“數字化微型氣象站”在我國臺灣地區的應用研究進展

彭　豪　錢揚義

【摘要】數字化微型氣象站是氣象數據采集系統。通過整理分析電子文獻，研究我國臺灣地區數字化微型氣象站的應用研究進展，包括校園氣象臺、校園氣象網的概況以及開展的相關教學與探究式學習活動。希望能為我國內地數字化學習平臺的建設提供有益的參考與借鑒。

【關鍵詞】數字化微型氣象站；臺灣地區；校園氣象臺；校園氣象網；科學探究

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A【論文編號】1009—8097（2009）06—00035—05

數字化微型氣象站是一個基于手持技術[1]的先進的便攜式氣象數據采集系統，主要應用于天氣預測和微氣候監測。它能便攜、定量、實時、準確地測量氣象數據[2]，通過無線技術把數據發送到多媒體電腦，并可利用網絡技術進行數據共享與協作學習。數字化微型氣象站已被廣泛地應用于我國臺灣地區的校園里作教學與探究式學習之用。本文將介紹數字化微型氣象站在臺灣地區的應用研究進展，包括校園氣象臺、校園氣象網的概況以及開展的相關教學與探究式學習活動。

一 數字化微型氣象站在校園氣象臺的應用

臺灣地區的校園氣象臺構建的主體是數字化微型氣象站。校園里的數字化微型氣象站，是采用美國Davis Instrument公司的Vantage Pro Plus整合套件機型，包含了數字化氣象站的主機和無線接收器。數字化氣象站的主機，是一個全自動化的氣象數據測量記錄儀，利用太陽能供電，白天不需使用額外電源。在陽光下，太陽給氣象站提供能量并為氣象站的內置電池充電；夜晚或陰天由電池繼續供電。因此氣象站可在24小時內無間斷地工作。氣象站能測量并記錄溫度、濕度、氣壓、降雨量、日／月／年的雨量圖、每日最高及最低溫度、風速、風向等氣象數據，還能計算出風寒指數（Wind Chill）、露點(Dew Point)、體感溫度等專業氣象參數。氣象站以無線電的方式將測量到的數據傳送到接收的計算機。氣象接收器能以數字、圖表方式實時顯示氣象數據。教師和學生便可在氣象站信號覆蓋的范圍內通過氣象接收器了解當前的校園氣象狀況。氣象數據接收器加裝EZWeather軟件套件和數據記錄器后，即可與計算機連接。師生們便能在計算機上查閱實時的氣象信息和歷史記錄[3]。

在臺灣地區，數字化微型氣象站已被廣泛應用于中小學的氣象學習[3][4][5]，具體內容如表1所示：

臺灣地區臺北市內的小學校園氣象臺通過數字化微型氣象站的無線技術與計算機的連接，將收集到的數據呈現在校園氣象臺網站上，學生及老師隨時都可以上網站查詢現有的數據，實時地了解當時的風速、風向、氣溫、雨量等的氣象信息。圖1 為松山國小校園氣象臺網站，是數字化校園氣象臺網站的典型例子，其他設有數字化氣象站的學校也擁有各自的、具有相同功能的校園氣象臺網站。

國際氣象組織（WMO）規定，50-100km內需設置一個氣象觀測站。校園氣象臺的大規模建立（見圖2），使臺北市在5km以內便擁有一個氣象觀測站，突破了無法解析50km以內的結構變化的局限。臺北市成為全世界氣象臺最密的城市。

隨后，桃園縣縣內也廣泛建設校園氣象臺，成為繼臺北市后第二個氣象觀測站密布的地區（見圖3）。其他縣市也逐漸開始擁有自己的校園氣象站，使校園氣象臺在臺灣地區遍地開花（見圖4）。

二 數字化微型氣象站在校園氣象網的應用

臺北市于2003年12月，在市內的60所小學內建立各自的校園氣象臺。這60個校園氣象臺一方面可以自成一獨立的氣象觀測站，在各自的校園氣象臺網頁上顯示校內的天氣變化狀況；另一方面，各個校園氣象臺還會將每天收集到的數據發送至臺北市校園氣象網，實現數據共享。校園氣象網的組織結構如圖5所示。

圖5 校園氣象網的組織結構示意圖[3]

通過這個集中型的氣象網，師生們能同時獲得60所學校所收集到實時的氣象數據和歷史的氣象資料，為中小學氣象科學的教學與探究式學習提供了豐富的資源。臺北市校園氣象網不但服務于學校師生，而且廣泛運用于市民的日常生活。目前，臺北市校園氣象網已成為全球領先的“微觀氣象測候網”（見圖6）。

2006年，桃園縣政府教育局亦開始建設桃園縣校園氣象臺網站，進行相關推廣工作。目前，桃園縣已建成由縣內20多小學聯網的桃園縣校園氣象臺網站（見圖7）。為了統一臺灣各地的校園氣象臺，以便共享更全面的氣象信息，全區域性的校園氣象網相應地建立起來。臺灣地區統一的校園氣象網（見圖8）匯集了臺北市、桃園縣及其他縣市的校園氣象臺的實時氣象信息，為探究式教學與學習提供了一個功能強大的數字化信息平臺。

三 數字化微型氣象站在科學課程教學與探究式學習活動中的應用

探究式學習（inquiry-based learning）就是主動追尋開放問題的解答，進行真正的科學實踐，使學習者有動機追求新知，整合與應用知識[10][11]。臺北市的由60所中小學校園氣象臺構建而成的數字化學習平臺，給中小學創設了更便捷的探究式學習情境。同時，校園氣象網中的海量數據，也使得參與科學探究活動的師生們獲得除學術文章以外的豐富數據資料。

來自不同學校的十多位自然科學教師組成了“臺北市探究式學習種子教師團隊”，并由中央大學三位分屬大氣科學、認知與教育，以及網絡學習科技專長的三位教授指導。2003年至今，已共同進行了“應用‘校園氣象臺進行探究學習教學實驗與科展活動”、“以氣象領域為例之自然科學探究式教學”、“應用校園氣象臺提升國中小學生探究能力”三大教學計劃，目的在于通過創新的教學設計，讓學生體驗探究式學習的技巧，讓探究式學習真正落實到學校教育中。在他們團隊的努力下，臺北市的中小學師生已逐漸開始運用校園氣象臺網站的數據庫，進行相關的探究式教學與學習活動、科學競賽以及研究工作 [10]。

2004年，臺北市舉辦了“校園氣象臺”創新教學活動設計大賽。參與教學設計的學科并不局限于地理、氣象等自然科學，有些教師甚至把數字化微型氣象站應用在數學、語文、生活科（美勞、音樂）等科目上。教學設計的內容有的是一節課，有的是一系列的教學活動。大賽的成果展現在網站上，作品包括教學設計方案、教學演示文稿（幻燈片）、教學視頻等[7][9]。此類教學活動設計比賽既能讓老師展現出自己的教學才能，又能使數字化微型氣象站更好地服務于教學活動。

2005年，在臺北市教育局的資助與指導下，“探究式學習種子教師團隊”舉辦了名為“EZ氣象Lets go!氣象體驗營”的氣象親子體驗營，活動的內容充分體現了“科學探究”的精神。60對親子體驗了基于“便攜式計算機”、“數字化數據采集器EcoLog*”和“數字化微型氣象站”的全新數字化學習模式[10]。整個過程中，無論是探究的設計還是方案的實施，都是由家長和孩子合作完成的。此類活動不但大大增進了親子間的感情，而且培養了學生濃厚的科學探究的興趣。

2006年，陳斐卿、江火明將探究式學習的歷程分為六大基本步驟，包括“各提觀點”、“匯成假設”、“形成策略”、“揀選變數”、“轉化數據”、“驗證假設”等[10][11]，其學習模式如圖9所示。這一探究式學習模式隨后被引入到運用“數字化微型氣象站”及“校園氣象臺”進行的探究式學習活動中。

2006年，“臺北市探究式學習種子教師團隊”舉辦了“中小學學生自然科學探究式學習網絡競賽”[10][12]。參賽的中小學生運用網絡作為溝通交流的工具，借助強大的數字化信息平臺——“臺北市校園氣象網”，通過相互協作，學習如何觀察、分析天氣現象，實地研究氣象問題，從而提升了學生的探究能力；同時透過“同儕互評”活動，培養了他們的評價能力。活動的成效得到了專家組和廣大師生的好評。

2007年，種子教師團隊再接再厲地舉辦了第二屆的“中小學學生自然科學探究式學習網絡競賽”[12]，參賽隊伍數目大幅增加，而且比賽完成率也有所上升；探究的課題與生活更接近，數字化校園氣象網的使用率也大大提高。

承接上兩屆得到的良好成效，2008年繼續舉辦了第三屆“中小學學生自然科學探究式學習網絡競賽”[7]。

四 數字化微型氣象站在臺灣地區的應用研究的啟示

通過以上對數字化微型氣象站在我國臺灣地區應用狀況的綜述，我們可以得到一些啟示：

（1）從數字化微型氣象站普及的范圍上看，數字化微型氣象站已大范圍地普及于臺灣地區各中小學校園，并建立起龐大的、完善的“校園氣象網”；而數字化微型氣象站在大陸地區只是在小范圍內進行推廣，未能形成系統的校園氣象網絡。筆者建議我國內地可在發達地區中小學率先推廣數字化氣象站，并建立起“校園氣象網”。

（2）從數字化微型氣象站的應用成效上看，近年來，臺灣地區把數字化微型氣象站、校園氣象臺與校園氣象網運用到氣象科學探究式教學與學習之中，取得了巨大的成效。學生乃至全民的科學探究意識與科學素養得到了很大提高。可見，數字化微型氣象站在科學教育中起著積極的促進作用。筆者認為，內地亦可借鑒臺灣地區的經驗，結合內地科學教育的特點，開展相應的氣象科學探究式活動，讓數字化微型氣象站更好地推進國內科學教育的發展。

（3）從數字化微型氣象站的教學研究上看，我國內地對數字化微型氣象站的研究還處于初始階段，對于如何利用它提高學生的科學探究的興趣、活躍科學課堂氣氛、開發探究式教學設計,以及輔助公眾科學教育等研究層面尚未涉及。而這些內容都是日后進行相關研究和教育實踐時值得深入考慮的重要問題。

（4）從數字化微型氣象站的應用前景上看，數字化微型氣象站的引入，使學校在“低資金投入”的前提下擁有最先進的“數字化氣象學習平臺”，也使中小學現有信息化程度大大提升。學生運用數字化微型氣象站進行探究活動，便可更充分地利用學校現有的氣象環境資源進行科學學習；氣象站的聯網，能最大限度地整合該地區各個學校現有的信息資源，使教學資源得到更好的優化配置。數字化微型氣象站的推廣，將有力地推動信息技術與科學課程的整合，促進探究式學習在科學教學中的發展，必將成為中小學校園數字化學習平臺[13]發展的新趨勢！

注：* EcoLog，手持技術儀器的一種，內置5種傳感器，可測量氣溫、亮度、音量、濕度和氣壓；還可外接各種傳感器，適用于自然科學中的各類實驗。

參考文獻

[1] 錢揚義,鄧峰.數字化化學探究實驗室的建設與學生探究能力的培養[J].中國電化教育,2006,(11):49-52.

[2] 錢揚義.手持技術在研究性學習中的應用及其心理學基礎[M].北京:科學出版社,2006:176-198.

[3]Weather station[EB/OL].

[4] 王緒溢. 數位化科學學習與教學[EB/OL].

[5] 江啟昱.信息科技在國小自然與生活學習領域教學之應用——以“探索校園氣象信息”為例[EB/OL].

[6] 松山國小校園氣象臺[EB/OL].

[7] 臺北市校園數位氣象網[EB/OL].

[8] 桃園縣校園氣象網[EB/OL].

[9] 全國校園氣象網[EB/OL].

[10] 董松喬.人人能當氣象權威!——“校園氣象站”于“探究式學習”之應用[EB/OL].

[11] 江火明,陳斐卿.應用校園氣象臺進行探究學習教學[EB/OL].

[12] 陳錦雪. 探究式學習網路競賽初探——以氣象為主題[EB/OL].

[13] 錢揚義,羅一帆,肖常磊等.自主開發教育信息技術平臺,強化高師生化學教師教育能力培養的實踐研究[J].電化教育研究,2008,(12):89-92.

The Research Progress of Application of Digital Micro Weather Station in Taiwan, China

——the trend of new e-learning platform for primary school & middle school

PENG HaoQIAN Yang-yi

(Institute of Chemistry Teaching and Resource, South China Normal University, Guangzhou, Guangdong, 510006, China)

Abstract: Digital micro weather station is a system for logging meteorological data. Through analyzing many online documents, this paper aims to study the research progress of application of digital micro weather station in Taiwan, which includes the general situation of campus weather station & campus meteorologic web and the relevant activities of inquiry-based teaching & learning in order to provide useful experience and reference for the construction of e-learning platform in the mainland of China.

Keywords: Digital Micro Weather Station; Taiwan; Campus Weather Station; Campus Meteorologic Web; Scientific Inquiry