公共衛(wèi)生事件下“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”教學(xué)改革探索

曹幫軍 鞏遠(yuǎn)發(fā) 吳小飛 方雪薇 齊玉磊

[摘 要] 針對(duì)大氣科學(xué)專業(yè)本科的需求和特點(diǎn)，成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院一直為本科生開設(shè)“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”等一系列相應(yīng)的專業(yè)課程?！皵?shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程組經(jīng)過多方面探索，使學(xué)生獲得“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程理論基礎(chǔ)知識(shí)及其產(chǎn)品實(shí)用技術(shù)技能。課程進(jìn)行了此教學(xué)模式的實(shí)踐，期望在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計(jì)和考核形式上，為高等院校大氣科學(xué)本科生基礎(chǔ)課程“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”的教學(xué)改革提供參考。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)值天氣預(yù)報(bào);教學(xué)模式;改革探索

[基金項(xiàng)目] 2019年度四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究自由探索項(xiàng)目“四川盆地邊界層高度的變化特征及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響”（2019YJ0408）;2019年度中國(guó)氣象局沙漠氣象研究基金“張掖地區(qū)低空急流對(duì)夜晚地氣交換和冷島效應(yīng)的影響”（Sqj2018006）;2018年度成都信息工程大學(xué)科研啟動(dòng)基金“張掖地區(qū)低空急流對(duì)夜晚地氣交換和冷島效應(yīng)的影響”（KYTZ201810）

[作者簡(jiǎn)介] 曹幫軍（1989—），男，湖南衡東人，理學(xué)博士，成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院講師，主要從事大氣科學(xué)陸氣相互作用研究。

[中圖分類號(hào)] G642 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）41-0093-04 ? [收稿日期] 2021-01-05

一、引言

大氣科學(xué)本科生的基礎(chǔ)課程一般有著較強(qiáng)的理論性，帶有大量煩瑣的公式推導(dǎo)，要求學(xué)生具有較好的數(shù)理功底和空間思維能力。教師講授輔以課后作業(yè)[1]是主要的傳統(tǒng)教學(xué)方式。在2019—2020年春季期間公共衛(wèi)生事件暴發(fā)的背景下，全民居家隔離，停工停產(chǎn)，幾乎所有學(xué)校都放假，教師只能通過線上進(jìn)行授課，學(xué)生只能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。為保證成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，開展教學(xué)改革應(yīng)運(yùn)而生。大氣科學(xué)本科生基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的重點(diǎn)是，如何使教學(xué)內(nèi)容變得更加合理，將抽象內(nèi)容變得通俗，使乏味的求解方程變得更加有趣。成都信息工程大學(xué)“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”教學(xué)組在2020年公共衛(wèi)生事件背景下，積極探索高等院校大氣科學(xué)本科生專業(yè)課程線上教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和方法。論文總結(jié)課程教學(xué)組在2020年公共衛(wèi)生事件下改革實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化，包括教學(xué)內(nèi)容的豐富、教學(xué)模式的設(shè)計(jì)以及考核方案的完善等，期望構(gòu)建比較完善的大氣科學(xué)本科生基礎(chǔ)課程“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”知識(shí)體系。

二、課程背景及開設(shè)情況

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)標(biāo)志著天氣預(yù)報(bào)進(jìn)入到科學(xué)時(shí)代。隨著大氣科學(xué)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)離不開數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，其定量化和客觀化的預(yù)報(bào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前最有經(jīng)驗(yàn)的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)員?！皵?shù)值天氣預(yù)報(bào)”是大氣科學(xué)專業(yè)的重要專業(yè)核心必修課之一?！皵?shù)值天氣預(yù)報(bào)”是通過計(jì)算機(jī)采用數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值求解大氣動(dòng)力學(xué)、大氣熱力學(xué)基本方程做出天氣預(yù)報(bào)的一門學(xué)科。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已成為世界上所有發(fā)達(dá)國(guó)家天氣預(yù)報(bào)的主要方法，是近100年來發(fā)展起來的最重要的天氣預(yù)報(bào)的方法之一。我國(guó)從國(guó)家級(jí)到區(qū)域中心和省級(jí)氣象業(yè)務(wù)部門，均有較為完善的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)[2，3]?！皵?shù)值天氣預(yù)報(bào)”是氣象現(xiàn)代化的重要內(nèi)容之一，數(shù)值預(yù)報(bào)涵蓋范圍很廣。從預(yù)報(bào)量來說，包括天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)，天氣和氣象要素的預(yù)報(bào);從預(yù)報(bào)區(qū)域來說，包括地區(qū)和國(guó)家的預(yù)報(bào)以及半球和全球預(yù)報(bào);從預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)來說，包括短期預(yù)報(bào)，中期和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。近年來，應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)的方法在氣候變化和預(yù)測(cè)方面也取得了令人鼓舞的成就?！皵?shù)值天氣預(yù)報(bào)”的內(nèi)容幾乎涉及大氣科學(xué)專業(yè)所學(xué)的大多數(shù)課程，并且與計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)密切相聯(lián)系，是使學(xué)生把所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)與計(jì)算機(jī)技能和方法結(jié)合起來綜合應(yīng)用的一門課程，所以“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”是一門非常重要的課程?！皵?shù)值天氣預(yù)報(bào)”的另一個(gè)重要方面就是解釋和應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，這也是目前省市以下基層臺(tái)站制作天氣預(yù)報(bào)時(shí)的基礎(chǔ)和重要方法。因此，開設(shè)“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”是大氣科學(xué)本科生的核心必修課。學(xué)習(xí)該課程可以為未來從事氣象預(yù)報(bào)和數(shù)值模式研究和開發(fā)，奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)的大部分學(xué)生會(huì)從事與氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)相關(guān)的崗位，少部分學(xué)生會(huì)去從事數(shù)值模式研發(fā)，因此“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程的重點(diǎn)就是幫助學(xué)生了解大氣數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的理論體系并掌握數(shù)值模式的應(yīng)用。課程的主要任務(wù)和特色是全面講述數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的理論基礎(chǔ)和模式運(yùn)行問題的解決。

三、教學(xué)改革實(shí)踐與探索

（一）課堂教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

成都信息工程大學(xué)所選用的教材為田永祥等編寫由氣象出版社出版的《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)》。該書是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，權(quán)威經(jīng)典，內(nèi)容豐富，深入淺出的講述該課程內(nèi)容。立足于成都信息工程大學(xué)的大氣科學(xué)專業(yè)本科生培養(yǎng)的實(shí)際情況與所覆蓋的科研方向，“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”課程系統(tǒng)講述數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的原理及其應(yīng)用，反映國(guó)內(nèi)外數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用的最新進(jìn)展。教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)講述數(shù)值天氣預(yù)報(bào)基礎(chǔ)知識(shí)，其中包括各種坐標(biāo)系中的大氣運(yùn)動(dòng)方程組和數(shù)值計(jì)算方法;數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的設(shè)計(jì)，其中包括差分方法的正壓和斜壓原始方程模式的設(shè)計(jì);初始條件、邊界條件的類型和給定方法以及資料的同化;大氣濕熱力過程的參數(shù)化。為了讓學(xué)生更好地掌握不同模式的優(yōu)缺點(diǎn)及其產(chǎn)品，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)課程組增加了“正壓原始方程模式”及“斜壓原始方程模式”的區(qū)別與聯(lián)系，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)及釋用技術(shù)的基本原理和方法等內(nèi)容。

（二）課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

1.擴(kuò)展教學(xué)手段。利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)錄播帶有語音的教學(xué)視頻。利用多媒體展示數(shù)值天氣預(yù)報(bào)知識(shí)點(diǎn)和大氣運(yùn)動(dòng)方程組，對(duì)主要公式做特殊標(biāo)記。一方面能夠幫助學(xué)生厘清知識(shí)點(diǎn)，另一方面可提高學(xué)生課堂專注力。對(duì)于重點(diǎn)知識(shí)和公式推導(dǎo)難點(diǎn)，利用錄制手寫推導(dǎo)公式視頻進(jìn)行演繹，方便學(xué)生把握重點(diǎn)和細(xì)節(jié)。課后學(xué)生亦能通過視頻回放反復(fù)學(xué)習(xí)，這不僅減輕了教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，還使得學(xué)生能根據(jù)自己的需要對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。