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      鋒面坡度公式的教學(xué)實踐與總結(jié):1.課程結(jié)構(gòu)與預(yù)備知識點

      2018-09-25 09:42饒建高慶九賈建穎郭棟
      教育教學(xué)論壇 2018年31期

      饒建 高慶九 賈建穎 郭棟

      摘要:鋒面坡度公式的推導(dǎo)與應(yīng)用是氣象類專業(yè)主干課程《天氣學(xué)原理》的重難點之一。盡管方程形式較簡單,但學(xué)生運(yùn)用時仍然存在諸多困難。根據(jù)教學(xué)反饋,鋒面坡度公式是本課程中學(xué)生最難以理解的部分之一,同時也是鋒面分析的重要理論依據(jù)?;诖?,本文對坡度公式推導(dǎo)時需要用到的預(yù)備知識點進(jìn)行了梳理,以期提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

      關(guān)鍵詞:天氣學(xué)原理;鋒面坡度公式;預(yù)備知識

      中圖分類號:G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1674-9324(2018)31-0197-02

      一、引言

      鋒面坡度公式是天氣圖繪制,尤其是鎖定鋒面位置的理論依據(jù),如何讓學(xué)生真正掌握和熟練運(yùn)用相關(guān)理論知識一直是困擾專業(yè)課程教師的難題。教學(xué)實踐表明,多數(shù)學(xué)生沒有真正深入理解坡度公式的潛在應(yīng)用價值及其與天氣分析課程中鋒面分析的關(guān)系。盡管任課教師反復(fù)強(qiáng)調(diào)通過鋒面時等壓線應(yīng)具備折角或者很大的曲率;或者反之,在定地面鋒線時應(yīng)當(dāng)考慮等壓線的氣旋式曲率彎曲和風(fēng)場上氣旋式切變等結(jié)構(gòu)特征,很多學(xué)生仍然稀里糊涂,對任課教師所講述的要點根本不通曉。

      在鋒面坡度公式的教學(xué)過程中,授課教師需將方程推導(dǎo)的來龍去脈講解清楚,包括方程推導(dǎo)的假設(shè)條件、隱含的數(shù)學(xué)條件和方程的簡化與改寫,重點講解鋒面坡度公式引申的推論。通過類比的方式,將密度零級不連續(xù)假設(shè)下的鋒面坡度公式,推演到密度的一級不連續(xù)假設(shè)下的鋒面坡度公式。授課教師可以通過天氣示意圖和實況天氣圖幫助學(xué)生掌握鋒面坡度公式的引申推論。只有這樣不厭其煩地引導(dǎo),學(xué)生才可能更容易理解和掌握該重點內(nèi)容,切實將該理論應(yīng)用到天氣分析課程中來,指導(dǎo)天氣圖繪制。筆者首先重點介紹鋒面坡度公式在相關(guān)課程中的重要性,總結(jié)和梳理了推演鋒面坡度公式時用到的各類預(yù)備知識點。

      二、課程框架

      南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)和海洋科學(xué)等專業(yè)都開設(shè)了《天氣學(xué)原理和方法》系列課程[1],共計十章。前面五章系統(tǒng)講述了天氣學(xué)中的基本理論和方法,重點闡述了中高緯度大尺度環(huán)流的基本特征;這五章放在《天氣學(xué)原理》課程中講述。后面五章主要闡述了控制中國的天氣系統(tǒng)和各類天氣過程下的環(huán)流背景,這些內(nèi)容放在《中國天氣》課程中講述。《天氣學(xué)原理和方法》系列課程的學(xué)習(xí)一般需要花費(fèi)一整年的時間,該課程是大氣科學(xué)類專業(yè)的核心課程,也是氣象學(xué)碩士研究生入學(xué)考試的必考科目。

      為了配合《天氣學(xué)原理和方法》系列課程的學(xué)習(xí),南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)類專業(yè)還開設(shè)了實踐性課程(圖1),即天氣學(xué)分析系列課程,包括《天氣分析基礎(chǔ)》[2]和《典型天氣過程分析》[3]。鋒面坡度公式是《天氣學(xué)原理和方法》第二章一個非常重要的知識點。四門課程都涉及到鋒面分析,掌握鋒面坡度公式的原理與應(yīng)用對于鞏固這些課程必定大有幫助。

      三、幾個預(yù)備知識點

      (一)預(yù)備知識點一:氣象上常常假設(shè)鋒面是一個物質(zhì)面

      在學(xué)習(xí)鋒面時,很多學(xué)生無法理解什么是物質(zhì)面。由于課時的限制,學(xué)生往往無法將新的概念在原有的知識體系中建立起來[4]。而事實上,在講授鋒面時,學(xué)生已經(jīng)先修了大學(xué)物理和流體力學(xué)等課程,授課教師完全可以在這些課程的基礎(chǔ)上給同學(xué)們講授物質(zhì)面的含義。物質(zhì)面可以理解成為流體中的一段“剛體”,該“剛體”把兩種屬性的流體區(qū)分開來。這樣,學(xué)生就會大大加深對物質(zhì)面這一含義的理解。必須給學(xué)生指出,鋒面作為物質(zhì)面是為了推導(dǎo)鋒面坡度公式,考慮到大氣湍流、輻射和分子擴(kuò)散等作用,真正意義上的物質(zhì)面是不存在的。

      (二)預(yù)備知識點二:地轉(zhuǎn)風(fēng)公式的普適性

      《天氣學(xué)原理和方法》在66頁直接寫到:“將零級簡化的運(yùn)動方程和靜力方程帶入鋒面坡度公式”。鋒面坡度公式中的x和y方向跟局地直角坐標(biāo)系的x和y方向根本不是同一概念。否則,鋒線必須是南北向的,這與事實完全不符。

      地轉(zhuǎn)風(fēng)原理不僅僅適用于普通局地直角坐標(biāo)系(x-O-y,x指向正東方向,y指向正北方向),而且適用于廣義局地直角坐標(biāo)系。這里的廣義直角坐標(biāo)系定義為普通局地直角坐標(biāo)系沿z軸逆時針旋轉(zhuǎn)一定角度,兩種坐標(biāo)公用z軸。在普通局地直角坐標(biāo)系下,零級簡化的運(yùn)動方程為-?塄p/ρ+f × =0。在廣義的局地直角坐標(biāo)系下重新展開可得-1/ρ(?鄣p/?鄣x′ +?鄣p/?鄣y′ )+

      f(u′ +v′ )× =0。于是可以得到廣義的局地直角坐標(biāo)系下的運(yùn)動方程組-1/ρ?鄣p/?鄣x′+fv′=0,-1/ρ?鄣p/?鄣y′-fu′=0。去掉撇號將其簡潔化,原有的地轉(zhuǎn)關(guān)系可在廣義局地直角坐標(biāo)系下繼續(xù)應(yīng)用。教材中一筆帶過的地方可能隱藏許多知識點,需要授課教師仔細(xì)琢磨,這樣才能加深學(xué)生對鋒面坡度公式的認(rèn)知、理解與應(yīng)用。

      (三)預(yù)備知識點三:解讀“鋒面隨高度向冷空氣一側(cè)傾斜”

      鋒面隨高度是向冷空氣一側(cè)傾斜的,這是推導(dǎo)鋒面坡度公式的事實基礎(chǔ)。但鋒面為什么隨高度向冷空氣傾斜,也需要任課教師給學(xué)生逐條解讀。當(dāng)冷暖空氣相遇時,一般冷(暖)空氣一側(cè)氣壓偏高(低),那么在近地面就會出現(xiàn)由冷空氣指向暖空氣的氣壓梯度力。因為暖空氣密度一般比冷空氣密度小,所以在冷空氣向暖空氣一側(cè)推移的過程中,暖空氣會浮到冷空氣之上。同時向右的地轉(zhuǎn)偏向力逐漸改變風(fēng)向,使之逐漸與鋒面平行(事實上二者仍有一定交角)。

      (四)預(yù)備知識點四:運(yùn)動坐標(biāo)系和固定坐標(biāo)系

      兩個坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系在第二章之前沒有做任何介紹,需要授課教師提前給學(xué)生講解移動坐標(biāo)系和固定坐標(biāo)系下局地變化的關(guān)系。假設(shè)移動坐標(biāo)系相對于固定坐標(biāo)系的移動速度為 ,則以移動速度 運(yùn)動的質(zhì)點相對于移動坐標(biāo)系的速度為 - ,其個別變化為d/dt=δ/δt+( - )·?塄,其中δ/δt是移動坐標(biāo)系下的局地變化。在固定坐標(biāo)系下該質(zhì)點的個別變化為d/dt=?鄣/?鄣t+ ·?塄。個別變化不依賴于坐標(biāo)系的選取,于是可以得到δ/δt+( - )·?塄=?鄣/?鄣t+ ·?塄,即δ/δt=?鄣/?鄣t+ ·?塄,這就是運(yùn)動坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。如若授課教師按照教材的順序講解(第五章),授課效果將大打折扣。

      四、教學(xué)體會與總結(jié)之一

      鑒于鋒面坡度公式是天氣學(xué)分析中鋒面分析的重要理論依據(jù)之一,如何讓學(xué)生真實有效地領(lǐng)會、掌握并熟練應(yīng)用鋒面坡度公式的相關(guān)推論是困擾大氣科學(xué)專業(yè)教師的難題之一。為了有效地提高教學(xué)效果,我們對鋒面坡度公式的來龍去脈進(jìn)行了梳理與總結(jié)。第一部分淺談了鋒面坡度公式在相關(guān)課程中的重要地位及鋒面坡度公式推導(dǎo)前的預(yù)備知識點,第二部分則是公式演繹與推論總結(jié)[5]。

      鋒面坡度公式的推導(dǎo)本身具有一定的難度,教師在講解時務(wù)必要循循善誘,不能直接把公式推導(dǎo)搬到幻燈片之上。在學(xué)生原有的知識框架體系下引入新的知識增長點,則是授課教師該真切思考的。由于在推導(dǎo)鋒面坡度公式時應(yīng)用到了較多的假設(shè)與預(yù)備知識點,很多學(xué)生課上根本無法緊跟教師的節(jié)奏,從而產(chǎn)生了畏懼的心理,導(dǎo)致后續(xù)學(xué)習(xí)無法跟進(jìn)。教師在講解時可以適當(dāng)把握節(jié)奏,講這些預(yù)備知識點時適時板書,最好能夠推演給學(xué)生。具備了相關(guān)的預(yù)備知識點,剩下的推演也就迎刃而解了。

      參考文獻(xiàn):

      [1]朱乾根,林錦瑞,壽紹文,唐東升.天氣學(xué)原理和方法[M].北京:氣象出版社,2007.

      [2]唐衛(wèi)亞,王麗娟,徐菊艷,侯瑞欽,錢代麗.天氣學(xué)分析基礎(chǔ)[M].北京:氣象出版社,2016.

      [3]江燕如,王麗娟,錢代麗,郭志榮,徐菊艷,王黎娟,王妍.典型天氣過程分析[M].北京:氣象出版社,2016.

      [4]譚頂良.高等教育心理學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,2006.

      [5]饒建,陳丹,胡景高,虞越越.鋒面坡度公式的教學(xué)實踐與總結(jié):2.公式演繹與推論總結(jié)[J].教育教學(xué)論壇,2018.

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