《大氣邊界層物理學》課程教學的幾點思考

王詠薇 朱 彬

(南京信息工程大學 大氣物理學院，南京 210044)

大氣邊界層指離地面1～2km范圍的大氣層最底下的一個薄層，它是大氣與地球表面直接發生相互作用的層次，與天氣、氣候以及大氣環境研究有非常密切的關系。由于人類的生命和工程活動絕大多數都是發生在這一層次內，所以大氣邊界層的研究又與工業、農業、軍事、交通以及城市規劃和生態環境保護等緊密相關。

《大氣邊界層物理學》課程為大氣科學各專業本科及研究生的學科基礎課，同時可作環境科學、海洋科學和應用力學等專業研究生選修課。該課程針對不同學科背景交叉的研究生，重點介紹大氣邊界層物理最基本的內容，包括大氣邊界層的特征，描述大氣邊界層的主要數學物理工具，大氣湍流理論，大氣邊界層的半經驗相似理論、數值模擬、大氣污染擴散以及大氣邊界層探測的原理和方法等。

筆者根據近幾年在本科和研究生課程教學過程中的經驗及認識體會,分析和探討當前課程狀況以及亟需進行的教學改革工作，以期提高該課程的教學質量。

1 課程內容及課程設計

對于本科生，該課程內容設計為通過課程學習，使學生掌握大氣邊界層物理的基本概念、基本理論、基本的研究方法，為將來從事天氣、氣候、大氣環境等相關領域的業務及研究工作打下基礎。而對于研究生，在基本知識已經掌握的基礎上，還應針對天氣、氣候、空氣污染、環境工程、生態環境等學生不同學科背景交叉的狀況，重點對大氣邊界層研究方法、相關進展、目前存在的難以攻克的問題等展開講解，為學生能夠從事相關研究提供良好的知識平臺。

大氣邊界層的基本研究方法通常是采用理論和實驗相結合，并以實驗為主。理論上有以混合長理論和相似理論(量綱分析)為基礎的半經驗理論及以概率論數理統計為基礎的湍流統計理論，在應用中又以半經驗理論為主。實驗方法則是以野外觀測及室內模型實驗同時進行。同時，近幾十年來，由于計算機速度的不斷提高，大氣邊界層的數值模擬研究方法成為一種常用的研究手段。

因此，該課程的特色應在于理論教學與野外觀測及上機實習等實踐課程并重，即在本科教學過程中除了應注重大氣邊界層理論教學外，進行相應的大氣邊界層探測實踐，使學生掌握觀測試驗及數據分析的方法也是該門課程的關鍵。此外，對于研究生，還應加設一定課時的邊界層數值模擬上機實踐課程。即本科生課程設計主要包括基礎概念與基礎理論的學習，以及大氣邊界層平均場湍流場的觀測實踐、上機數據分析實踐等環節。而碩士研究生本身具有基本概念和理論的基礎，因此課程內容主要包括進一步的基本理論的學習、大氣邊界層平均場湍流場的觀測實踐、數據分析上機實踐環節以及大氣邊界層數值模擬環節。

當前，本科與碩士研究生教學都偏重于基礎概念及理論的教學，相應的實踐環節還需從教學大綱、教學內容、相關教材等方面進行全面的改進。

2 講義及教材編著

國內《大氣邊界層物理學》教學可選的參考書主要包括《邊界層氣象學導論》[1]、《邊界層氣象學教程》[2]、《邊界層氣象學基礎》[3]、《大氣邊界層動力學》[4]等。

以上參考書中，《邊界層氣象學導論》[1]較為系統全面地闡述了早期大氣邊界層基本理論、觀測手段、數值模擬等內容，概念清晰、推導嚴謹、由淺入深，并且包括相當數量的習題，是大氣邊界層入門學習的最佳教材，然而該書相對較為全面寬泛，內容較多，并且已絕版。《邊界層氣象學教程》[2]與《邊界層氣象學基礎》[3]兩本書內容相對集中、系統，適合大氣科學類本科生教學，但是同樣已絕版，無法作為理論課教材。趙鳴等2006年新版的《大氣邊界層動力學》[4]可購買，但是該書偏重邊界層動力學方面，內容艱深，適合研究生教學。

同時，隨著數理科學的發展，計算機技術及探測技術的發展，當前大氣邊界層研究有了長足的進展，一些新的較為成熟的理論需編納進入新的教材。

目前本科生課程教學并無教材可用。同時，大氣邊界層物理實踐課程，無論本科生及研究生都無合適的教材可選。因此，從最初的講義入手編著本科生理論教學教材以及相應實踐課程教材的工作亟待開展。

3 教學方法與手段

《大氣邊界層物理學》課程內容既包括邊界層基礎概念，例如湍流通量、雷諾應力、湍流基本概念等，又包括邊界層動力學控制方程組，并且加以有混合長理論和相似理論(量綱分析)為基礎的半經驗理論及以概率論數理統計為基礎的湍流統計理論等，內容較為繁雜艱深，難以理解，且內容相對枯燥，因此在課程講解時，教學方法與手段顯得尤為重要。應采取整體性、綜合性、動態性、應用性、全體性和啟發性的原則[5],對十分繁雜的教學內容和有限的教學時數，要先進行分析，列出哪些內容必須要在課堂上詳細講解，哪些內容可以通過學生自學完成，哪些內容通過學生查閱參考文獻獲得知識，再采用課堂答疑的方式講解，讓學生自己進行綜合歸納，這樣就摒棄了過去所有的章節都在課堂上詳細講解的方法，在有限的教學時間內極大地豐富了教學內容，將十分復雜的教學內容分出了層次，同時也鍛煉了學生獨立自主的學習能力。

針對少數學生缺乏學習主動性的情況，采用了設疑、課堂討論、專題辯論、階段小測驗等方法活躍課堂氣氛。通過實踐,在這幾種方法中,課堂討論和專題辯論最能調動學生的積極性。因為為了完成某科學問題的討論，學生要去準備相關的資料，不僅要去圖書館查閱相關文獻,還要寫成講稿，在查閱、整理資料過程中，學生就認真主動地進入課程學習，在一定程度上避免了學生因其他因素造成對課程學習的消極和懈怠，調動了學生的學習積極性。

在課程內容講解的過程中，加入一些時事熱點以及教師現有研究內容、研究經歷。例如,在講授采用位溫垂直廓線的演變分析高壓大陸邊界層結構的演變過程中，講解完基本變化，輔以教師本人關于應用位溫廓線分析隨著城市發展，邊界層結構變化的相關成果，使學生對課程內容增加興趣，并且更好地掌握。

4 科學研究及氣象業務發展對該課程的要求

大氣邊界層的研究與天氣預報、氣候預測以及大氣物理研究有非常密切的關系。由于人類的生命活動幾乎都是發生在這一層次內，所以大氣邊界層的研究又與工農業生產、環境保護等緊密相關。近年來，由于大量與大氣運動有關的實際問題日益受到重視，國內外許多非氣象領域的科學工作者，尤其是力學工作者，也對大氣邊界層研究產生了興趣，與此相關的有工程氣象學、工業空氣動力學、環境流體力學等新的交叉學科。人們在解決航空安全保障、高層建筑物設計、風能利用以及空氣污染防治等問題的過程中，都需要對大氣邊界層的結構特征有深入的了解。

人為活動對氣候變化的影響已是不爭的事實。而人類活動對天氣氣候的影響首先以大氣邊界層作為輸送通道。隨著人為活動的增加，地球表面城市不透水地面的增多，建筑物的增高增密，綠地及莊稼植被相應減少，人為排放熱量的增加，工廠、交通污染物排放的增加等等，這些因素都對天氣氣候的變化造成影響。但是影響機理如何，影響程度如何等等這些科學問題的解決都需首先對大氣邊界層的湍流輸送等問題進行研究。從風工程、核電工程、以及如何利用風能、太陽能等自然綠色能源角度，也需要準確地把握大氣邊界層的風、溫度、輻射等基本場的變化。

隨著數理科學的發展，以及計算機和探測技術的發展，我們擁有更多的理論或者探測工具對大氣邊界層的波、渦、湍流、擴散等復雜運動進行研究，這些學科及技術的發展極大地促進了大氣邊界層學科的進展。要想更好地進行大氣邊界層課程的教授，為相關研究提供基礎，就需要掌握當前新技術、科學發展對本學科的新貢獻、新進展，而不是根據老的教材照本宣科。

同時，科學研究及氣象業務發展要求高校教師在教學工作中，要不斷提高自身教學能力和水平，不斷用最新的科研成果充實自己的知識結構。這就要求教師要進行科研工作[6]。通過嚴謹的科學研究工作，教師的認識水平和解決科學問題的能力有了提高，從而有助于提高在相關知識點的教學質量和學生的學習興趣。例如，在講授大氣邊界層結構變化時,可以結合科研成果，針對不同下墊面邊界層結構的日變化進行討論，并對人們生活中夜間穩定邊界層結構下污染濃度劇增的危害進行分析說明，使學生用課本知識解釋日常生活中遇到的問題，提高對相關教學內容的理解。

5 結語

(1)當前《大氣邊界層物理學》課程內容應根據不同學科背景、不同專業方向的特點和課程體系中相關課程內容的銜接進行科學選擇，以達到知識點覆蓋全面,各專業課程之間內容互補的要求。當前課程內容實踐教學部分不完善，且無合適教材可用。本科課程重點在基礎理論，基于本課程特色，需進行實踐課程的設計。研究生學習需注重邊界層研究進展的闡述。

(2)該門課程內容艱深，理論枯燥，應針對課程的教學特點，在教學手段、課件制作、課堂教學方法上不斷創新，選擇適當的教學方式和方法，不斷提高教學效果。

(3)當前科學研究及氣象業務發展對該課程提出了更高的要求，專業課程教學應和相關科學研究活動緊密結合，教師需要通過科研活動不斷提高自身教學水平，并使科研工作很好地服務于教學。

[1][美]R.B.Stull.邊界層氣象學導論[M].楊長新,趙鳴，等，譯.北京:氣象出版社,1991.

[2]趙鳴.邊界層氣象學教程[M].北京:氣象出版社,1991.

[3]蔣維楣.邊界層氣象學基礎[M].南京:南京大學出版社,1994.

[4]趙鳴.大氣邊界層動力學[M].北京:高等教育出版社，2006.

[5]張英彥.更新知識觀念改革高校教學[J].中國高教研究,2006，(2):70～71.

[6]汪志勇,胡祥余,張祖德.高校教學與科研關系之討論[J].教育與現代化,2002，(2):12～14.