《天氣學診斷分析》課程教學實踐與嘗試

高慶九 宋耀明 周順武

(南京信息工程大學 a.大氣科學學院;b.科技處，南京 210044)

目前我國大氣科學在學科建設、研究深度和規模上都有了較大的發展，而隨著全球變暖，高溫熱浪，大范圍旱災，強降水等極端天氣、氣候事件的頻發，人們對天氣、氣候愈加關注，相應地對大氣科學本科人才的培養質量也提出了更高的要求。因此，以素質教育思想為指導，轉變教育理念，深化教學改革，加強地球科學專業課程建設，提高教育質量，就成為擺在從事地球科學專業課程教學工作者面前的一項任務。本文對大氣科學類專業課程《天氣學診斷分析》的特點及近年來該課程的教學及實習情況進行了分析總結，從培養創新型實用性人才的角度出發，對該課程教學和實習中存在的不足及案例教學法應用于教學實習的嘗試進行了討論，以期加強學生實踐動手能力和分析能力，提高該課程的教學效果。

1 課程特點和內容

診斷分析方法是利用各種觀測和再分析資料，結合相應的熱力學和動力學方程，對所關心的物理量或有關的診斷方程中的各項進行計算，并對天氣演變過程中伴隨的各種物理過程或某一物理過程中起作用的各個方面做出定量的估計和解釋；對揭示和加深大氣運動內在規律的認識是一種有效的手段。通過診斷分析方法，可以對一些典型天氣過程進行定量和定性分析，尋找這一類天氣的共同點及其發生發展機制；也可以作為一些大型科學研究項目的預研究工作。因此天氣學診斷分析方法是現代天氣學研究和業務工作中的常用方法，也是當前從事氣象業務和科研工作必須掌握的基本技能[1～3]。根據課程特點，要求學生在學習本課程前要掌握一定的計算、數據處理、繪圖技能以及基本的天氣學知識。

據了解，目前國內具有大氣科學專業的院校大都在本科或研究生階段開設有該課程，各校課程名稱、講授內容和學時不完全一致，但基本上都包括了：有限差分方法，客觀分析和資料處理，平滑、濾波和尺度分析，氣象常用診斷量的計算(溫濕特征參量、運動學參量)，流函數、勢函數計算，水汽和降水診斷分析，能量學診斷分析，穩定度計算等內容。此外，有些學校還增加了螺旋度，Q矢量等一些新的動力學參量的計算及其在天氣診斷和研究中的應用。

2 課程現狀及存在問題

在我校大氣科學專業的教學計劃中，《天氣學診斷分析》歷來作為專業限選或選修課程，被安排在大三下學期，與《中國天氣》和《天氣分析2》在同一學期開課。在學習該課程之前，學生已經學習了《天氣學原理》、《天氣分析1》，初步掌握了天氣分析和天氣預報的基本原理和基本方法，掌握了天氣圖分析方法和各項技術要求，初步掌握了以天氣圖為主的預報思路，并對主要天氣過程演變具有初步總結的能力；而《Fortran語言和程序設計》、《GrADS繪圖》等前導課程的學習，使學生掌握了數據處理及繪圖的基本方法，初步具備編程繪圖的能力。

因為本課程是大氣科學專業學生所接觸的第一門將專業知識與計算機、繪圖等課程融合應用，難度又相對較低的課程，在今后的畢業論文和業務工作中又有較大用處，因此選修人數較多。通過對近4年該課程選修情況的了解，我們發現該課程選修比例相當高(基本在80%以上，個別年級達到95%左右)。

隨著國民經濟的發展，地球科學類各學科的設置與招生人數在不斷地調整，教學計劃也做了較大的調整，種種原因使得目前我校《天氣學診斷分析》課程也存在一些問題：首先是開課學期發生變動，由原來的大三下學期提前到大三上學期，在開設本課程時，學生不具備相應的專業知識，導致學生在學習了診斷分析方法，并進行教學實習后，對所得到的結果不能結合天氣學原理進行有效的分析，使得這門課程的作用和效果大打折扣；其次，教學中所采用的本校自編教材內容與其他院校教材內容雖然差別不是太大，但主要是講授各種物理量概念和計算公式，具體應用的內容相對偏少；第三，經過幾次教學計劃的調整，目前診斷分析課程學時為32學時，其中實習6學時，學時偏少，尤其是實習課時偏少，有些內容在教學中沒有涉及(能量學診斷分析，水汽和降水診斷分析，穩定度計算等等)；從學生方面看，存在的主要問題是不能將計算機知識與天氣學知識進行有效的結合，對定量計算結果可以畫出圖來但不能很好應用天氣學知識進行分析，對所得到的計算結果還缺乏正確分析和判斷。

3 采取的措施和嘗試

針對以上問題，如何在很少的課時內，通過本課程讓學生學會綜合運用所學知識，將計算編程、繪圖分析作為手段，并結合專業知識對具體天氣過程進行診斷分析，為學生今后從事科研和業務工作打下良好基礎，是值得思考并亟需解決的問題。為此我們采取了一些措施和嘗試：

(1)及時對教學計劃進行調整，將開課學期調整回大三下學期，保證基本專業知識等前導課程的學習；對于暫時未能調整的年級，在教學內容中及時補充相應的專業知識。

(2)在現代地球科學教育工作中，教材建設具有舉足輕重的作用。它是體現教學內容和教學要求的知識載體，是進行教學的基本工具，是提高教學質量的重要保證[4]。針對目前使用教材的特點及課時少的現狀，考慮到一些基本物理概念學生在前導課程中已經學習過，在教學中我們減少了概念和公式講解的課時比重，挑選一些相關文獻要求學生閱讀，以此作為對教材內容的補充，將具體物理量在業務工作和科研中的應用通過文獻中的個例進行介紹，并啟發學生去思考如何處理數據，如何得出文獻中的圖表，對圖表的分析在文獻中是怎樣進行的，從而增強學生感性認識，提高學習興趣，保證教學質量和教學效果。

(3)在目前總課時一定的情況下，課時少這一現狀是很難改變的。針對總課時少，實習課時少的現狀，我們嘗試在教學實踐中采取案例教學法。案例教學又稱為實例教學或個案教學，是指將案例作為教材的一種形式，讓受教育者通過閱讀、思考和分析以及相互間進行討論和爭辯的一種教學過程[5]。它與傳統教學方式不同，具有高度的仿真性、能動性和創造性，是一種培養高素質、創新型和實用型人才、加強學生理論聯系實際的有效教學方法之一，也是將書本理論知識轉化為現實工作能力的有效途徑，符合《中共中央國務院關于深化教育改革全面推進素質教育的規定》中對人才培養所提出的新的更高的要求。目前，案例教學法已普遍應用于醫學、管理學、法學等的教學過程中。實踐證明，它是一種行之有效的教學方法[6]。

在采用案例教學法的過程中，我們挑選了典型的天氣過程個例，通過天氣過程中各種物理量計算和過程的分析，激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性和主動性，提高自學能力，縮短理論與實踐的距離，加深學生對所學知識的理解和掌握，培養學生的創新思維、創造能力、交流協作能力和綜合分析處理問題的能力，從而提高教學效果。比如目前的實習內容為一次南方氣旋的過程分析，在其中既考慮到了①渦度、散度、垂直速度，渦度平流、溫度平流等的計算，也考慮到學生正在學習《中國天氣》課程，因此增加了關于②水汽通量以及水汽通量散度的計算和分析內容。這樣既符合教材中對動力學特征參量計算分析的要求，又通過對降水過程中水汽條件的分析補充課教學內容，和中國天氣課程結合起來。在具體實踐中，將實習內容區分為兩個層次，對學習能力強的學生建議除了計算①之外，還進行②的計算分析。在實習前，對實習內容涉及到的專業知識進行復習，對這次南方氣旋過程中系統生消演變及環流特點進行講解，并提供過程降水量圖給學生，使得這次天氣過程在學生眼中更加具體形象，也產生了濃厚的興趣。在實習中提示學生所計算的物理量要如何分析，如何將天氣學知識運用到結果分析中；并推薦文獻要求閱讀和模仿分析。對學生在實習中出現的問題及時給予講解和解決，在實習結束后專門留出一課時對要求閱讀的文獻進行講解，引導學生模仿文獻對實習結果進行分析總結。通過分析課后實習報告，分析降水條件，使得學生學習興趣大大增加，個別學生甚至在課程結束后，在假期中自己主動分析天氣過程，請老師給予批改。

案例教學法的實施和文獻閱讀相結合，激發了學生的學習興趣, 調動學生的學習積極性和主動性, 提高自學能力, 縮短理論與實踐的距離, 加深學生對所學知識的理解和掌握, 將書本理論知識轉化為現實工作能力，培養學生的創新思維和綜合分析、處理問題的能力，提高教學效果。同時也加強了學生對科研的參與度和興趣的培養，而對初級科研計算繪圖能力的培養也符合學生自身發展和社會需求。

4 今后的工作

通過幾年的摸索和實踐，我們認識到采用案例教學法需要有大量的案例支持，并且高質量的案例必須與教學內容相吻合，符合教學大綱的要求，能夠體現教學的重點和難點，達到案例教學的目的。此外所選擇的案例必須典型，具有代表性和實踐性，通過實習和對結果分析，啟發學生的思維，對學生今后的科研和工作需求相吻合；在挑選個例的過程中還要注意難度要適中，要把握既能說明教學的重點和難點，又能達到培養學生分析問題的能力的尺度[7]。在此原則指導下，在學校教學改革與建設工程資助下，我們挑選了一些較典型、有較大影響的天氣過程個例，分為大型降水、強對流天氣、氣旋發展等不同類別來充實實習內容，以逐步完善和豐富天氣學診斷分析教學和實習內容，建立一套較為完整的天氣學診斷分析實習體系，引導學生綜合運用所學知識，對典型天氣過程的物理量進行診斷分析，從而定量分析系統的生消演變，切實將所學知識運用到實踐中，為今后的科研和業務工作打下較為堅實的基礎。

案例教學法是加強學生理論聯系實際的有效教學方法之一，但同時也要注意到在案例教學法實施過程中教師的引導作用是不可忽視的。這也要求我們在不斷補充、完善和更新案例的同時加強和提高教師自己的教學能力，以保證教學質量和教學效果的提高，兩方面都是不可忽視的。

[1]丁一匯.現代天氣學中的診斷分析方法[M].北京：科學出版社，1989.

[2]董曉敏，田盛培.天氣診斷分析方法簡介[M].北京：氣象出版社，1986.

[3]周軍.天氣學診斷分析[M].南京：南京信息工程大學自編教材.

[4]陳磊.關于地球科學專業教材建設的幾點思考[J].中國地質教育，2003，(3)：34～35.

[5]朱友涵，李拉，陳琳，等.案例教學實施現狀的分析與思考[J].南京特教學院學報，2008，(4)：68～71.

[6]夏成，范春玲，孫斌，等.病例分析在獸醫內科學教學中的應用[J].黑龍江生態工程職業學院學報，2009，22(1)：124～125.

[7]李變蘭，田琳，肖榮，等.案例教學法的支持系統——案例庫建設[J].中國高等醫學教育，2008，(10)：108～109.