大氣物理學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究

王皓 何維

（成都信息工程大學(xué) 四川·成都 610225）

0 引言

大氣物理學(xué)是大氣科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，是從物理學(xué)基本原理和數(shù)學(xué)方法出發(fā)去理解和分析大氣過(guò)程與大氣現(xiàn)象，該課程在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)大氣物理過(guò)程的理論分析能力和推理能力上具有重要作用。為了培養(yǎng)在掌握現(xiàn)代電子技術(shù)理論、通曉電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)方法、具有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)和相應(yīng)工程技術(shù)應(yīng)用能力的同時(shí)具備一定基礎(chǔ)的氣象學(xué)理論知識(shí)的“氣電結(jié)合”人才，我校為電子信息工程專業(yè)氣象探測(cè)方向的學(xué)生開(kāi)設(shè)了必修課程“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)天氣學(xué)、大氣探測(cè)及大氣遙感等專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。

隨著高等教育規(guī)模不斷擴(kuò)大，高等教育面臨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展和知識(shí)迅速更替的挑戰(zhàn)。全國(guó)調(diào)查顯示，在專業(yè)教育中存在“雙不足現(xiàn)象”，一方面是高等教育所培養(yǎng)的學(xué)生實(shí)踐能力不足；另一方面是學(xué)生理論知識(shí)遠(yuǎn)離生產(chǎn)實(shí)踐，并且儲(chǔ)備不足[1]。這一現(xiàn)象反映出專業(yè)教育教學(xué)的效果仍需加強(qiáng)。目前“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)過(guò)程中暴露出課程內(nèi)容理論性強(qiáng)且相對(duì)枯燥繁雜、部分學(xué)生缺乏主動(dòng)性等問(wèn)題。針對(duì)教學(xué)過(guò)程中存在的這些不足，結(jié)合課程和本校自身發(fā)展的特點(diǎn)，從改革教學(xué)思路、更新教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)踐和改革考核模式等多個(gè)方面，為“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)提供了主要的改革思路和改革內(nèi)容，以此進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，建設(shè)一流線下課程，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，培養(yǎng)面向氣象、民航、國(guó)防等部門(mén)的氣象高級(jí)人才。

1 課程主要存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多年的“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)，總結(jié)了該課程在教學(xué)過(guò)程中存在的一些不足，主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 課程內(nèi)容相對(duì)枯燥繁雜

該課程中包含大量復(fù)雜而抽象的物理學(xué)理論原理、數(shù)學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，需要具有數(shù)學(xué)物理功底的同時(shí)，還需要具備從現(xiàn)象到理論模型的建模分析能力和邏輯思維能力。在教學(xué)的過(guò)程中，教學(xué)手段和方法尤為重要。

1.2 實(shí)踐環(huán)節(jié)不足

聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐，可以將抽象問(wèn)題具體化。大氣物理難點(diǎn)不僅在于學(xué)生自身具備的知識(shí)積累和認(rèn)知能力不夠，還在于學(xué)習(xí)內(nèi)容本身過(guò)于抽象，實(shí)踐環(huán)節(jié)的缺乏會(huì)導(dǎo)致學(xué)生更難理解部分理論原理。因此，可以在掌握基本理論的基礎(chǔ)上開(kāi)展實(shí)踐工作，對(duì)大氣物理過(guò)程開(kāi)展更深入的理解和分析。

1.3 教學(xué)方式方法對(duì)氣象探測(cè)方向的學(xué)生針對(duì)性不強(qiáng)

大氣物理原來(lái)是大氣科學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，結(jié)合課程和本校自身特點(diǎn)，為電子信息工程專業(yè)氣象探測(cè)方向的學(xué)生開(kāi)設(shè)了“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”。當(dāng)課程所針對(duì)的專業(yè)發(fā)生了改變，所對(duì)應(yīng)的課程設(shè)在教學(xué)大綱和教學(xué)方法也需要做出調(diào)整。

2 改革主要內(nèi)容與措施

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)是提升教學(xué)質(zhì)量的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，將直接體現(xiàn)教學(xué)目的和教學(xué)目標(biāo)。為了學(xué)生今后的工作和能夠開(kāi)展相關(guān)科學(xué)研究提供良好的基礎(chǔ)，正確處理單門(mén)課程和相關(guān)專業(yè)課程間的關(guān)系，應(yīng)該根據(jù)專業(yè)研究領(lǐng)域不同和后續(xù)課程的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有側(cè)重點(diǎn)的教學(xué)，同時(shí)科學(xué)選擇教學(xué)內(nèi)容，及時(shí)更新本學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果。

“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”是我校為電子信息工程專業(yè)氣象探測(cè)方向開(kāi)設(shè)的課程，本課程以大氣中的基本物理過(guò)程和過(guò)程間的彼此關(guān)系為研究對(duì)象，培養(yǎng)學(xué)生在發(fā)掘問(wèn)題、理解問(wèn)題和處理問(wèn)題上應(yīng)有的科學(xué)方法。在教學(xué)內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)上，根據(jù)本專業(yè)教學(xué)大綱和課程體系的構(gòu)成，將大氣概況、大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)和大氣輻射學(xué)基礎(chǔ)作為重點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)。使氣象探測(cè)方向?qū)W生建立對(duì)大氣層結(jié)構(gòu)特征及氣象要素的三維時(shí)空分布的認(rèn)識(shí)，掌握大氣物理過(guò)程和現(xiàn)象的物理機(jī)制，清楚大氣層中輻射能量的傳輸特點(diǎn)，了解大氣的熱力過(guò)程。指引學(xué)生把物理學(xué)中的物理關(guān)系和物理規(guī)律應(yīng)用到大氣科學(xué)中，并使用普通物理和高等數(shù)學(xué)等課程中的基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)識(shí)到大氣科學(xué)中的物理過(guò)程，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)近年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇北京大學(xué)出版社出版的《大氣物理學(xué)》作為教材。具體教學(xué)內(nèi)容將結(jié)合本課程大綱要求把教材中的內(nèi)容進(jìn)行收集、選擇與整理，在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)，將各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容劃分為需要在課堂上詳解的重要內(nèi)容和學(xué)生自學(xué)完成的內(nèi)容，并自制成較為系統(tǒng)的電子課件。對(duì)于學(xué)生自學(xué)完成的內(nèi)容，通過(guò)學(xué)生查閱參考文獻(xiàn)進(jìn)行自我歸納，以課堂答疑的方式進(jìn)行講解，利用較為有限的時(shí)間豐富與完善教學(xué)了教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在向?qū)W生推薦參考書(shū)籍的選擇上，以突出特點(diǎn)、避免同水平和同類別的重復(fù)為原則，有針對(duì)性的挑選著名出版社編寫(xiě)的優(yōu)秀教材作為補(bǔ)充和輔助教學(xué)的參考書(shū)籍，通過(guò)對(duì)科學(xué)問(wèn)題的不同解釋說(shuō)明，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立自己的觀點(diǎn)和想法。

2.2 教學(xué)方法改革

提高教學(xué)質(zhì)量和加強(qiáng)課程建設(shè)的重要途徑是教學(xué)方法的改革。傳統(tǒng)課堂教學(xué)往往是以教師為主體的教學(xué)[2]，學(xué)生往往只是被動(dòng)的接收老師傳授的知識(shí)，在這種教育方式使得師生之間缺少了有效的互動(dòng)。成果導(dǎo)向教育（Outcome-based Education,OBE）是實(shí)現(xiàn)學(xué)生特定學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育過(guò)程[3]，OBE教學(xué)理念是一種以學(xué)生為中心的教育教學(xué)思想，強(qiáng)調(diào)的不僅僅是“教”和“學(xué)”，而是“教與教”“教與學(xué)”“學(xué)而學(xué)”和“學(xué)與評(píng)”之間的彼此循環(huán)的關(guān)系邏輯，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推動(dòng)課堂上教師和學(xué)生間的交流，學(xué)生與學(xué)生之間的交流。根據(jù)目前“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，可以采用OBE教學(xué)理念進(jìn)行教學(xué)改革，從而提升課程的教學(xué)質(zhì)量。

由于課程內(nèi)容具有復(fù)雜而抽象的特點(diǎn)，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，對(duì)于抽象的教學(xué)內(nèi)容可以使用直觀的教學(xué)法，聯(lián)系實(shí)際生活，使學(xué)習(xí)對(duì)象具象化。隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展，具象化教學(xué)手段上要充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)圖片、視頻等多媒體進(jìn)行教學(xué)的演示，使抽象概念形象而直觀的展示出來(lái)，以此提高課堂的信息量，不僅有助于理解難點(diǎn)問(wèn)題，還可以大大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，對(duì)于氣象要素的起源和演變、大氣現(xiàn)象的生消過(guò)程以及大氣系統(tǒng)中各種不同尺度系統(tǒng)之間的相互作用等內(nèi)容可通過(guò)多媒體進(jìn)行直觀展示。在使用形象化多媒體教學(xué)的同時(shí)，課堂板書(shū)環(huán)節(jié)還應(yīng)適當(dāng)?shù)谋Ａ?，通過(guò)板書(shū)的形式可以對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充與深入，以此增強(qiáng)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解。特別是在一些大氣物理方程、物理定律和數(shù)學(xué)公式的講解上，以板書(shū)的形式對(duì)公式進(jìn)行逐步推導(dǎo)，不僅有助于學(xué)生對(duì)公式的直觀理解，更有助于學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)背后的物理過(guò)程的清晰認(rèn)識(shí)。

教學(xué)過(guò)程中存在少部分學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性的情況，可以采用了適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法活躍課堂氣氛，如課堂討論、專題辯論和分階段小測(cè)驗(yàn)等方法。在進(jìn)行課堂討論時(shí)，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生與學(xué)生間、學(xué)生和老師間的互動(dòng)討論，引導(dǎo)學(xué)生自主思考的同時(shí)敢于發(fā)表自己的觀點(diǎn)。在進(jìn)行專題辯論時(shí)，老師挑選教學(xué)過(guò)程中本學(xué)科的多個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題作為研究主題，學(xué)生分組討論研究各個(gè)主題，并以小組為單位給出觀點(diǎn)，最終提交相應(yīng)的主題文獻(xiàn)綜述和以PPT演講的形式進(jìn)行總結(jié)答辯。在這一過(guò)程中，各個(gè)組的學(xué)生需要主動(dòng)查閱和整理相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)支撐自己的觀點(diǎn)，不僅可以鍛煉學(xué)生查找文獻(xiàn)和閱讀文獻(xiàn)的能力，還可以了解到最新的科研信息，并在主動(dòng)的學(xué)習(xí)中調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深層次的思考。在進(jìn)行分階段小測(cè)驗(yàn)時(shí)，一方面可以督促學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)，另一方面老師可以掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2.3 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐對(duì)于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力有重要作用，需要重視實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)等實(shí)踐性環(huán)節(jié)。該課程依托國(guó)家級(jí)大氣探測(cè)實(shí)驗(yàn)示范中心實(shí)驗(yàn)資源，開(kāi)展理論與實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。目前，擁有1臺(tái)X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、3臺(tái)X波段多普勒天氣雷達(dá)、1臺(tái)毫米波測(cè)云雷達(dá)、1個(gè)大氣觀測(cè)基地和許多高端儀器儀表，并擁有西南地區(qū)首個(gè)區(qū)域性組網(wǎng)雷達(dá)協(xié)同觀測(cè)基地。此外，學(xué)校與四川省氣象局建立了天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)，這給課程的順利開(kāi)展和實(shí)施創(chuàng)造了非常有利的條件。根據(jù)目前已有的條件，為實(shí)踐環(huán)節(jié)的開(kāi)展提供較大支持，例如在大氣觀測(cè)基地開(kāi)展大氣物理特征量的觀測(cè)實(shí)踐、在雷達(dá)機(jī)房實(shí)時(shí)觀測(cè)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)等，并指導(dǎo)學(xué)生如何根據(jù)得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)踐使學(xué)生把課堂的理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際業(yè)務(wù)使用相結(jié)合，培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、強(qiáng)動(dòng)手能力和能聯(lián)系實(shí)際的專業(yè)技術(shù)人才。

2.4 教學(xué)與科研相結(jié)合

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在不同的研究問(wèn)題上可能出現(xiàn)了新的研究手段、研究方法或研究成果。但由于教學(xué)教材的編寫(xiě)到實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，期間間隔的時(shí)間較長(zhǎng)。在這段時(shí)間里，可能已有大量新的觀測(cè)結(jié)果，新的研究方法以及新的科研成果的出現(xiàn)，因此在教學(xué)過(guò)程中要及時(shí)掌握大氣物理學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的最新科研發(fā)展動(dòng)態(tài)，了解相關(guān)科研發(fā)展方向，使講授的課程與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大氣物理學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果同步。在遵循教學(xué)大綱和課程結(jié)構(gòu)的前提下，有選擇性的將國(guó)內(nèi)外最新的理論與技術(shù)成果納入教學(xué)，始終保持課程內(nèi)容的鮮活性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)。

在實(shí)際教學(xué)時(shí)，要做到教學(xué)與科研相結(jié)合，需要教師在教學(xué)過(guò)程中不斷提高自身的業(yè)務(wù)能力和水平，不斷學(xué)習(xí)最新的科研方法和科研成果讓自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)更加充實(shí)。針對(duì)每個(gè)章節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，選擇將當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展和最新研究成果介紹給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生將教學(xué)中的理論知識(shí)與實(shí)際科研相結(jié)合，這也有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)學(xué)校現(xiàn)有的資源，比如正在進(jìn)行或者已經(jīng)完成的科研項(xiàng)目，可以將這些項(xiàng)目的完成過(guò)程作為案例向?qū)W生展示，讓學(xué)生明白，面對(duì)科學(xué)問(wèn)題，如何建立研究方法，怎樣制定研究方案以及實(shí)施研究工作等詳細(xì)流程，為學(xué)生后續(xù)進(jìn)一步的畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)、科研或工作提供解決問(wèn)題的思路。

2.5 課程考核模式改革

課程考核對(duì)評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果和教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況至關(guān)重要，以前的“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”的課程考核方式重點(diǎn)在于對(duì)知識(shí)內(nèi)容的考核，而在學(xué)生能力的考核上仍有不足，這導(dǎo)致了部分學(xué)生不注重學(xué)習(xí)過(guò)程只應(yīng)付考試、不注重實(shí)踐只著重于理論知識(shí)的情況。為了避免這種情況，可以建立“多元化—重過(guò)程—考能力”的考核新模式[4]。

制定以閉卷考試為基礎(chǔ)的多元考核形式，將專題辯論和分階段小測(cè)驗(yàn)納入平時(shí)成績(jī)的考核。在專題答辯考核時(shí)，著重考查學(xué)生實(shí)踐能力、自學(xué)能力、表達(dá)能力和小組的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。另外將課堂討論設(shè)立為加分項(xiàng)，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上積極回答問(wèn)題，參與更多的課堂互動(dòng)環(huán)節(jié)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。在批改試卷及測(cè)驗(yàn)題時(shí)，需要將學(xué)生的邏輯方式和整體觀點(diǎn)作為評(píng)分的重要一環(huán)，這不但可以展現(xiàn)學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的掌握和應(yīng)用情況，還可以進(jìn)一步了解到學(xué)生運(yùn)用相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行分析和解決相關(guān)問(wèn)題的能力，引導(dǎo)學(xué)生在思考問(wèn)題時(shí)對(duì)解決問(wèn)題邏輯和整體的認(rèn)識(shí)。

在課程結(jié)束后，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式，從實(shí)際出發(fā)多角度設(shè)立問(wèn)卷題目，讓學(xué)生進(jìn)行充分的自我評(píng)價(jià)，反饋學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的不足，以此幫助教師了解學(xué)生情況，在后續(xù)的教學(xué)工作種進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改進(jìn)。最終，通過(guò)本次課程對(duì)學(xué)生的考核情況，反思學(xué)生能力的提升情況和專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)情況，對(duì)不足之處進(jìn)行整改，從而不斷改進(jìn)和完善教學(xué)大綱、豐富教學(xué)內(nèi)容和提升教學(xué)手段，更加有效的完成培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，推進(jìn)專業(yè)教育質(zhì)量的提升。

3 結(jié)語(yǔ)

在教育部全面振興本科教育和新人才培養(yǎng)方案的大背景下，針對(duì)目前“大氣物理學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)過(guò)程中暴露出的問(wèn)題，提升教學(xué)質(zhì)量，在OBE理念的指導(dǎo)下，從以下五個(gè)方面進(jìn)行改革探索：

（1）針對(duì)學(xué)校專業(yè)特點(diǎn)，根據(jù)專業(yè)研究領(lǐng)域不同和后續(xù)課程的結(jié)構(gòu)，科學(xué)選擇教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行有側(cè)重點(diǎn)的教育，為學(xué)生后續(xù)相關(guān)專業(yè)課學(xué)習(xí)建立更好的聯(lián)系。

（2）針對(duì)教學(xué)過(guò)程中課程內(nèi)容理論性強(qiáng)且相對(duì)枯燥繁雜和部分學(xué)生缺乏主動(dòng)性的情況，通過(guò)以O(shè)BE教學(xué)理念為指導(dǎo)，推動(dòng)課堂上教師和學(xué)生間的交流，增加課堂討論、專題辯論和分階段小測(cè)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，在增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性的同時(shí)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)發(fā)展。

（3）依托學(xué)?，F(xiàn)有資源和平臺(tái)，增加實(shí)驗(yàn)觀測(cè)環(huán)節(jié)，不僅有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

（4）為了保證教學(xué)內(nèi)容的鮮活性，將國(guó)內(nèi)外的最新理論和研究成果有選擇的納入課程，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)。

（5）為了避免只注重學(xué)習(xí)結(jié)果而不注重學(xué)習(xí)過(guò)程的考核模式，建立多元考核形式，將學(xué)生的實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)過(guò)程都納入考核，針對(duì)考核中的不足之處，進(jìn)行后續(xù)教學(xué)改革，達(dá)到不斷提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

教育教學(xué)改革之路任重而道遠(yuǎn)，只有循序漸進(jìn)地解決教學(xué)過(guò)程中存在的各種問(wèn)題，才能為社會(huì)培養(yǎng)更加優(yōu)秀的專業(yè)技術(shù)人才。