探測手段來獲取可靠的觀測數(shù)據(jù)，進而推動理論分析計算的發(fā)展和突破，因此，實驗實習教學在氣象類專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)中具有十分重要的地位，尤其是大型儀器設(shè)備代表了最先進的技術(shù)手段，能夠幫助氣象工作者獲得高時空分辨率的、高精度的觀測資料，因此，在本科教學中廣泛應用大型儀器設(shè)備是我國氣象事業(yè)對人才的需求，也是行業(yè)特色高校進一步發(fā)展的需求。虛擬儀器技術(shù)是一種利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，通過建立虛擬儀器面板對儀器進行控制、顯示及數(shù)據(jù)分析的先進技術(shù)手段，它可以有效輔助傳統(tǒng)儀器教學，提高儀器的使用效率，降低儀器維護成本[6]。未來，虛擬儀器可與真實儀器相結(jié)合，用于大型儀器的本科教學，從而有效解決大型儀器數(shù)量少、維護成本高的問題[7]?？梢灶A見，在不久的將來，氣象類大型儀器普遍、深入地用于本科教學將會變得更加簡單、可行。

參考文獻

[1] 王力清，毛榮，劉青，等.行業(yè)高校大型儀器開放共享現(xiàn)狀及原因分析[J].實驗室科學，2015，18（4）：181-184.

[2] 李云峰，汪成楚，李劍峰，等.理工類高校大型儀器設(shè)備共享模式的探討[J].實驗技術(shù)與管理，2010，27（3）：288-291.

[3] 楊沈斌，申雙和，景元書.現(xiàn)代應用氣象人才實踐能力培養(yǎng)體系建設(shè)的思路與實踐[J].高等教育研究，2013， 30（2）：45-47.

[4] 楊再強，申雙和，景元書，等.面向社會需求，應用氣象專業(yè)創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)與實踐[J].科技創(chuàng)新導報，2010（3）： 230.

[5] 于洋，苑瑋琦.在線分析儀器課程教學改革探索[J].中國大學教學，2013（1）：68-69.

[6] 孫德軼.虛擬儀器在實驗教學中的應用研究[D].長春理工大學，2007.

[7] 姜洪喜，鄧慧，任敦亮，等.基于虛擬儀器與真實儀器整合的大學物理教學改革[J].科技資訊，2015（12）：185.